超临界燃油喷射及燃烧特性的数值模拟研究

摘要

近些年来随着环境污染问题的日益严重，排放法规也越来越严格，提高内燃机的燃烧性能已经成为当前内燃机研究领域亟待解决的问题。为了实现高效、清洁的内燃机燃烧过程，一些新型的内燃机燃烧技术和高喷射压力、高背压等增压技术被不断的提出并广泛应用于内燃机中。这些新型燃烧方式和增压技术的提出和应用使得在喷油时刻内燃机缸内压力和温度大幅度提升，缸内条件接近甚至超过燃料的临界点。超临界流体具有粘度低、扩散系数大和接近于液体密度的物理特性。对于内燃机来说，将燃料以超临界状态喷入气缸能有效地提高发动机缸内的湍流状态，同时能够降低微粒排放，实现清洁燃烧。本文主要研究了超临界燃料在定容弹中的喷射过程和发动机中的燃烧和排放特性。　　本研究利用Fluent软件建立了合适的二维数值分析模型，并对超临界燃料喷射进入超临界环境中的流动特性进行数值模拟研究。主要研究了环境条件和燃油状态对超临界喷射特性的影响。结果显示环境压力增加时射流长度和喷射扩张角都有明显的减小；环境温度的变化对超临界喷射过程中射流长度和喷射扩张角基本无影响；燃油温度增加时射流长度略有增大，但喷射扩张角随着燃油温度的增加无明显变化；燃油流速增大，超临界喷射的射流长度和喷射扩张角都增大，且增大的趋势明显。此外,研究了变密度气体喷射和超临界喷射的异同，通过数值模拟计算结果中轴线上密度分布和燃油质量分数分布状况与变密度气体喷射经验公式预测结果的对比，经验公式计算结果与数值模拟结果距离喷口较近时吻合度较好，但在距离喷口较远处存在明显差异。因此变密度气体喷射的经验公式并不能完全预测超临界喷射中轴线上燃料的分布状况。此外，为了探究超临界燃料喷射与亚临界燃料喷射在发动机中燃烧和排放特性的异同。本文利用AVL-Fire软件分别对超临界燃料喷射和亚临界燃料喷射工况下内燃机运行特性进行了数值模拟分析。主要研究了内燃机运行过程中缸内的温度、压力、湍动能、放热率、NO和碳烟的变化情况。通过分析得到以下结论：相对于亚临界燃料喷射工况，超临界燃料喷射的着火时刻稍微提前；缸内温度的峰值出现时间提前。超临界燃料喷射工况下缸内压力的峰值比亚临界燃料喷射大，且峰值出现在相同的时刻。在燃料喷入缸内一段时间之后，超临界燃料喷射工况下缸内涡流运动更剧烈，使湍动能迅速增大，导致缸内平均湍动能较大，有利于缸内燃料与空气的混合。超临界燃料喷射工况下NO排放增加，碳烟的排放却有所降低。

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景和意义

1.2 超临界喷射及燃烧

1.3国内外的研究现状

1.4本文的研究内容

2 数值模拟方法

2.1定容弹中喷雾状况数值模拟研究的理论基础

2.2发动机工况数值模拟理论基础

2.3 数值计算方法

2.4本章小结

3 定容弹中超临界燃油喷射特性的数值模拟研究

3.1计算模型的建立

3.2网格无关性检验

3.3计算数据验证

3.4超临界燃油喷射特性的研究

3.5超临界汽油喷射与可变密度气体射流的对比研究

3.6本章小结

4 超临界状态下内燃机工作特性的数值模拟研究

4.1发动机模型的选择

4.2 计算模型及算法的选择

4.3网格无关性检验

4.4发动机工况下燃料处于亚临界和超临界条件对比

4.5本章小结

5 全文总结和展望

5.1 本文主要工作内容与研究结论

5.2本文研究的不足及工作展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间已完成的学术论文情况

B.作者在攻读学位期间参与的项目目录