高压共轨柴油机混合气形成及燃烧特性的研究

【摘要】：随着汽车保有量的增加，机动车已经成公害，成为污染空气的的主要来源。高压共轨系统使柴油机的动力性、经济性和排放性得到大幅度的提升，进入高效清洁柴油机的时代。但柴油机自身NOx和碳烟之间的矛盾关系一直是一个难以解决的问题，尽管针对柴油机的各种排放控制技术可以满足目前的法规，但随着法规要求的越来越苛刻，迫使人们采用更先进的技术来控制燃烧过程和排放物的生成。 缸内直喷柴油机的性能是由燃烧过程决定的，燃烧过程的好坏取决于其混合气的形成过程。对于本文2.0L这样的小型高速柴油机，整个混合气形成和燃烧过程都发生在上止点附近这个狭小的空间内，而且整个过程时间很短，因此研究缸内的气流特性对混合气形成的影响至关重要。进气系统、高压共轨燃油喷射系统以及燃烧室形状这三者共同作用决定缸内的气流状况。进气过程会产生进气涡流，压缩过程由于ω型燃烧室形状又会产生挤流，高压喷射的高速射流使整个缸内的气流运动更加紊乱不规则。在进气道形状确定的情况下，研究喷射参数尤其是喷射压力和燃烧室形状对缸内气流的影响有重要意义。柴油机的燃烧过程主要是预混合燃烧和扩散燃烧，预混合燃烧受喷油压力、喷油正时和缸内的气流运动的影响，而扩散燃烧主要是由缸内的气流强度及其保持性有很大的关系。 本文通过仿真软件FIRE研究燃烧室形状和喷射压力对混合气形成和燃烧过程的影响。通过建立喷雾周围缸内采样点，提取并分析这些空间位置的速度、当量比和反应速率，提出了两个无量纲的参数作为评价标准，即Da数（Damkohler数）和Jet数，分别从不同的角度来评价混合气形成和燃烧过程。Da数反映了燃烧过程中化学反应特征时间和混合气形成时间之间的关系，借此来研究预混合燃烧和扩散燃烧。Jet数反映了气液两相对流运动的摩擦作用对液滴的粉碎作用，从雾化的角度研究混合气的形成。 通过研究得出以下结论： 径深比的大小，影响缸内气流运动的分布，径深比大燃烧室凸台上方气流弱，径深比小，燃烧室底部凹坑内气流弱，而且缸内气流强度整体偏小而且保持性差不利于燃油的扩散，易形成过浓区域生成碳烟。径深比大促进燃油扩散，放热提前峰值高，放热持续期短，提高燃烧效率。高速柴油机适当增加径深比有利于混合气的形成和优化燃烧过程 凸台斜坡形状对凹坑内气流有导向作用，并对喷雾的形状产生影响，凸型斜坡使气流沿斜面向上运动，阻碍喷雾的发展。凹形斜坡在喷雾下侧形成涡团促进喷雾向凹坑内扩散，同时使喷雾尾部向缩口处延伸。通过对Da数的分析，凹形促进燃油扩散，缩短滞燃期抑制了预混合燃烧促进了扩散燃烧过程。凸型由于在滞燃期形成大量混合气，预混合燃烧过程剧烈。 研究不同负荷不同转速，发动机性能随着压缩比变化的规律结果表明，小负荷时适当增加压缩比，可降低燃油消耗率。压缩比小时燃油消耗率随转速的增加而增加，压缩比高时，随转速变化燃油消耗率中间高两端低，NO生成随转速的增高而下降。 喷射压力影响燃油的雾化和空间分布，喷射压力越高，扩散速度越快空间分布越广有利于混合气的形成。喷射压力越高，对应jet数越大喷雾上下侧与空气间摩擦作用越强烈，对液滴粉碎作用越强有利于燃油雾化。不同喷射压力对混合气形成的影响较大，从而影响NO生成。