高功率密度柴油機(jī)準(zhǔn)維燃燒模型研究.pdf

1、現(xiàn)有柴油機(jī)準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果，受當(dāng)時實(shí)驗(yàn)條件限制，關(guān)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(shè)，并且大多燃燒模型是根據(jù)單束燃油噴霧試驗(yàn)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(yù)測高功率密度柴油機(jī)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(jī)性能優(yōu)化設(shè)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(guān)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(jī)準(zhǔn)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(jī)準(zhǔn)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(jìn)行離散化。因此，針對氣液兩相貫穿分離開展相關(guān)理論推

3、導(dǎo)工作，在理想噴霧假設(shè)基礎(chǔ)上，以燃油噴霧液相區(qū)為控制對象，通過綜合應(yīng)用能量守恒、質(zhì)量守恒和動量守恒等，并假設(shè)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(yù)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(dāng)量比；進(jìn)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(yù)測噴霧氣相貫穿規(guī)律。通過結(jié)合氣液兩相貫穿模型，能夠預(yù)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(jī)準(zhǔn)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(jī)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(shí)際柴油機(jī)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(chǔ)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(guān)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(shè)計了驗(yàn)證方案，驗(yàn)證受限空間參數(shù)與濃度分布系數(shù)關(guān)系式預(yù)測其它條件射流濃度分布規(guī)律的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證結(jié)果表明：不同驗(yàn)證方案的分布系數(shù)均能與濃度分布關(guān)系式計算結(jié)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(guān)系式預(yù)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(yù)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(jié)合受限空間氣相射流的相關(guān)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(jī)準(zhǔn)維燃燒模型。模型從采用更符合高功率密度柴油機(jī)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(jìn)

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(shí)現(xiàn)了濃度劃分小區(qū)方式與考慮燃油液相影響相結(jié)合，符合高功率密度柴油噴霧燃燒現(xiàn)象，對柴油機(jī)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(yù)測效果和精度。
　　最后，開展了高功率密度柴油機(jī)準(zhǔn)維燃燒模的計算和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。針對一臺重載柴油機(jī)，應(yīng)用參數(shù)試驗(yàn)和最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計相結(jié)合的方法設(shè)計燃燒模型計算和驗(yàn)證試驗(yàn)工況，驗(yàn)證燃燒模型對一般功率密度柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒以及 NOx

8、排放的預(yù)測能力；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對高功率密度柴油機(jī)，開展燃燒模型的高功率密度工況試驗(yàn)驗(yàn)證工作，驗(yàn)證燃燒模型對高功率密度工況燃燒過程的預(yù)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(jié)果。綜合試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，高功率密度柴油機(jī)準(zhǔn)維燃燒模型對一般功率密度柴油機(jī)的不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、噴油壓力以及噴油正時等工況有較好的適應(yīng)性；同時對高功率密度工況的預(yù)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