二甲醚发动机燃油喷射过程的数值模拟及其试验研究

摘要

二甲醚以其清洁高效的燃烧性能而成为一种理想的柴油机替代燃料，但由于二甲醚特殊的物理、化学性质，使它在柴油机上的应用仍存在不少问题，其中关键是燃油喷射系统的设计。 本文在阅读了大量的关于二甲醚代用燃料研究和发动机燃油喷射系统数值模拟等文献基础上，综述了二甲醚代用燃料的特点，二甲醚发动机喷油系统的关键技术问题及其应满足的基本要求，并对燃油喷射系统数值模拟的目的、意义和国内外发展现状进行了较深入的分析。 本文通过对二甲醚发动机目前常用的泵－管－嘴燃油喷射系统的合理模型化，建立了燃油喷射过程及其压力变化的数学模型，并与高压油泵和喷油嘴边界的质量守恒方程和运动件的运动方程相耦合，利用FORTRAN语言进行了计算机编程，开发了二甲醚发动机燃油喷射过程的模拟计算程序软件。该软件以特征线法和有限差分法为基础，进行了高压油管内压力波和速度波波动方程的求解。该模拟程序较全面地考虑了二甲醚的热物性、供油系统结构参数和发动机运转参数对燃油喷射过程的影响。借助于该计算程序软件，可以进行二甲醚发动机燃油喷射过程的参数分析，可以获得针阀升程曲线、油泵端和喷嘴端的油管压力波曲线。发动机台架实验验证结果表明，计算结果与实验结果吻合较好，该计算软件是开展二甲醚发动机燃油喷射系统设计与性能改进的一个有力的工具。 本文作者为使所开发软件能更好地符合工程实用化的需要，还进行了基于VB的可视化人机界面设计编程，技术人员可以通过友好的人机界面操作而随时改变程序的初始参数，并通过后处理中的绘图功能直观地了解和分析模拟计算结果的变化趋势。这样一来，不仅克服了FORTRAN语言不能支持可视化编程的缺点，使得计算结果能以曲线的形式更加直观的显示出来，而且也为源程序初始参数的调试和计算结果的处理带来了极大的方便。 本文针对二甲醚发动机高压燃油泵存在较严重的燃油泄漏问题，运用大型有限元分析软件ANSYS中的液固耦合模型，对二甲醚发动机中柱塞偶件配合面环带间隙内的燃油流场进行了稳态和瞬态的耦合计算分析，提出了解决二甲醚发动机燃油泄漏问题的技术措施，这对解决二甲醚发动机柱塞偶件配合面环带间隙内的燃油泄漏具有一定的参考价值。