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DME闪急沸腾喷雾特性及其在柴油HCCI发动机上的应用研究

余敬周  
【摘要】:能源危机的出现以及人们环保意识的加强,使得探索利用新能源以及清洁高效利用现有石油资源成为现代内燃机创新技术研究的一个主攻方向。近年来,二甲醚(Dimethyl Ether,DME)作为一种柴油机代用燃料,其良好的喷雾特性和着火性能,已受到内燃机研究者的高度重视。为了实现发动机高热效率以及低排放性能,具有“均质压燃、低温燃烧”特征的HCCI燃烧模式正受到国内外研究者的广泛关注。发动机燃用DME/柴油混合燃料,既可克服纯柴油因其粘度高、饱和蒸汽压低而难以制备HCCI均质可燃混合气的问题,又能较好地解决发动机燃用纯DME存在的高压供油系统磨损和燃油泄漏比较严重的弊端。因此,本文以燃油喷雾强化混合过程及其对低温燃烧的影响为研究对象,着重研究柴油机代用燃料DME闪急沸腾喷雾特性及DME/柴油混合燃料在新一代燃烧模式HCCI发动机上的应用。本文的研究内容和研究成果主要有以下几个方面: 在广泛阅读国内外相关文献的基础上,详细阐释了闪急沸腾喷雾的特点,深入分析了闪急沸腾喷雾蒸发与雾化混合的机理,确立了利用闪急沸腾效应以实现发动机燃烧全时间历程强化混合的技术思路,以便为HCCI发动机均质混合气的快速制备提供一条新的技术途径。为了实现闪急沸腾喷雾多维数值模拟,在KH-RT液滴破碎模型的基础上,构筑了适用于闪急沸腾喷雾的宏观现象学模型,该模型着重考虑了过热度对DME闪急沸腾喷雾锥角、贯穿距等宏观喷雾特性以及液滴蒸发速率和液滴温度变化的影响,忽略了闪急沸腾喷雾过程中DME液滴内部气泡核的产生、气泡的生长及破碎等微观变化过程的影响,藉以在满足工程应用精度的前提下,达到简化计算过程、提高计算效率的目的。 建立了闪急沸腾喷雾宏观现象学模型与KIVA-3V2程序的耦合模型,解决了原KIVA-3V2程序不能预测分析闪急沸腾喷雾的局限。模型预测分析与验证试验表明,DME闪急沸腾喷雾模拟计算与DPIV实测结果基本吻合。在相同喷射条件下,DME闪急沸腾喷雾锥角明显大于柴油普通喷雾,且DME喷雾贯穿距在1.0ms时基本达到其最大值,而此时的柴油喷雾贯穿距仍在继续增加;与柴油普通喷雾相比,DME闪急沸腾喷雾体前端存在明显的涡环结构,其具有促进湍流扩散和强化燃油雾化混合的作用,致使DME喷雾的气相浓度值远高于柴油喷雾,且其SMD远较后者小得多。 利用激光粒度测试仪以及高性能数码相机试验研究了柴油、DME以及DME/柴油混合燃料喷雾的粒度分布特性以及喷雾体宏观特征,并在KIVA-3V2程序中添加了DME/柴油混合燃料热物性数据库,实现了DME/柴油混合燃料喷雾的多维数值模拟计算。模拟计算得到的燃油喷雾形态以及液滴SMD值与试验结果吻合较好。研究结果表明:燃油的喷雾特性与燃油的物理性质紧密相关,当柴油中掺混液相DME时,燃油粘度和表面张力的降低以及喷雾过程中DME强烈的闪急沸腾微爆效应有效地促进了燃油的雾化与破碎。在稳态喷雾发展过程中,各种燃油液滴的SMD在靠近喷孔的轴向位置处变化较快,随着轴向距离的增加,其变化趋于平缓;与纯柴油相比,DME/柴油混合燃料喷雾锥角以及喷雾体宽度具有较大幅度的增加,且SMD轴向分布明显减小,喷雾场内大滴径液滴的分布概率大大降低,这些变化趋势随DME含量的增加而更加显著。显然,闪急沸腾微爆效应的确能够强化燃油喷雾雾化,从而达到强化油气混合,实现快速制备均质混合气的目的。 在围绕闪急沸腾微爆效应开展以技术创新为导向的基础研究的背景下,进而开展了DME/柴油混合燃料HCCI燃烧的试验研究。采用进气道喷射DME/柴油混合燃料的研究表明:DME闪急沸腾微爆效应能够极大地促进燃油的破碎雾化和蒸发,在相同条件下,均质混合气制备率随DME掺混比例的增加而提高;适当提高燃油喷射压力和进气温度有利于进一步提高混合气制备率。兼顾DME/柴油混合燃料的均质混合气制备率及其对发动机的润滑性能的DME50(DME与柴油的质量比为50%的混合燃料),在喷油压力为15.0MPa、进气温度为室温25℃时,可获得高达91.9%的混合气制备率。同时,还开展了旨在拓展低温燃烧运行范围的试验研究,当进气中CO_2含量达30%时,可使发动机缸内最大平均有效压力由0.32MPa提高到0.5MPa,并使较高负荷下的NO_X排放得到有效抑制,但会导致中小负荷工况下未燃HC和CO较大幅度增加。 基于DME/正庚烷混合燃料化学反应动力学机理和NO_X生成反应机理,构建了DME/正庚烷燃烧反应化学动力学的模型,该模型适用于HCCI发动机燃烧与排放的性能预测研究,为HCCI燃烧系统参数的选择与匹配提供了分析工具。利用该模型进行的燃烧控制参数和控制方法的预测分析与验证试验结果基本吻合。有关低温燃烧过程中有害排放物生成机理及演化历程的研究表明:进气掺混CO_2对低温反应阶段具有重要作用的自由基OH的生成具有一定的滞后效应,致使燃料参与低温反应的时间延长;燃烧中间产物HO_2、H_2O_2和HCHO高温裂解是引起高温着火燃烧的关键因素,而进气中掺混CO_2降低了中低温阶段反应的温度,削弱了这些中间产物的高温裂解反应,最终使反应系统高温燃烧时刻延迟发生。


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