柴油机双ω燃烧系统燃烧及排放性能数值模拟

摘要

直喷柴油机的混合气形成和燃烧过程，对其动力性、经济性，排放污染物的生成具有重要的影响。油、气、室的匹配是决定柴油机燃烧过程的最关键因素。本文提出了双ω型燃烧室及与之相匹配的双排喷孔的燃烧系统，即在直喷式柴油机活塞上设置两个ω凹坑，并使喷油器上下两排喷孔同时喷向所设计燃烧室的上下两个凹坑中。在上止点前，缸内气流运动主要受挤流和湍流控制，气流由上部ω凹坑逐渐向下部ω凹坑运动，下ω凹坑半径较小，在其中会形成较强的挤流运动，有助于下ω凹坑中油气混合。上止点后，活塞下行，在逆挤流和燃烧涡流作用下燃烧室中的气流向外流到环形空间进一步促进了上ω凹坑中油气混合。着火后，燃烧室内的温度和压力迅速升高，使燃烧更加迅速充分同时加速了碳烟的氧化。这样能保证燃油迅速扩散到燃烧室顶部区域，与空气快速混合，加速燃烧。
　　 针对新型燃烧系统，本文利用CFD软件FIRE对缸内喷雾、混合气形成和燃烧过程进行了数值模拟。分析了进气参数（涡流比），喷油器主要参数（油束落点、喷孔分布、喷孔数、喷油提前角等）对柴油机燃烧和排放性能的影响。着重研究了缸内速度场变化、燃空当量比和温度场分布以及排放物的生成规律。应用正交设计方法研究了燃烧系统参数对燃烧过程及排放性能的影响及优化匹配，得到了不同指标下的最优燃烧参数组合。
　　 研究结果表明，采用双ω燃烧系统能较快地在缸内形成均匀的混合气，有效地改善可燃混合气的空间分布，使燃烧更加迅速和完善采用双排喷孔的喷射形式;适当地增加上排喷孔数能够提高混合气形成质量，改善燃烧性能;缸内最高平均温度和平均压力随着喷油推迟呈下降趋势;对具体的燃烧室结构和喷油系统，存在一个最佳的涡流强度。喷油提前角和喷孔数是影响NO排放和缸内最高压力的最主要因素。soot排放量则受涡流比和喷孔数的影响较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 柴油机节能与减排技术

1．3 新型燃烧系统的发展

1．4 数值模拟技术及软件简介

1．5 本课题主要研究内容

第二章 柴油机燃烧过程数值模拟基础理论

2．1 基础理论

2．2 气相湍流流动模型

2．2．1 湍流概述

2．2．2 湍流模型

2．3 喷雾模型

2．3．1 基本方程

2．3．2 子模型

2．4 燃烧模型

2．5 排放模型

2．5．1 NOx生成模型

2．5．2 碳烟排放模型

2．6 本章小结

第三章 燃烧模型的建立及验证

3．1 双ω型燃烧室及双排喷孔燃烧系统的提出

3．2 柴油机的主要参数

3．3 几何模型的建立

3．4 网格划分

3．5 计算初始参数及模型验证

3．6 原机和双ω燃烧系统性能对比

3．7 本章小结

第四章 燃烧及排放物生成的多维数值模拟

4．1 油束落点位置的影响

4．1．1 计算方案

4．1．2 缸内速度场、浓度场、温度场分析

4．1．3 油束落点位置对燃烧、排放特性的影响

4．2 喷孔分布的影响

4．2．1 缸内速度场、浓度场、温度场分析

4．2．2 喷孔分布形式对燃烧、排放特性的影响

4．3 喷油提前角的影响

4．3．1 喷油提前角对缸内浓度场的影响

4．3．2 喷油提前角对缸内平均温度、压力和放热率的影响

4．3．3 喷油提前角对排放特性的影响

4．4 喷孔数的影响

4．4．1 喷孔数对缸内速度场的影响

4．4．2 喷孔数对NO浓度影响

4．4．3 喷孔数对soot浓度的影响

4．4．4 喷孔数对缸内燃烧与排放性能的影响

4．5 涡流比的影响

4．5．1 涡流比对速度场影响

4．5．2 涡流比对燃空当量比的影响

4．5．3 涡流比对缸内燃烧与排放性能的影响

4．6 本章小结

第五章 基于正交设计的燃烧系统参数的优化

5．1 正交设计法

5．2 正交方案设计

5．3 结果分析

5．3．1 评价指标为NOx的结果分析

5．3．2 评价指标为soot的结果分析

5．3．3 评价指标为F的结果分析

5．3．4 评价指标为缸内最高压力pmax的结果分析

5．4 最佳匹配方案

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 工作展望

创新点摘要

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

参加的科研项目