高功率密度柴油機準維燃燒模型研究.pdf

1、現(xiàn)有柴油機準維燃燒模型主要依據(jù)的是30多年前常規(guī)噴霧燃燒系統(tǒng)的噴射及油氣混合理論與試驗結果，受當時實驗條件限制，關于柴油噴霧燃燒的許多現(xiàn)象無法觀察到，燃燒模型的建模過程中采用了許多簡化和假設，并且大多燃燒模型是根據(jù)單束燃油噴霧試驗建立的，沒有考慮多油束受限空間噴霧對空氣卷吸的影響，在預測高功率密度柴油機缸內(nèi)噴霧燃燒時存在較大偏差，無法滿足高功率密度柴油機性能優(yōu)化設計的需求。因此，本文從柴油噴霧的氣液兩相貫穿現(xiàn)象以及受限空間噴霧卷吸規(guī)律方

2、面開展了研究，建立了氣相兩相貫穿模型以及受限空間射流濃度分布理論關系式，并依據(jù)氣液兩相貫穿模型和受限空間氣相射流濃度分布規(guī)律，建立了基于氣液兩相貫穿分離現(xiàn)象并考慮受限空間噴霧的高功率密度柴油機準維燃燒模型。全文具體工作如下：
　　首先，為了在高功率密度柴油機準維燃燒模型中采用濃度劃分小區(qū)和計算卷吸方式并考慮燃油液相的影響，需要從燃油噴霧氣液兩相分離現(xiàn)象出發(fā)，對噴霧氣相和液相區(qū)分別進行離散化。因此，針對氣液兩相貫穿分離開展相關理論推

3、導工作，在理想噴霧假設基礎上，以燃油噴霧液相區(qū)為控制對象，通過綜合應用能量守恒、質(zhì)量守恒和動量守恒等，并假設燃油蒸發(fā)受油氣混合過程限制，即混合限制蒸發(fā)理論，建立了噴霧液相貫穿模型，模型能夠預測燃油噴霧液相貫穿規(guī)律、液相長度以及液相長度處截面的飽和蒸氣狀態(tài)參數(shù)和當量比；進一步以噴霧中燃油完全蒸發(fā)后的氣相區(qū)為控制對象，通過控制面的質(zhì)量守恒和動量守恒，建立了噴霧氣相貫穿模型，模型能夠預測噴霧氣相貫穿規(guī)律。通過結合氣液兩相貫穿模型，能夠預測燃油

4、噴霧中的氣液兩相貫穿規(guī)律，為高功率密度柴油機準維燃燒模型的貫穿計算和小區(qū)劃分提供依據(jù)。
　　其次，為了考慮高功率密度柴油機大油量、多油束和小空間受限空間對噴霧卷吸的影響，通過CFD仿真計算開展了受限空間氣相射流研究，建立了受限空間氣相射流CFD計算二維簡化模型，考慮了實際柴油機氣缸幾何尺寸限制以及多油束限制，分析了空間受限對氣相射流速度和燃油濃度分布及卷吸規(guī)律的影響。在CFD計算基礎上，開展了受限空間氣相射流截面濃度分布的定量分析

5、，并定義了無量綱軸向距離?和無量綱射流夾角?，根據(jù)不同無量綱夾角下射流截面濃度分布系數(shù)隨無量綱軸向距離變化具有相似性，建立了受限空間參數(shù)與射流截面濃度分布系數(shù)之間的關系式。針對環(huán)境氣體壓力、射流速度和油束間夾角等參數(shù)設計了驗證方案，驗證受限空間參數(shù)與濃度分布系數(shù)關系式預測其它條件射流濃度分布規(guī)律的準確性。驗證結果表明：不同驗證方案的分布系數(shù)均能與濃度分布關系式計算結果較好吻合，受限空間參數(shù)與射流截面濃度分布系數(shù)關系式預測不同缸內(nèi)氣體壓力

6、、射流速度以及油束夾角的射流截面燃油濃度分布規(guī)律是合理的。
　　然后，以建立的柴油噴霧氣液兩相貫穿模型為子模型，來預測氣液兩相貫穿、最大液相長度及最大液相長度處飽和蒸氣狀態(tài)參數(shù)，并結合受限空間氣相射流的相關研究，建立了基于氣液兩相貫穿和受限空間噴霧卷吸的高功率密度柴油機準維燃燒模型。模型從采用更符合高功率密度柴油機噴霧卷吸特性的燃油濃度劃分小區(qū)方式并考慮燃油液相影響的角度出發(fā)，根據(jù)柴油噴霧氣液兩相分離現(xiàn)象，對噴霧氣相和液相區(qū)分別進

7、行離散化，液相區(qū)按時間步長劃分小區(qū)，氣相區(qū)根據(jù)濃度分布劃分小區(qū)，實現(xiàn)了濃度劃分小區(qū)方式與考慮燃油液相影響相結合，符合高功率密度柴油噴霧燃燒現(xiàn)象，對柴油機一般功率密度工況和高功率密度工況的缸內(nèi)燃燒都有較好的預測效果和精度。
　　最后，開展了高功率密度柴油機準維燃燒模的計算和試驗驗證工作。針對一臺重載柴油機，應用參數(shù)試驗和最優(yōu)拉丁超立方設計相結合的方法設計燃燒模型計算和驗證試驗工況，驗證燃燒模型對一般功率密度柴油機缸內(nèi)燃燒以及 NOx

8、排放的預測能力；在此基礎上進一步針對高功率密度柴油機，開展燃燒模型的高功率密度工況試驗驗證工作，驗證燃燒模型對高功率密度工況燃燒過程的預測能力，并對比分析了不同功率密度下的傳統(tǒng)油滴蒸發(fā)燃燒模型與高功率密度燃燒模型的計算結果。綜合試驗驗證結果表明，高功率密度柴油機準維燃燒模型對一般功率密度柴油機的不同轉速、負荷、噴油壓力以及噴油正時等工況有較好的適應性；同時對高功率密度工況的預測效果明顯優(yōu)于廣安模型，最高燃燒壓力的相對誤差較廣安模型減小約