直喷式柴油机涡流室燃烧系统的燃烧模拟

摘要

发动机的排放污染问题正日益受到世界各国的重视，如何降低发动机排放物对环境的危害已成为国内外内燃机工作者的焦点。涡流室式柴油机由于其燃烧系统特有的低排放、低噪音、高速适应性好等优点，因此在满足排放要求方面，具有一定的优越性。但与直喷式柴油机相比，也存在燃油消耗率高、起动困难等缺点。如果能结合涡流室式柴油机和直喷式柴油机的优点，研究出一种兼备动力性强、经济性好及排放低的直喷式柴油机涡流室燃烧系统，将具有十分重要的意义。本文主要研究如何利用涡流室燃烧系统的强涡流，使其应用于直喷式柴油机中，从而获得快速均匀的混合气来改善柴油机燃烧过程。 控制柴油机燃烧过程的首要因素是混合气形成，而混合气形成又取决于喷雾特性、喷油规律、气缸内空气涡流运动和燃烧室形状等。本文借助于FIRE软件，对这种直喷式柴油机涡流室燃烧系统的压缩、燃烧、膨胀过程进行模拟，考察喷油提前角、涡流室形状、喷油持续期等因素对混合气形成、燃烧过程以及柴油机尾气中的主要排放物NO<,x>和碳烟的影响。对于喷雾过程，主要通过油滴在气缸中的三维速度矢量图来分析油滴的运动，由缸内的燃油当量比图分析燃油的分布情况。对于燃烧过程，主要通过对不同燃烧室形状和不同喷油提前角下的浓度场、温度场、压力场和速度场分析来评价，并结合燃烧放热率和燃烧累积放热量来分析燃烧的是否充分，结合NO<,x>和碳烟质量分数益线分析燃烧的排放情况。 结果表明：通过模拟与实验比较，验证了用由FIRE软件建立的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、化学组分守恒的数学模型是有效的；对比分析涡流室式燃烧室和普通燃烧室，由燃烧放热率曲线和累积放热量曲线可知，涡流室式燃烧室具有燃油预混合快和扩散燃烧快的特点。由NO<,x>和碳烟排放曲线可知，直喷涡流室燃烧系统的碳烟排放明显好很多，但NO<,x>排放较高；延长喷油持续期可以合理分配预混合燃烧和扩散燃烧的燃油量，在一定程度上达到降低NO<,x>的目的；改变喷孔夹角大小可以合理分配主燃烧室和涡流室的燃油量，在一定程度上降低了NO<,x>的排放。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1涡流室式柴油机燃烧系统的研究发展现状

1.2计算机数值模拟技术的研究发展现状

1.2.1零维模型

1.2.2准维模型

1.2.3多维模型

1.3主要的CFD软件

1.4论文的研究内容

2数值模拟

2.1基本控制方程

2.2喷雾模块

2.2.1湍流扩散模型

2.2.2破碎模型

2.2.3碰壁模型

2.3燃烧模块

2.3.1着火模型

2.3.2湍流控制燃烧模型

2.3.3氮氧化物生成模型

2.3.4碳烟生成模型

2.4数值求解

3实验研究

3.1实验及测试设备

3.2实验燃烧室形状

3.3实验方案

3.4实验结果

4燃烧过程仿真及结果分析

4.1计算网格的建立

4.1.1 Pro/E建模

4.1.2 FIRE中生成动网格

4.2计算初始条件和边界条件

4.2.1初始条件

4.2.2边界条件

4.3实验验证

4.3.1示功图对比

4.3.2基于喷雾可视化装置的模型验证

4.4涡流室式柴油机模拟结果分析

4.4.1气流运动分析

4.4.2喷雾流场的模拟及分析

4.4.3浓度场分布

4.4.4温度分布

4.4.5排放物浓度分布

4.5喷油提前角对直喷涡流室式柴油机燃烧的影响

4.5.1喷油提前角对燃烧过程影响概述

4.5.2模拟结果分析

4.6涡流室式柴油机与ω直喷柴油机的比较

4.7通道宽度对燃烧的影响

4.7.1燃烧室形状的设计

4.7.2三种不同形状燃烧室网格的划分

4.7.3计算初始参数及模拟结果分析

4.8喷油持续期对燃烧的影响

4.9喷孔夹角对燃烧的影响

5总结与展望

5.1全文工作总结

5.2今后工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢