（工程熱物理專業(yè)論文）柴油噴霧撞壁混合氣形成過程的數(shù)值模擬研究.pdf

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 燃油的霧化、破碎、蒸發(fā)和混合氣形成的好壞嚴(yán)重影響著直噴式柴油機(jī)的點 火、燃燒和排放性能。對于中小缸徑直噴式柴油機(jī)，油束不可避免地會與燃燒室 壁面相撞，在燃燒室壁面形成油膜，使燃油在壁面堆積，導(dǎo)致較高的h c 和c o 排 放以及燃油消耗量的增加。均質(zhì)充量壓縮著火燃燒( h c c i ) 被證明是實現(xiàn)柴油機(jī)的 超低n o x 和微粒排放的有效途徑。因此深入研究利用燃油碰壁的特性，改善碰 壁后的燃燒室內(nèi)燃油的濃度分布，使燃油空氣均勻混合，實現(xiàn)h c c i 燃燒解決以上 問題的最好方法。 為了進(jìn)一步深入研究噴霧碰壁過程，本課題利用大型c f d 軟件s t a r c d 對 柴油噴霧撞壁混合氣形成的過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在對燃油平板撞壁特性研究 的基礎(chǔ)上，作者設(shè)計開發(fā)了新型燃燒室，它是通過控制碰壁的形式，如噴霧特性 和碰壁區(qū)幾何結(jié)構(gòu)，來影響碰壁后油束的形狀，發(fā)展方向和擴(kuò)散程度，從而影響 缸內(nèi)混合氣的形成和發(fā)展，實現(xiàn)高效燃燒的。本文重點對新型燃燒室內(nèi)的噴霧撞 壁混合過程進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，新型燃燒室的凸臺的加入。改變了碰壁后 油柬的形狀和發(fā)展方向，燃油擴(kuò)散程度加大，蒸發(fā)率增加，形成的混合氣較為均 勻，接近h c c i 燃燒。 對燃油平板撞壁和新型燃燒室內(nèi)燃油撞壁混合過程進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)，燃油 平板相撞后在瞳面處形成壁面射流，靠近壁面處燃油濃度很高，很難與空氣混合， 而在新型燃燒室內(nèi)，從噴孔噴出的高速燃油粒子在撞擊凸臺后分為兩部分，一部 分發(fā)生二次射流，油束發(fā)展方向改變，另一部分沿原來的噴射方向，由于燃油多 次撞壁破碎及對空氣卷吸量的增加，形成的混合氣較為均勻；改變噴射角度，可 改變撞壁后形成的混合氣在燃燒室內(nèi)的分布，影響混合氣的質(zhì)量，研究表明，在 本文設(shè)計的燃燒室內(nèi)燃油噴射角3 8 度最佳；高溫高壓條件下，噴霧錐角較之常溫常 壓下明顯增大，噴射速度降低，與常溫常壓下相比。其燃油蒸發(fā)量增大，燃油分 布面積明顯減小。 關(guān)鍵詞：柴油；燃油撞壁；燃油蒸發(fā)；混合氣形成；新型燃燒室；數(shù)值模擬 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i g n i t i o n , c o m b u s t i o na n de m i s s i o no fd i r e c ti n j e c t i n gd i e s e le n g i n e sa r es e v e r e l y i n f l u e n c e db ys p r a yb r e a k u pa n dm i x t u r ef o r m a t i o n e s p e c i a l l yi ns m a l lc n g i n e sl i q u i d r e a c h e st h ew a l lo ft h ep i s t o na n dt h ec y l i n d e rd u et ot h eh i 【g hm o m e n t u mo ft h el i q u i d s p r a y t h es p r a yi m p i n g i n go nt h es u r f a c ec a u s e sf u e lr i c hr e g i o n sw i t hl o we v a p o r a t i o n r a t e st h a tl e a dt 0i n s u f f i c i e n tc o m b u s t i o na n ds o o tf o r m a t i o n m o r e o v e r , h c c ii s 姐 a t t r a c t i v ea d v a n c e dc o m b u s t i o np r o c e s st h a to f f e r st h ep o t e n t i a lf o rs u b s t a n t i a l r e d u c t i o n si nb o t hn o xa n dp m i ft h ei n f l u e n c e so fs p r a yp a r a m e t e r so nt h es p r a y w a l l i n t e r a c t i o na r eu n d e r s t o o di nd e t a i lt h es p r a yi m p i n g i n gp r o c e s sa l s ob e c o m e sa c o m b u s t i o nd e s i g nt 0 0 1 t h e nc a r e f u l l yu s e dt h es u r f a c ec o n t a c tc a ns u p p o r ts p r a y b r e a k u pa n dm i x t u r ef o r m a t i o n t of u r t h e ru n d e r s t a n df u e l w a l li m p i n g i n gp r o c e s s ，f u e l p l a n ei m p i n g e m e n tw a s s t u d i e d b a s e do nt h i s , m i x t u r ef o r m a t i o ni nan e wc h a m b e rw a ss t u d i e du s i n gc f d s o f t w a r es t a r c d t h en e wc h a m b e ri so n ec h a m b e rw i t hap r o t r u s i o n i ti m p r o v e d f u e la t o m i z a t i o n , b r e a k u p ，e v a p o r a t i o na n dm i x t u r ef o r m a t i o nt h r o u g hi m p i n g i n go nt h e p r o t r u s i o n t h ep r o t r u s i o nc a nc h a n g et h es p r a y ss h a p e ，d e v e l o p i n gd i r e c t i o na n d i n c r e a s ef u e l sd i f f u s i o n ，a l lt h e s ew e r eb e n e f i tt om i x m r cf o r m a t i o n t h ec o n c l u s i o n w a gt h a tt h en e wc h a m b e rw a sg o o da th o m o g e n e o u sm i x t u r ef o r m a t i o n ，a n dr e a l i z i n g h c c ic o m b u s t i o n 。 t h er e s u l t sb e t w e e nf u e l p l a n ei m p i n g e m e n ta n df u e l p l r o t r u s i o ni m p i n g e m e n t s h o wt h a tw h e nf u e ls p r a yi m p i n g i n go nt h ep l a n ew a l l ，w a l lj e tw a gf o r m e da n df u e l r i c hr e g i o nw a sf o u n dn e a r b yt h ew a l l , w h i l ew h e n s p r a yi m p i n g i n go nt h ep r o t r u s i o ni n t h en e wc h a m b e r ，i tw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ep r o d u c e das e c o n d a r ys p a c ej e t , p r o c e e d i n gi nd i f f e r e n td i r c c t i o nf r o mt h ef o r m e rj e t ；t h eo t h e ro n ep r o c e e d e di nt h e s a m ed i r e c t i o nw i mt h ef o r m e rj e t b e c a u s eo fr e p e a t e df u e l w a l li m p i n g e m e n ta n d i n c r e a s e da i re n t r a l n m e n t ，i tw a gb e n e f i tt of u e lb r e a k u pa n de v a p o r a t i o n a n df o r m e d m o r eh o m o g e n e o u sm i x t u r e i n j e c t i o na n # ew a sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nm i x t u r e f o r m a t i o n ，i tw a sp r o v e dt h a t3 8d e g r e ew a gt h eb e s ti n j e c t i o na n g l e i nh i g ha m b i e n t p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ec i r c u m s t a n c e ，s p r a ya n g l ew a sb i g g e rt h a nt h a ti nn o r m a l a t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，a n dt h es p r a ys p r e a d i n ga r e aw a s s h r u n k , b u tf u e l e v a p o r a t i o nr a t ew a gh i g h e r ；t h ep a r e n ts p r a yw a gn o td i v i d e d ，b u ti t sd i r e c t i o ns w e r v e d i nc o n c l u s i o n ，t h en e wc h a m b e rw a gg o o da th o m o g e n e o u sm i x t u r ef o r m a t i o n k e yw o r d s ：d i e s e l ；f u e l w a l li m p i n g e m e n t ；f u e le v a p o r a t i o n ；m i x t u r ef o r m a t i o n ；n e w c h a m b e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 不保密甌 粼張惠盟益艚撕躲夕 嘲年月伯 叩年l m 獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論 文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本 人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：龐盟盈 日期：2 朔年月6 日 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1引言 第一章緒論 隨著能源和環(huán)保問題的日益嚴(yán)峻，改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放成為內(nèi)燃機(jī)行 業(yè)所面臨的兩大挑戰(zhàn)。 石油是一種不可再生的化石燃料，隨著全世界內(nèi)燃機(jī)保有量的增加，作為內(nèi) 燃機(jī)主要燃料的石油面臨著日益短缺的嚴(yán)重問題。因此如何提高內(nèi)燃機(jī)能源利用 率以及尋找替代燃料是內(nèi)燃機(jī)行業(yè)面臨的一個迫切問題。 現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的燃燒排氣中含有許多危害人類健康的有害成分，其中包括氮氧 化物( , v o a 、未燃碳?xì)浠衔锏? 、一氧化碳( c 0 ) 、微粒物口m ) 等。隨著人們對 環(huán)保問題的日益關(guān)注，各國制定了逐年嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)，要求逐漸從低排放 到超低排放，甚至是零排放，這對內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 美國西南研究院的d a n i l 、d i c k e y 認(rèn)為，在目前所用燃料及所能達(dá)到燃燒技 術(shù)的條件下，存在n o 的排放極限為1 5 9 h p - h r ( 見圖1 - - 1 ) 。這便提出了一個問 題，迫使人們不得不開展探索內(nèi)燃機(jī)新概念燃燒過程的研究。為了解決2 0 0 7 年以 后柴油機(jī)的排放問題，為了向零排放柴油機(jī)的目標(biāo)前進(jìn)，人們在過去的幾年里進(jìn) 一步深入研究了n o x 和碳煙的生成機(jī)理，探求新的燃燒技術(shù)。d a n i lw d i c k e y 認(rèn) 為，解決n o 排放高的最好方式是令燃料在整個燃燒室內(nèi)燃燒，即改變原來的擴(kuò) 散燃燒方式，變?yōu)橄☆A(yù)混合燃燒方式【1 i 。 均質(zhì)充量壓縮著火( h c c i ) 燃燒方式被認(rèn)為是最有可能滿足未來排放法規(guī)的 燃燒方式，應(yīng)用于柴油機(jī)上，能大幅度降低柴油機(jī)的n o x 和微粒( p m ) 排放，并 同時改善其燃油經(jīng)濟(jì)性，因而具有廣闊的應(yīng)用i j 景。 1 2h c c l 簡介 當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)的主要燃燒模式有2 種，一種是基于奧托循環(huán)的火花點火式燃燒， 一種是基于狄塞爾循環(huán)的壓縮著火式燃燒。故內(nèi)燃機(jī)分為火花點燃式內(nèi)燃機(jī)s i ( 汽 油機(jī)) 和壓燃式內(nèi)燃機(jī)c i ( 柴油機(jī)) 。汽油機(jī)采用預(yù)混合均質(zhì)燃燒，借助電火花 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 點燃。由于汽油特性和爆震等諸多因素的限制，汽油機(jī)只能采用較低的壓縮比， 從而使得其熱效率比柴油機(jī)低得多，且產(chǎn)生大量的n o 和不完全燃燒產(chǎn)物。另外x 由于汽油機(jī)需要用節(jié)氣門控制進(jìn)氣量，部分負(fù)荷時的泵氣損失使機(jī)械效率降低。 汽油機(jī)的燃料利用率比柴油機(jī)低3 0 ，這就是傳統(tǒng)汽油機(jī)難以克服的燃料利用率 極限。為了突破這一極限，人們一直在致力于缸內(nèi)直噴技術(shù)的研究。近年來在分 層稀薄燃燒理論和控制技術(shù)方面有了很大的進(jìn)步，但分層燃燒又帶來了與柴油機(jī) 類似的微粒和d ，排放的增加。特別足由于排氣中含氧很多，使成熟的三元催化 轉(zhuǎn)換后處理技術(shù)難以應(yīng)用，n o x 的排放水平達(dá)不到傳統(tǒng)汽油機(jī)的技術(shù)水平，因而 限制了其廣泛使用【2 l 。 0 0 0 lq 0 20 0 鰳0 0 5o 。0 0 7o 0 80 0 90 0a 1 1 p a 摶t l c u l a 1 芒【g t ( h l 爹h r j 圖1 - 1 - , v o x 排放極限【1 j 傳統(tǒng)的柴油機(jī)采用噴霧擴(kuò)教燃燒，依靠發(fā)動機(jī)活塞壓縮到接近上止點時的高 溫使混合氣自燃著火。其化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于燃料和空氣的混合與擴(kuò)散速率，燃 燒快慢由混合擴(kuò)散速率決定。由于噴霧與空氣的混合時問很短，燃料與空氣的混 合嚴(yán)重不均勻，形成了高溫火焰區(qū)和高溫過濃區(qū)。盡管柴油機(jī)燃燒室內(nèi)氣體平均 溫度大約在1 2 0 0 - - 2 0 0 0 k ，平均空燃比在2 3 以上，但是由于柴油機(jī)是局部當(dāng)量 比為l 的擴(kuò)散控制燃燒過程，火焰溫度高達(dá)2 7 0 0 k ，極有利于n o 生成，在高溫x 過濃區(qū)，由于缺氧又生成大量碳煙。上述兩種傳統(tǒng)的燃燒方式存在著溫度分布不 均勻的問題，即局部高溫和整體平均低溫【3 】。 均質(zhì)充量壓燃著火燃燒( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n h c c i ) ， 2 5 e 5 o 5 o 5 o s o 4 4 3 器2 2 1 0 o 一一_盎。盤盛秘一)coz 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 是燃料、空氣以及再循環(huán)燃燒產(chǎn)物所形成的預(yù)混合氣被活塞壓縮、自燃、著火燃 燒、做功的一種新型的燃燒方式。在h c c i 燃燒方式下，發(fā)動機(jī)具有保持高效率， 同時獲得極低的污染物排放的極大潛力。h c c i 發(fā)動機(jī)可以具有與傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動 機(jī)相當(dāng)?shù)母咝?，并且本身所特有的均質(zhì)、低溫燃燒特性能大幅度的降低 矽。和 微粒排放【4 l 。從一定程度上說，h c c i 燃燒過程集中了火花點火汽油機(jī)和壓燃著 火柴油機(jī)所分別具有的優(yōu)點，有可能突破傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃料利用率的極限和排氣 污染物降低的極限，成為一種替代的燃燒方式，因此成為國際上內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域廣大 研究者的研究熱點。我國也在2 0 0 2 年列入國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃。 1 3h c c i 研究歷史及現(xiàn)狀 均質(zhì)充量壓燃式作為內(nèi)燃機(jī)燃燒方式，已經(jīng)有二十多年的歷史。關(guān)于h c c i 的 最早研究是1 9 7 9 年o n i s h i 【5 1 和n o g u e h i l 6 1 等人在一臺二沖程發(fā)動機(jī)上發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時 稱之為活化熱氛圍燃燒( a t a c ) 。研究發(fā)現(xiàn)，該燃燒方式多點同時著火，沒有火 焰生成，并且循環(huán)變動非常低；在低負(fù)荷工況下，在1 0 0 0 r m i n 到4 0 0 0 r m i n 的 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)h c c i 都比傳統(tǒng)的工作方式有更好的工作穩(wěn)定性，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放 也都有顯著的改善。n o g u c h i 通過光譜分析研究發(fā)現(xiàn)，h c c i 燃燒過程中活化基以 一定的順序出現(xiàn)；而s i 燃燒過程中幾乎所有的活化基出現(xiàn)在火焰d 口鋒面上 7 1 。l i d a 在1 9 9 4 年的實驗表明，在二沖程發(fā)動機(jī)上用甲醇作燃料，h c c i 方式的工作范圍 可以明顯擴(kuò)展。h o n d a 公司于1 9 9 7 年已開發(fā)了應(yīng)用h c a 的二沖程發(fā)動機(jī)；i p f 公司也開發(fā)應(yīng)用了h c c i 概念的二沖程發(fā)動機(jī)。在這兩款發(fā)動機(jī)中，h c c i 被用來 改進(jìn)部分負(fù)荷的穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性，減少h c 排放。 1 9 8 3 年n a j t 和f o s t e r 二人第一次在四沖程發(fā)動機(jī)上完成了h c c i 燃燒實驗， 研究發(fā)現(xiàn)，h c c i 燃燒過程主要受化學(xué)動力學(xué)控制。其它的物理因素如湍流和混合 過程對h c c i 燃燒過程的影響非常小，可以忽略。n a j t 和f o s t e r 用一個簡化的化學(xué) 反應(yīng)動力學(xué)模型預(yù)測出放熱量與氣缸內(nèi)溫度、壓力和物質(zhì)的濃度相關(guān) 8 1 ；r y a n 和 c h a l l a h a n 通過改造一臺單缸直噴柴油機(jī)繼續(xù)了這項工作，發(fā)現(xiàn)通過改變壓縮比、 e g r 和空燃比等措施能夠很好地控制h c c i 運行，能夠達(dá)到滿意的效果【9 】。 1 9 9 2 年，s t o c k i n g e r 等人首次在實用的1 6 l v w 發(fā)動機(jī)上研究h c c i , 使發(fā)動機(jī)的 工作負(fù)荷范圍從1 4 拓寬到3 4 1 1 0 l 。 3 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 9 9 7 年，c h r i s t e n s e n ，j o h a n s s o n 等人采用異辛烷( 辛烷1 0 0 ) ，酒精( 辛烷值1 0 7 ) 天然氣( 辛烷值1 2 0 ) 等3 種燃料進(jìn)行h c c i 試驗，結(jié)果表明高的辛烷值對于h c c i 燃燒方式是有益的1 1 1 i 。1 9 9 8 年，c h r i s t e i i s e n ，j o h a n s s o n ，a m n e u s 和m a l l s e 的研 究結(jié)果表明。采用增壓可增加發(fā)動機(jī)使用h c c i 燃燒方式時的平均有效壓力【1 2 1 。 1 9 9 9 年，c h r i s t e n s e n 等人的試驗又證明了幾乎所有的液體燃料都能用于可變壓縮 比的h c c i 方式【1 3 1 。 然而完全意義上的h c c i 燃燒方式發(fā)動機(jī)目前處在基礎(chǔ)研究階段，投入使用的 時問很難預(yù)測。但是兩種燃燒模式的發(fā)動機(jī)和準(zhǔn)均質(zhì)充量壓燃( q h a 燃燒方式作 為向h c c i 過渡的發(fā)動機(jī)能夠較快的投入使用。 1 9 8 9 年，t h r i n g 首次采用兩種燃燒模式，即在大負(fù)荷使用s i 方式，在部分負(fù) 荷采用h c c i 方式【1 4 1 。 美國西南研究院也很早就開展柴油機(jī)“預(yù)混稀燃”的研究，試驗裝置如圖 1 - 2 ”1 。利用類似于汽油進(jìn)氣道低壓噴射的方法把柴油直接噴入進(jìn)氣管中；為了使 柴油和空氣加速混合，采用電加熱進(jìn)氣管和e g r ：預(yù)混的稀混合氣經(jīng)壓縮后多點 著火，消除了擴(kuò)散燃燒，稀混合氣降低火焰溫度，可使n o 排放比普通柴油機(jī)減x 少9 8 之多，由于氣缸內(nèi)不存在局部混合氣過濃區(qū)可使p m 的排放減少2 7 ，指 示熱效率有所改善。 英國的趙華在r i c a r d o 發(fā)動機(jī)上對h c c i 進(jìn)行了深入研究，通過可變氣門 正時和可變凸輪升程改變缸內(nèi)廢氣的含量，在中、小負(fù)荷范圍內(nèi)實現(xiàn)了h c c i 燃燒， 也給在大負(fù)荷工況下運行找到了可行的出口【1 6 1 。并且還發(fā)現(xiàn)，相對于烴類燃料而 言，醇類燃料燃燒的燃燒熱效率較高。 上述研究結(jié)果表明，h c c i 方式既可用在二行程發(fā)動機(jī)上，也可用在四行程發(fā) 動機(jī)上，但應(yīng)用的工作范圍受到一定限制：h c c i 方式具有較商的熱效率、低的n o x 和p m 排放及較小的循環(huán)變動等優(yōu)點；采用增壓可有效擴(kuò)大發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作范 圍并增大平均有效壓力。h c c i 方式的主要問題足很雉在全部轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下控制著 火時間和相位；此外，該方式在大多數(shù)實驗中使c o 和h c 排放增加。 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 迸氣預(yù)熱 嚷油曩 圖1 - 2 進(jìn)氣系統(tǒng)加熱及廢氣再循環(huán)的h c c i 系統(tǒng)舊 1 4h c c l 的特點 h c c i 采用均質(zhì)混合氣在發(fā)動機(jī)中壓縮燃燒，它不同于傳統(tǒng)的點燃式或壓燃式 發(fā)動機(jī)。 1 ，4 1 熱效率 h c c i 通常具有很高的放熱速率( 見圖1 3 f 1 7 1 ) ，在一定的工況下，放熱速 率可接近o t t o 循環(huán)；沒有高溫區(qū)和不發(fā)光的燃燒，使得熱損失減?。还蔴 c c i 發(fā) 動機(jī)有較高的熱效率。 1 4 2 排放 研究h c c i 方式的主要原因之一在于它能明顯減少某些有害物質(zhì)的排放( 見圖 1 4 【1 7 1 ) 1 n o l h c c i 方式由于燃燒室中沒有高溫區(qū)，能顯著減小n q 排放。h c c i 是以較稀 的混合比、大e g r 燃燒，燃燒溫度明顯低于汽油機(jī)和柴油機(jī)，這不利于仇生成。 不過目( j i f n o , 排放減少的結(jié)論都是在部分負(fù)荷的條件下得出的，在相同過鞋系數(shù) 下，h c c i 對降低q 效果不大。 2 p m 目前的研究表明，采用h c c i 的p m 排放較低【r 丌。p m 減少的機(jī)理目前還不 十分清楚，也沒有太多的文獻(xiàn)討論，不過大部分人認(rèn)為燃油碰壁擴(kuò)散燃燒和局部 濃混合區(qū)的減少都有效地抑制了p m 的生成。 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 h c 和c o 人們普遍認(rèn)為與傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒相比，h c c i 的c o 和p m 排放是增加的。 導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因之一是由于h c c i 才有較稀的混合氣和較強(qiáng)的e g r ，缸內(nèi)溫 度較低，最終使得h c 和c o 的氧化率下降，排放增加。 曲軸轉(zhuǎn)角礦c a 圖1 3 規(guī)范化放熱曲線【1 7 l 1 4 3 運行范圍 發(fā)動機(jī)采用h c c i 方式運行受到失火( 混合氣過稀) 和敲缸( 混合氣過濃) 的 限制【l 明，失火信號一般用點火始點和最i 茼燃燒壓力的急劇變動及功率迅速下降來 判別。敲缸用爆震儀來檢測。壓縮比、進(jìn)氣溫度、e g r 等都會影響失火和爆震的 產(chǎn)生。目前h c c i 方式在二沖程發(fā)動機(jī)上主要應(yīng)用在中低負(fù)荷工況區(qū)。 1 5 實施h c c i 的主要困難 盡管h c c i 技術(shù)在大幅度降低污染物排放方面，向我們展示了巨大的潛力， 但在其發(fā)展過程中始終面臨巨大的困難，這些困難包括： 1 著火時刻的控制問題 與傳統(tǒng)的汽油機(jī)或柴油機(jī)相比，在h c c i 燃燒過程中，混合氣是依靠活塞的 壓縮自燃著火，著火時刻與混合氣在壓縮過程中所經(jīng)歷的溫度歷程緊密相關(guān)，因 此缺乏直接控制著火時刻的手段。 2 如何將運行工況范圍向高負(fù)荷擴(kuò)展 為了控制h c c i 的燃燒速率以及控制_ d ，的排放，h c c i 燃燒的燃料必須使 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 用稀釋的混合氣，這就限制了h c c i 的工作范圍。高負(fù)荷下h c c i 發(fā)動機(jī)面i 臨的 主要問題是，燃燒速度和強(qiáng)度難以控制，燃燒噪音過大，易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)損壞，同 時n o 的排放也會急劇增加。, 3 h c 和c o 排放的控制問題 h c c i 燃燒本身的均質(zhì)和低溫特性，引起相對較高的h c 和c o 排放，并且 在較低的排氣溫度下也不利于采用后處理裝置來減少h c c i 發(fā)動機(jī)的h c 和c o 的 排放。 2 d 岔l j 毫l d 粵 占0 5 置 0 0 5 01 0 0 1 2 51 5 0 負(fù)荷脯 圖l - 4 n o , 排放【1 7 l 1 6h c c l 均質(zhì)混合氣的制備 1 6 1 h c c i 中混合氣制備的意義 h c c i 的關(guān)鍵技術(shù)有均質(zhì)混合氣的制備和著火相位的控制。其中，制備出均勻 的混合氣是實現(xiàn)h c c i 燃燒的基礎(chǔ)。 混合氣的制備直接關(guān)系著h c 排放問題，對混合氣的著火以及整個燃燒過程也 都有很大影響。日本交通安全與公害研究院在柴油機(jī)上進(jìn)行均質(zhì)壓燃的研究是把 柴油燃料分為兩部分，一部分在進(jìn)氣道內(nèi)噴射形成均勻混合氣引入氣缸，另一部 分在壓縮上止點前直接噴入缸內(nèi)引燃缸內(nèi)混合氣。實驗研究表明，隨著均勻混合 氣燃料比例的增加，n o 和煙度排放均明顯降低，在均勻混合氣比例接近時，,9 9 n o , 排放減少到1 o e - o s ( 圖1 5 ) 【1 9 l 。有效的混合氣制備、減少燃料在燃燒室壁面 的附著是減少燃油消耗、h c 和顆粒物排放的關(guān)鍵。 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 鋤 。， 2 蘭帶射 萎3 囂 塞2 l l 射 3 2 ， 楚 、 型 i o 0靜：昏幸60 霉 l 由 佘h ，協(xié) 圖l _ _ 5 q 與煙度排放隨預(yù)混合燃料比例的變化【1 9 l 1 6 2 混合氣的制備方法 目前采用的混合氣制備方式主要可分為進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)噴射兩大類。按噴 射相位不同，缸內(nèi)噴射又可分為缸內(nèi)早噴和缸內(nèi)遲噴。 1 進(jìn)氣道噴射 這是一種最簡單也最常見的方法，即進(jìn)氣門開啟時引入燃油，在進(jìn)氣行程中 將混合氣噴入氣缸，但這種方法不能用噴射時間來控制燃燒反應(yīng)的開始。早期的 研究中多采用這種方法制備混合氣，最早進(jìn)行h c c i 研究的美國西南研究院曾采用 這種方法引入混合氣，其試驗裝置圖如圖l 2 【1 5 1 。燃料在進(jìn)氣道噴出后與空氣形 成均勻的混合氣，進(jìn)氣門開啟時混合氣進(jìn)入缸內(nèi)壓縮、著火。進(jìn)氣道噴射對于揮 發(fā)性較好的輕質(zhì)燃料比較適合，但對于重質(zhì)燃料，由于較差的揮發(fā)性以及壁面撞 擊，采用此方法將導(dǎo)致較高的h c 和c o 排放以及燃油消耗的增加。 2 缸內(nèi)早噴 缸內(nèi)早噴，即缸內(nèi)提前噴射，是指在壓縮沖程早期將燃料直接噴入缸內(nèi)，經(jīng) 過一個較長時期的混合，在著火前形成均勻的混合氣。由于柴油燃料密度大，而 壓縮沖程早期缸內(nèi)空氣密度較小，高密度的柴油噴入低密度的環(huán)境中貫穿度較大， 因而燃油撞壁現(xiàn)象嚴(yán)重，這會降低燃油的霧化與混合，進(jìn)而導(dǎo)致排放增加、油耗 增加等一系列問題。為了改善燃料的霧化與混合，曾怨了多種辦法：改進(jìn)噴油器 設(shè)計、改變?nèi)紵倚螤?、適當(dāng)組織缸內(nèi)氣流等。試驗證明這些方法均能在一定程 度上改善柴油的霧化與混合。 缸內(nèi)燃油早噴成功應(yīng)用于產(chǎn)品的典型代表是日本豐田公司的u n i b u s 燃燒系 統(tǒng)，它已于2 0 0 0 年在日本的一定車型上應(yīng)用【2 0 l 。該燃燒系統(tǒng)的混合氣形成由2 r 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 次燃油噴射完成，首次燃油噴射在上止點前5 0 度，第二次噴射在上止點后1 3 度。 兩次噴射的燃油量各為總量的5 0 ，其中第二次噴射的燃油主要用于再次觸發(fā)第 一次噴射形成的混合氣的放熱，與無第二次噴射的情況對比，可明顯改善第一次 噴射的熱效率，并使h c 排放由5 e - 0 3 降至2 e - 0 3 以下，c o 排放由大約8 e - 0 3 降至2 e - 0 3 。盡管第二次噴射使n o , 排放由原來的接近零排放有所上升，但在日本 的u n i b u s 試驗?zāi)Ｊ较氯缘陀? e - 0 5 。u n i b u s 燃燒系統(tǒng)是采用常規(guī)供油系統(tǒng)和柴 油機(jī)硬件系統(tǒng)實現(xiàn)準(zhǔn)h c c i 成功模式。 3 缸內(nèi)遲噴 缸內(nèi)遲噴，即缸內(nèi)滯后噴射，是燃油在接近上止點或上止點之后噴入燃燒室， 避免了燃油對壁面的撞擊且對燃燒進(jìn)程有一定程度的控制，但是由于使用大的 e g r 率和低的壓縮比，缸內(nèi)可能會出現(xiàn)混合氣分布不均。 成功應(yīng)用缸內(nèi)遲噴的是日本尼桑公司的m k ( m o d u l a t e 姐k i n e t i c s ) 燃燒系統(tǒng)。這 種方法在接近壓縮上止點時或上止點后噴油，采用低壓縮比、大渦流和大的e g r 率來延長滯燃期，使滯燃期大于噴油持續(xù)期，實現(xiàn)預(yù)混合燃燒。這種方法燃料的 混合時問很短，因此混合氣并不完全均勻，只是一種準(zhǔn)均質(zhì)燃燒。但其n o , 和顆 粒物排放卻很少。目前尼桑公司在低負(fù)荷時采用m k 燃燒，大負(fù)荷時采用傳統(tǒng)的 柴油機(jī)燃燒模式f 2 1 1 來解決大負(fù)荷問題。這2 種燃燒模式是目i ； 完全意義的h c c i 發(fā) 動機(jī)實現(xiàn)尚有困難的情況下一個較好的臂代方案。 此外，在改善燃油與空氣的霧化與混合方面，天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重 點實驗室設(shè)計的b u m p 燃燒室( 圖l 6 ) 在燃燒室油束撞擊處的下方設(shè)置一限流 沿( b u m p ) 將油束從燃燒室壁面剝離，形成二次射流，擴(kuò)大了燃油與空氣的接 觸面積，能大大加快混合氣的混合速率，有效地改善了混合氣的霧化和混合，形 成比較均勻的混合氣1 2 1 1 圖l 6 天津大學(xué)的b u m p 燃燒室噴霧射流示意圖 總的說來，h c c i 燃燒技術(shù)的研究在整個世界范圍內(nèi)進(jìn)行，但困難重重，盡管 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 研究者付出很大的努力，卻很少有h c c i 燃燒系統(tǒng)成功地應(yīng)用于商業(yè)柴油機(jī)上。其 中r 本n e wa c e 研究所的p r e d i c ( p r e m i x e dl e a nd i e s e lc o m b u s t i o n ) 和 m u l d i c ( m u l t i p l es t a g ed i e s e lc o m b u s t i o n ) 燃燒系統(tǒng)、日本尼桑公司開發(fā)的m k ( m o d u l a t e dk i n e t i c s ) 燃燒系統(tǒng)、日本豐田公司開發(fā)的u n u s 燃燒系統(tǒng)、m a t s u o o d a k a z u 等人提出的h c d c 燃燒系統(tǒng)、日本三菱y o s h i n o r il w a b u c h i 等人提出的 p c i ( p r e m i x e dc o m b u s t i o ni g n i t e dc o m b u s t i o n ) 燃燒系統(tǒng)，取得了一定的成功。我 國在內(nèi)燃機(jī)新概念燃燒理論方面也做了許多相關(guān)的研究工作。大連理工大學(xué)的胡 國棟教授九十年代初提出的傘噴閃急蒸發(fā)混合控制燃燒理論，就與日本n i s s a n 公 司的m k 燃燒過程的基本思想一致。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點實驗室蘇萬 華教授提出的柴油機(jī)b u m p 限流沿h c c i 復(fù)合燃燒技術(shù)是一種新的實現(xiàn)柴油機(jī) h a c i 燃燒過程的技術(shù)途徑，解決了h c c i 燃燒過程沒有解決的可控著火問題，是 柴油機(jī)實現(xiàn)h c c i 燃燒的切實可行的技術(shù)途徑。 1 7s 1 a r - c d 簡介 內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣流運動、噴霧及燃燒過程的改善是降低排放和改善柴油機(jī)性能 的鶯要方面，數(shù)值模擬是揭示其詳細(xì)物理過程的重要手段。因數(shù)值模擬具有成本 低、速度快、資料完備以及模擬真實條件和理想條件的能力，其應(yīng)用日益廣泛。 最近二十年來用于流動與傳熱數(shù)值模擬的商業(yè)軟件市場也有了很大的發(fā)展，先后 出現(xiàn)了像p h o e n i c s ，f l u e n t , s t a r - c d ，c f x , f l o w - 3 d 等大型通用軟件。同時 還涌現(xiàn)出一批針對某一類目的或過程的專用軟件，如適用于電子器件冷卻計算的 軟件f l o w - t h e r m ，用于分析內(nèi)燃機(jī)內(nèi)流動和傳熱的k i v a ，計算聚合物流場的 p o l y f l o w ，預(yù)測燃燒過程的s m a r t - f i r e ，及生成網(wǎng)格( i ； 處理) 的i c e m c f d ， 和處理計算結(jié)果( 后處理) 的t e c p l o t 等。 s 1 ：a r c d 這一軟件名稱的靜半段系英語s i m u l a t i o no ft u r b u l e n tf l o wi n a r b i t r a r yr e g i o n 的縮寫，連字符后的c d 足開發(fā)商c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 的簡稱。這是基于有限容積法的一個通用軟件。在網(wǎng)格生成方面，采用非結(jié)構(gòu)化 網(wǎng)格，單元的形狀可以有六面體、四面體、三角形截面的棱柱體、會字塔形的錐 體及六種形狀的其它多面體。它可以與目i ；i 通用的c a d c a e 軟件相連接，如 a n s i s ，i - d 隊s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。s t a r - c d 還可以處理滑移網(wǎng)格的問 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 題，可用于多級透平機(jī)內(nèi)的流場計算。在差分格式方面，納入了一階迎風(fēng)、二階 迎風(fēng)，中心差分，q u i c k 格式以及將一階迎風(fēng)與中心差分或q u i c k 等摻混而成 的混合格式。在壓力與速度耦合關(guān)系的處理方面可選擇s i m p l e ，p i s o 以及稱之 為s i m p i s o 的算法( 一種借用了p i s o 算法中處理非正交坐標(biāo)系中壓力梯度項 處理方法的s i m p l e 算法) 。其中s i m p l e 及s i m p i s o 適用于穩(wěn)態(tài)，而p i s o 可 用于穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)計算。在處理邊界條件方面，可以處理給定壓力的邊界條件， 周期性邊界，輻射邊界等復(fù)雜情形。在湍流模型方面納入了標(biāo)準(zhǔn)x 8 、r n gi c - e 及 c h e n 氏k 等湍流模型。應(yīng)用這一軟件可以計算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動，牛頓流體及 非牛頓流體的流動，多孔介質(zhì)的流動，亞音速及超音速的流動，涉及導(dǎo)熱、對流 與輻射換熱的流動問題，涉及化學(xué)反應(yīng)的流動與傳熱問題及多相流( 氣液，氣，固， 固液) 的數(shù)值分析。因其計算和分析時間短，所需內(nèi)存容量小，且可以自動生成 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，目d 口廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)定常流、噴霧燃燒、冷卻水等領(lǐng)域的分析。 1 8 本課題的提出及主要研究內(nèi)容 為了實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的清潔、高效燃燒，國內(nèi)外科研工作者都將h c c i 燃燒作為柴 油機(jī)研究的重點。國內(nèi)外已有的h c c i 燃燒系統(tǒng)各有各的優(yōu)點，也存在很多問題， 為此，筆者作為一名內(nèi)燃機(jī)工作者，在總結(jié)他人經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上也進(jìn)行了自己 的研究，愿為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展盡一份綿薄之力。 c f d 是內(nèi)燃機(jī)工作者研究內(nèi)燃機(jī)中流動、燃燒、傳熱問題的一種有效工具。 本課題主要利用了大型c f d 軟件s t a r c d ，對柴油機(jī)燃燒室內(nèi)油氣混合過程 進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了燃油噴霧撞壁混合氣形成的發(fā)展歷程，討論了不同噴 孔直徑、噴射角度、缸內(nèi)氣體的溫度、壓力等多種因素對燃油噴霧撞壁特性以及 混合氣形成過程的影響，為如何利用燃油噴霧撞壁過程對燃燒室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提 供了可靠的依據(jù)。 本文的主要研究內(nèi)容： 1 對燃油平板撞瞳過程進(jìn)行研究。研究燃油，平板撞壁混合的發(fā)展歷程，另外 研究了不同噴射角度、氣體壓力和溫度對燃油撞壁特性的影響，重點研究碰壁后 液滴的性質(zhì)變化。 2 對設(shè)計開發(fā)的新型燃燒室內(nèi)燃油撞壁混合氣的形成過程進(jìn)行研究，并與燃 1 1 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 油平板撞壁的特性進(jìn)行比較，重點研究改變碰壁區(qū)的幾何形狀，對燃油空氣混合 氣形成的影響；另外研究了不同噴射角度、氣體壓力和溫度對燃油撞壁特性的影 響。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章燃油噴射碰壁霧化數(shù)學(xué)模型以及物理模型 2 1 數(shù)學(xué)模型 2 i i 控制方程的理論基礎(chǔ) 流體流動要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、 動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動包含有不同成分的混合或相互作用，系 統(tǒng)還要遵守組分守恒方程。如果流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)必須遵守附加的湍流輸 運方程?？刂品匠叹褪沁@些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。 i 質(zhì)量守恒方程 孥+ v 瓴“，= v ?！爵? 告) 】 c 扛t ， 2 動量守恒方程 掣+ v = 一砉即一v ( ；寸v 席。猢， 3 能量守恒方程 掣+ v 咖，) | 一胛u - v 1 + 伊 ( 瑚) 4 理想氣體狀態(tài)方程 p r o t ( 靠既) ( 州。善【告) ，刺 c 撕， 丸仃) = ，。( t ) + r o t i 耽 ( 2 _ _ 6 ) 式中，成、p 分別為組分小的密度、總密度；h 為氣流速度：d 為擴(kuò)散系數(shù)； p 、t 、，、h 分別為氣體的壓力、溫度、比內(nèi)能、比焓；島為通用氣體常數(shù)；矸0 為 組分小的分子量；k 、s 分別為湍流動能及湍流動能的耗散速率：g 為比體積力；口 為與壓力梯度有關(guān)的量：盯為粘性應(yīng)力張量，取為牛頓形式；j 為熱力矢量，是熱 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 傳導(dǎo)和焓擴(kuò)散的總和。 仃一p “一( v “) rj + 五一“皿 ( w ) “一胛卜加v ( 告) c 瑚， 其中：，旯為第1 和第2 粘性系數(shù)；k 為導(dǎo)熱系數(shù)；e 為單位張量；上標(biāo)f 表示轉(zhuǎn)置。 2 1 2 湍流模型 湍流足當(dāng)今世界上的科學(xué)難題之一，而內(nèi)燃機(jī)氣缸中的湍流是一種高度不定 常湍流，對它的本質(zhì)認(rèn)識很膚淺，也沒有成熟的理論可循，只知道湍流足渦的不 斷產(chǎn)生、發(fā)展、分解和消失的過程，因此在多維數(shù)值模擬中對湍流的描寫都是建 立在各種各樣的模型基礎(chǔ)上的。 內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動的多維數(shù)值模擬的實質(zhì)是對可壓縮粘性流體的n s ( n a v i e s - s t o k e s ) 方程進(jìn)行數(shù)值解。完全模擬是用非定常n - s 方程來對湍流進(jìn)行直接計算的 方法。用該方法進(jìn)行計算時，必需采用很小的時問步長和空間步長，目前計算機(jī) 的運行速度和內(nèi)存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到計算要求。大渦模擬是把渦分為大尺度渦和小 尺度渦，大尺度渦是高度各向異性的，小尺度渦是各向同性的，大尺度渦從主流 中獲得能量并傳遞給小尺度渦，在小尺度渦中把能量消耗掉，用 e 定常n - s 方程 直接模擬大尺度的渦，而不直接計算小尺度渦，小尺度渦對大尺度渦的影響用近 似的模型來考慮，以減少對計算機(jī)內(nèi)存的要求。而雷諾時均方程法，則是將非定 ?？刂品匠讨械膮⒘繉r由j 作平均，在所得出的關(guān)于時均參量的控制方程中，引 入脈動量乘積的時均值等未知量，使所得方程式的個數(shù)少于未知數(shù)的個數(shù)。湍流 模型的目的就足提供合理的方程，使方程組封閉。雷諾時均方程法又呵分為雷諾 應(yīng)力方程法和湍流粘性系數(shù)法，其中湍流枯性系數(shù)法較為常用，湍流粘性系數(shù)法 根據(jù)補(bǔ)充的微分方程個數(shù)，分為零方程模型、二方程模型、兩方程模理和多方程 模型，目前，在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動的多維模擬計算中，主要應(yīng)用兩方程模哩。 s t a r c d 提供一方程模型、標(biāo)準(zhǔn)k 一占模型、r n g k 一占模型、高階非線性及 c h e n 氏系列k 一占模型、k - i 、l e s 大渦模型等湍流模式，同時提供了用于解算高精 度流動的k 一0 3 模型和雷諾微分應(yīng)力模型。用戶也可以進(jìn)行二次殲發(fā)。 1 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 由十在模擬柴油機(jī)缸內(nèi)噴舅非穩(wěn)念流堙擊遮柳市有兩應(yīng) 雯翠，流線衄翠焚化 程度較大的流動問題時，r n g t 一譬模型表現(xiàn)較為優(yōu)越，并且在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流場 計算中應(yīng)用廣泛閻，故作者選用r n g k 一占湍流模型。 r n gt 一占模型的湍動能k 和耗散率f 方程為如下形式： 去砉c 跏，+ 考c ，卜等寺叫妒+ b 卜聲一詈卜等+ 肛) 等沼 專砉c 廟，+ 毒( 廁p 等毒) i c ，- 詈卜一弘等+ 肚，等】 峨，沙t ：p 譬吒班等一警譬 ( 2 1 0 ) 這里 ，= s 魯 s - ( 知口勘) ；公式所涉及的經(jīng)驗系數(shù)，其值見表扛l 。 表2 _ 一lr n gk 一占湍流模型系數(shù) c c r io e吒盯_c dc 。2c ，c s 4c 巧 re i 。9o - 7 51 1 5o 90 9 1 1 5 1 90 0 0 r 1 4- 0 3 30 2 5 0 4 1 5 39 o 注：當(dāng)日 o 時，c 。3 = 1 4 ；其它c 。3 = o d b 斯波爾丁和s v 帕坦卡把流體流動、傳熱傳質(zhì)和燃燒過程的控制微分方程 組寫成如下的通用形式： 型o t + d i v ( p v ) 一枷嘰胛d ) + s ( 2 - - 1 1 ) 式中表示通用變量，0 是擴(kuò)散系數(shù)，s ，是源項，對于的特定定義，l 和s 有特定的形式。 上述通用微分方程中的四項分別是不穩(wěn)定項、對流項、擴(kuò)散項和源項。因變 量可以代表不同的物理墾