高功率密度OPOC柴油机喷雾-燃烧过程与喷射策略研究

摘要

对置活塞对置气缸（OPOC）柴油机，集合了对置活塞、对置气缸这两款发动机结构上的优势，其动力优点在于轻量化、高单位质量功率、高单位体积功率。但由于OPOC柴油机仅能组织弱进气涡流，缸内湍动能很弱，燃油混合气形成质量较差，使OPOC柴油机燃烧不充分。为充分利用燃油喷射引起的缸内湍动能，促进燃油的雾化以及燃油混合气的良好形成，进一步提高其燃烧性能及动力性能，展开柴油机的喷射策略研究，深入探究燃烧系统参数之间的匹配，推进OPOC柴油机应用价值的实现。
　　本文对OPOC柴油机进行了侧向喷油和燃烧过程的瞬态数值模拟计算，深入研究了OPOC柴油机喷油策略以及喷雾燃烧过程，为现有的OPOC柴油机喷油器喷孔布置的设计与改进提供理论参考。完成工作与研究成果主要包括：
　　1）分析OPOC柴油机缸内喷油与燃烧过程存在的复杂缸内介质流动与混合的物理过程以及燃油混合气燃烧的化学过程，根据其侧置喷油特点，确定适合于OPOC柴油机缸内复杂流动与燃烧数值模拟的各气相、液相以及燃烧模型。以进气端活塞顶面、排气端活塞顶面以及缸套区域建立几何模型，依据常规发动机工作原理，结合OPOC发动机双活塞工作过程确定计算初始时刻及各区域的等效温度以及缸内压力和温度分析边界条件。采用离散求解方法，借助三维瞬态模拟软件AVLFIRE平台，分析研究喷油燃烧计算模型，通过调整模型参数，将缸内压力模拟分析结果与试验数据的对比分析，确定正确的OPOC柴油机喷油与燃烧计算模型，验证研究方法的可行性。
　　2)分析不同喷油方案下，气流运动形式、湍动能分布、燃油浓度分布等情况，研究了不同喷油方案对于OPOC柴油机混合气形成质量和燃烧性能的影响。结果表明，不同喷油方案下，燃油浓度分布差异很大，产生不同的燃烧效果。
　　3）分析不同喷油方案具有的燃油混合气形成以及燃烧组织方面的优势，改进原喷油方案的喷孔布置，充分利用喷射作用下缸内气流运动的变化，促进燃油与燃烧室内空气的良好混合，使燃油混合气尽可能的完全且快速燃烧，提高了整机的平均有效压力，即增强了动力性。
　　4）进行了改进方案的燃烧性能对比分析，研究了改进方案的燃烧区域及燃烧性能，明确了改进方案在提高动力性能的同时，燃烧区域更集中于燃烧室中心区域，有利于降低气缸壁面的传热损失，可提高OPOC柴油机的整机热效率，实现高效燃烧，从而验证了改进方案的有效性。

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1 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2 OPOC发动机的国内外研究现状

1.3发动机数值模拟技术的研究现状

1.4论文的主要工作

2 OPOC柴油机特殊性分析及其运动学分析

2.1 OPOC柴油机结构特殊性

2.2 OPOC柴油机喷油方式、燃烧组织形式特殊性

2.3 OPOC柴油机曲柄连杆机构运动学计算

2.4本章小结

3 OPOC柴油机喷雾-燃烧过程数值模拟各数学模型的分析与选择

3.1 气相湍流流动模型分析与选择

3.2 喷雾模型分析与选择

3.3燃烧模型分析与选择

3.4 本章小结

4 OPOC柴油机喷雾-燃烧过程数值模拟的计算模型建立及验证

4.1 喷油燃烧研究技术参数

4.2几何模型的建立

4.3计算区域网格生成

4.4初始条件及边界条件的设定

4.5数学模型的选择

4.6 喷油器参数设置介绍

4.7求解器设置及计算

4.8模型验证

4.9 本章小结

5 OPOC柴油机喷雾燃烧过程分析及燃油喷射策略选择与改进

5.1喷油策略的设计

5.2喷油方案喷孔数目选定

5.3方案D3.1和D3.2燃油喷射进程与燃烧进程分析

5.4方案D3.1、D3.2的三维结果对比及燃烧性能分析

5.5喷油方案的改进设计

5.6改进方案计算结果对比分析及燃烧性能分析

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 本文创新点

6.3 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢