柴油机空气辅助燃油喷射系统研究

摘要

随着世界能源危机和环境污染的加重，越发突出石油燃料燃烧装置设计和性能优化的必要性。由于柴油机在功率范围大、耐久性、低能耗等方面的独特优势，广泛应用于汽车、机械、船舶行业。改善柴油机的喷雾特性对提高发动机燃油经济性和降低排放有十分重要的意义。因此本文针对柴油机喷射系统，研究空气辅助直喷技术，使喷入气缸的是空气和燃油的混合物，促进燃油雾化，从而改善燃烧效果，降低油耗和排放，是对现有柴油机喷射系统的一项新的探索和研究。
　　首先，本文利用课题组自行设计的喷雾离线试验台、高速摄像机和激光粒度仪对有无气辅助喷射的两种喷射系统的喷雾特性进行喷雾试验研究，分析了喷射压力、喷射量、喷气压力及喷嘴孔数等工作参数对喷雾特性的影响。结果表明:采用无气辅助喷射系统时，喷雾锥角和贯穿距离均随着喷射压力的增加而增大，喷雾液滴尺寸减小，雾化效果变好，受喷射量变化影响较小。采用空气辅助喷射系统时，喷雾锥角和贯穿距离均随着喷射量的增大而均增大，大粒径的液滴数的比例增加，雾化效果变差;喷孔数目由3孔增至4孔，喷雾贯穿距离减小，喷雾锥角增大，喷雾液滴平均直径增大，但是当提高喷射量时，4孔的喷雾液滴破碎效果更好。分析喷雾液滴粒径分布可知，空气辅助喷射系统中小粒径液滴数的比例比无气辅助喷射要大许多。空气辅助喷射系统雾化燃油效果要优于无气辅助喷射系统。
　　其次，基于燃料气动雾化机理，本文建立了有无气辅助喷射两种喷射系统的数学模型，利用CFD软件搭建了两种喷射系统的数值仿真模型，完成两种喷射系统仿真模型的计算，结果表明:两种喷射系统的仿真结果与试验结果相一致，模型结果合理可靠。
　　最后，本文采用两种喷射系统模型计算了有无气辅助喷射的喷雾场。结果表明:空气辅助喷射系统在30MPa喷射压力下喷雾液滴尺寸分布同无气辅助喷射系统在80MPa喷射压力下的喷雾液滴尺寸分布基本相同;空气辅助喷射系统在60MPa喷射压力下喷雾液滴尺寸分布同无气辅助喷射系统在100MPa喷射压力下的喷雾液滴尺寸分布基本相同。空气辅助喷射系统对喷雾液滴的破碎效果十分显著。但是两者的喷雾贯穿距还相差比较大，但是低压空气辅助喷射系统可以通过延长喷射时间使燃油液滴尽可能充满气缸，不影响燃烧效果。
　　本文针对有无气辅助喷射两种喷射系统进行了离线喷雾试验和仿真研究，对其喷雾特性进行了分析，并且对两种喷射系统进行了对比研究，计算数据和仿真结果表明，空气辅助喷射系统可以在降低喷射压力的同时达到与无气辅助喷射系统高压喷射下同等程度的雾化效果。为空气辅助喷射系统在柴油机上的应用提供了重要理论和数值依据，改善柴油机的燃油消耗率和排放。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 空气辅助喷射系统发展历程

1．3 空气辅助喷射国内外研究现状

1．3．1 喷雾研究现状

1．3．2 空气辅助喷射试验研究现状

1．3．3 空气辅助喷射仿真研究现状

1．4 本文研究主要内容

第二章 喷雾特性试验研究

2．1 试验装置与试验方案

2．1．2 试验台基本组成

2．1．3 试验方案

2．2 喷雾试验结果及其数据分析

2．2．1 喷雾特性参数

2．2．2 无气辅助喷射系统的试验结果

2．2．3 空气辅助喷射系统的试验结果

2．2．4 两种喷射系统喷雾粒径对比分析

2．3 本章小结

第三章 喷雾仿真模型研究

3．1 喷雾数值计算方法

3．2 喷雾数值模型建立

3．2．1 喷雾场的基本控制方程

3．2．2 湍流数值模型

3．2．3 离散相模型

3．3 喷雾仿真模型验证

3．3．1 几何与物理模型

3．3．2 计算方法

3．3．3 喷雾模型的有效性验证

3．4 本章小结

第四章 高压空气辅助喷雾场仿真分析

4．1 高压无气辅助喷雾场仿真研究

4．1．1 高压无气辅助喷射模型

4．1．2 不同喷射压力下的喷雾形态变化

4．1．3 不同喷射压力下的喷雾粒径的对比分析

4．2 高压空气辅助喷雾场仿真研究

4．2．1 高压空气辅助喷射模型

4．2．2 不同喷射压力下的喷雾形态变化

4．2．3 不同喷射压力下的喷雾粒径分析

4．2．4 不同喷气压力下的喷雾形态变化

4．2．5 不同喷气压力下的喷雾液滴粒径分析

4．2．6 不同喷气量下的喷雾形态变化

4．2．7 不同喷气量下的喷雾液滴粒径分析

4．3 高压有无气辅助喷射喷雾特性对比分析

4．4 本章小结

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢