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《中国农业大学》 2018年
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缸内直喷汽油机喷雾特性及碳烟生成机理的研究

赵洪雪  
【摘要】:随着油耗法规的不断加严,缸内直喷(GasolineDirectInjection,GDI)汽油机以其燃油经济性高、动力性佳、瞬态响应快等优点在汽油车上得到广泛的应用,然而日益严苛的排放法规及严峻的大气污染问题引起人们对GDI汽油机颗粒物排放的密切关注。缸内直喷技术中的喷油雾化程度及混合气形成过程对GDI汽油机缸内颗粒物质量、颗粒物数量及致癌物质多环芳烃的生成有着至关重要的影响。本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟手段及光学可视化方法对GDI汽油机的燃油喷雾特性及其对碳烟生成的影响进行深入探讨。首先,本文分别从理论、实验、数值模型三方面对汽油机喷雾液滴破碎、碰壁、蒸发及液滴间相互作用机理进行综述。其次,全面总结了碳烟模型的发展历程,分析了碳烟前驱物生成、碳烟成核、表面增长、聚合、氧化等过程的机理,系统阐述了碳烟的经验模型、半经验模型及详细模型在CFD模拟研究中的应用,解析了 GDI汽油机及柴油机颗粒物微观纳米结构的差异,发现碳烟颗粒的结构主要与反应条件相关,目前GDI汽油机碳烟模型无法准确描述碳烟发展过程和预测碳烟排放结果,需要进一步改进。通过光学可视化实验与CFD模拟计算研究了 GDI汽油机喷雾、缸内混合气形成等特性。全面解析了环境背压、喷射压力、燃油温度等因素对喷雾的宏观形态、喷雾贯穿距、索特平均直径等参数的影响规律。研究表明提高喷雾压力可有效提升喷雾的雾化质量;提高环境背压会减小喷雾贯穿距,增强喷雾油束外边缘空气卷吸作用,同时在高背压作用下喷雾油束向中心收缩使喷雾宽度减小,而油束之间相互作用增强造成雾化质量下降。结合现有的GDI汽油机碳烟光学测量结果,对低温柴油半经验碳烟模型进行优化改进,主要修正了碳烟成核、凝并、表面增长等速率。与原模型相比,改进的碳烟模型在计算GDI汽油机缸内碳烟的生成速率及位置分布上更接近实验值。最后,本文通过GDI汽油机台架实验、光学诊断和CFD模拟平台,深入探讨了燃油特性和喷油参数与碳烟生成的关系。发现汽油中芳烃及烯烃的含量增加直接导致碳烟生成量的增加;在中低负荷条件中等喷油压力条件下喷雾贯穿距较长而撞击活塞顶面,由于喷雾粒径偏大撞击活塞顶面后不易反弹且蒸发缓慢,导致缸内混合气不均使缸内碳烟生成量增加;提高燃油温度和喷油压力、控制喷油时刻及采用两次喷射技术可以有效的抑制碳烟的生成。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U464.171

【参考文献】
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