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《大连理工大学》 2008年
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基于近距撞壁的柴油机准伞状喷雾系统研究

杜宝国  
【摘要】: 同时降低PM和NO_x两种主要有害物的排放,一直是柴油机工作者面对的难题之一。为实现柴油机高效、低排放的目标,人们对柴油机新型燃烧方式进行了大量研究。在中小型直喷柴油机中普遍存在的喷雾撞壁现象是内燃机研究的焦点问题之一。积极合理地利用喷雾撞壁效应,可以改变喷雾形态、加强燃油雾化、提高混合气质量,进而降低柴油机的油耗与排放。本文以柴油机热预混合燃烧思想和伞状喷雾研究为基础,从喷雾结构和喷雾特性研究入手,探索利用油束近距撞壁来优化喷雾空间分布、促进缸内油气混合及改善燃烧过程的方法和效果。本文开展了如下研究工作: (1)应用FIRE三维CFD软件对不同方案撞壁喷雾的分布特性、发展过程进行了数值模拟研究。结果表明:撞壁距离、撞壁夹角、碰撞面积等参数对碰撞喷雾的空间分布具有较大影响;在撞壁距离较短、撞壁夹角较小、碰撞面积有限的条件下,在一定范围内通过调整撞壁夹角可实现喷雾贯穿距的设定,随着撞壁夹角的增大喷雾贯穿距减小;与自由喷雾相比,近距撞壁喷雾的雾化时刻提前,液核长度减小,碰撞后喷雾的扩散角、展开宽度增大;另外,通过控制碰撞燃油量比例可实现喷雾空间分布的进一步变化。 (2)利用油束撞壁雾化原理,开发了以多孔油嘴和碰撞导向装置为核心的柴油机近距撞壁准伞状喷雾燃烧系统,即从喷孔喷出的油束以一定夹角撞击设置在油嘴头部周围的导向斜壁,碰撞后的油束沿导向壁面发展并扩散成近似的伞状喷雾分布,喷雾贯穿距可以通过调整油束与导向壁面的撞壁夹角进行设定。根据碰撞导向装置结构形式不同,近距撞壁准伞状喷雾系统分为外锥碰撞、内锥碰撞、多片碰撞三种型式;根据碰撞油量比例不同,分为全碰式与半碰式。 (3)建立喷雾可视化试验系统,应用高速摄影技术对不同近距撞壁方案的喷雾空间分布进行试验研究,利用数字图像处理程序测取了喷雾贯穿距、喷雾展开角、喷雾扩散面积等宏观特性参数。结果表明:外锥喷雾、内锥喷雾、多片喷雾具有相似的空间分布特性;随着环境背压增加,喷雾贯穿距、喷雾扩散面积减小,而喷雾展开角、喷雾最大宽度、喷雾厚度增加;随着启喷压力增高,喷雾贯穿距和喷雾展开角增大。相同条件下,全碰方式的喷雾展开角、喷雾最大宽度与喷雾扩散面积均高于半碰方式,而喷雾贯穿距则较之下降;半碰方式兼有碰撞喷雾与自由喷雾的优点,其喷雾既具有较大的喷雾扩散面积,又保持了较长的喷雾贯穿距,因此有利于控制燃油在燃烧室内的合理分布。 (4)对不同方案的缸内混合气形成及燃烧过程进行了数值模拟研究。分析表明:采用全碰方式的喷雾贯穿距较小,燃油和着火点集中在燃烧室中央,而外围空气没有得到充分利用,且中央区混合气偏浓,导致燃烧性能恶化;半碰方式中由于未发生碰撞的燃油可以到达燃烧室的外围区域,空气利用率提高,着火点分布较为分散,燃烧过程得到改善;油束与导向面的碰撞夹角不宜过大,否则由于油束的动量损失增加导致碰撞点附近滞留燃油量增多,从而使燃烧恶化:缩口型燃烧室的挤流与逆挤流作用有助于减少碰撞点附近的滞留油气,从而减小或消除局部过浓混合区;碰撞导向装置尺寸要尽量小,以减少对缸内气流运动的影响及燃油滞留量;从缸内混合气形成过程和燃烧效果看,半碰方式优于全碰方式,多片碰撞优于内锥碰撞,而内锥碰撞好于外锥碰撞方式。 (5)在单缸135柴油机上应用近距撞壁准伞状喷雾系统进行了燃烧性能对比试验。为强化缸内油气混合并减小碰撞点附近由于壁面油膜附着及油雾滞留而形成的局部混合气过浓区,采用近距撞壁雾化结合E20G15混合燃料的策略来推迟着火时刻、促进混合气形成、提高燃烧速率。试验结果表明:半碰方案的燃烧效果好于全碰方案;与自由喷雾相比,当燃用E0燃料时,柴油机油耗有所下降,而碳烟排放略有升高,NO_x排放变化不大:当燃用E20G15混合燃料时,着火滞燃期大幅度延长,油气混合速率及混合气均匀度明显提高,在中低负荷工况下,气缸压力和缸内平均温度均较低,碳烟和NO_x排放同时下降;乙醇-柴油-汽油混合燃料具有雾化性能好、混合气形成质量高、着火滞燃期长、燃烧速率快的特点,在近距撞壁准伞状喷雾燃烧系统中应用该燃料设计方案有效改善了柴油机的燃烧过程。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TK423

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