（动力机械及工程专业论文）高功率密度opoc柴油机喷雾燃烧过程与喷射策略研究.pdf

图书分类号图书分类号 tk422 tk422 密级密级 非密非密 udc _udc _ _621.4_621.4_ _ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 高功率密度高功率密度 opocopoc 柴油机喷雾柴油机喷雾- -燃烧过程与喷射策略研究燃烧过程与喷射策略研究 指导教师指导教师 续彦芳（教授）续彦芳（教授） 许俊峰（研究员）许俊峰（研究员） 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 动力机械及工程动力机械及工程 论文提交日期论文提交日期 年年 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期_ _年年_ _ _ _月月_ _日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_日日 论文评阅论文评阅_ 答辩委员答辩委员会主席会主席_ 年年 月月 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 高功率密度 opoc 柴油机喷雾-燃烧过程与喷油策略研究 摘 要 对置活塞对置气缸（opoc）柴油机，集合了对置活塞、对置气缸这两款发动机结 构上的优势， 其动力优点在于轻量化、 高单位质量功率、 高单位体积功率。 但由于 opoc 柴油机仅能组织弱进气涡流，缸内湍动能很弱，燃油混合气形成质量较差，使 opoc 柴 油机燃烧不充分。为充分利用燃油喷射引起的缸内湍动能，促进燃油的雾化以及燃油混 合气的良好形成，进一步提高其燃烧性能及动力性能，展开柴油机的喷射策略研究，深 入探究燃烧系统参数之间的匹配，推进 opoc 柴油机应用价值的实现。 本文对 opoc 柴油机进行了侧向喷油和燃烧过程的瞬态数值模拟计算， 深入研究了 opoc 柴油机喷油策略以及喷雾燃烧过程， 为现有的 opoc 柴油机喷油器喷孔布置的设 计与改进提供理论参考。完成工作与研究成果主要包括： 1）分析 opoc 柴油机缸内喷油与燃烧过程存在的复杂缸内介质流动与混合的物理 过程以及燃油混合气燃烧的化学过程，根据其侧置喷油特点，确定适合于 opoc 柴油机 缸内复杂流动与燃烧数值模拟的各气相、液相以及燃烧模型。以进气端活塞顶面、排气 端活塞顶面以及缸套区域建立几何模型，依据常规发动机工作原理，结合 opoc 发动机 双活塞工作过程确定计算初始时刻及各区域的等效温度以及缸内压力和温度分析边界 条件。采用离散求解方法，借助三维瞬态模拟软件 avl fire 平台，分析研究喷油燃烧 计算模型，通过调整模型参数，将缸内压力模拟分析结果与试验数据的对比分析，确定 正确的 opoc 柴油机喷油与燃烧计算模型，验证研究方法的可行性。 2) 分析不同喷油方案下，气流运动形式、湍动能分布、燃油浓度分布等情况，研 究了不同喷油方案对于 opoc 柴油机混合气形成质量和燃烧性能的影响。结果表明，不 同喷油方案下，燃油浓度分布差异很大，产生不同的燃烧效果。 3）分析不同喷油方案具有的燃油混合气形成以及燃烧组织方面的优势，改进原喷 油方案的喷孔布置，充分利用喷射作用下缸内气流运动的变化，促进燃油与燃烧室内空 气的良好混合，使燃油混合气尽可能的完全且快速燃烧，提高了整机的平均有效压力， 中北大学学位论文 即增强了动力性。 4）进行了改进方案的燃烧性能对比分析，研究了改进方案的燃烧区域及燃烧性能， 明确了改进方案在提高动力性能的同时，燃烧区域更集中于燃烧室中心区域，有利于降 低气缸壁面的传热损失，可提高 opoc 柴油机的整机热效率，实现高效燃烧，从而验证 了改进方案的有效性。 关键词:对置活塞对置气缸柴油机, 喷油过程, 燃烧过程, 喷油策略, 燃烧性能 中北大学学位论文 research on spray-combustion process and injection methods of high power density diesel engine abstract the opposed piston opposed cylinder diesel engine (opoc) collects the superiorities of opposed piston and opposed cylinder two engines on the structure, its power advantages are on lightweight, high unit mass power, high power per unit volume. but because the opoc diesel engine organizes weak intake turbo only, the cylinder turbulent kinetic energy is weak, poor quality fuel mixture formation, the opoc diesel engine combustion is not sufficient. to take full advantage turbulent kinetic energy caused by the cylinder fuel injection, promote good formation of fuel atomization and fuel mixture, to improve the combustion performance and dynamic performance further, expand the diesel engine injection strategy and the research between the combustion system parameters, to promote the realization of the opoc diesels application value. this article has made the transient numerical simulation of lateral fuel injection and combustion process for the opoc diesel engine.and studied the diesel engine of opoc injection strategies and spray combustion process deeply. provided theoretical references for the spray hole layout design and improvement of the existing opoc diesel injector. the work and research to be done include: 1) by analyzing the existed physical process of medium flow and mixing that the complex cylinder of a diesel engine fuel injection and combustion processes in opoc and the chemical processes of fuel mixture gas burning. in accordance with its side fuel injection characteristics to determine the appropriate diesel engine cylinder opoc complex flow and combustion numerical simulation of the gas phase, liquid phase and combustion model. create a geometric model to the intake end of the piston top surface of the exhaust end of the top surface of the piston and cylinder area, in accordance with the principle of the conventional engine, determine the calculation of the initial time and the regional equivalent 中北大学学位论文 temperature and cylinder pressure and temperature boundary conditions combined with opoc engines dual piston working process. using the discrete solving method, with the help of three-dimensional transient simulation software avl fire platform, analyze the fuel injection combustion calculation model, by adjusting the model parameters, make the comparative analysis of the cylinder pressure simulation analysis and experimental results of the comparative analysis to determine the correct opoc diesel injectorthe combustion calculation model, to verify the feasibility of the research methods. 2) this article also studied the two different injectors program. under different injection program, analyzed the form of air movement, turbulent kinetic energy distribution of fuel concentration distribution, and researched different injection scheme for opoc diesel mixture formation quality and combustion performance. the results showed that: under the different injection program, the distributions of fuel concentration vary considerably different combustion. the fuel concentration distribution is very different, and produces different burning effect. 3) this article also summarized the advantages of the fuel mixture formation and combustion tissue under the different injection program, the program improved the original injector spray hole layout, make full use of the changes in the movement of the cylinder flow in ejector effect, promoting good fuel and the combustion chamber air mixed, so that the fuel gas mixture can burn completely and rapidly as far as possible, improve the mean effective pressure of the machine, the power enhancement.compared the combustion performances before and after the program improvement to verify the effectiveness of the improvement. 4) make the comparative analysis of the combustion performance of the improvement program, research the combustion zone and the combustion performance of the improvement program, at the same time of the clear of improvement program to improve dynamic performance, the combustion zone is more concentrated in the central region of the combustion chamber,its helpful to reduce the loss of the cylinder wall heat transfer, improve the machine thermal efficiency to achieve efficient combustion, which verifies the validity of the improvement program. keywords: opoc diesel, spray process, combustion process, injection strategy, combustion performance 中北大学学位论文 i 目目 录录 1 1 绪论绪论 1.1 课题的研究背景及意义 . 1 1.1.1 研究背景 . 1 1.1.2 理论意义和实际应用价值 . 2 1.2 opoc 发动机的国内外研究现状 . 2 1.3 发动机数值模拟技术的研究现状 . 3 1.3.1 发动机喷雾燃烧过程的国内外研究现状 . 3 1.3.2 实现柴油机油气室匹配设计的数值模拟国内外研究现状 . 5 1.4 论文的主要工作 . 7 2 opoc2 opoc 柴油机特殊性分析及其运动学分析柴油机特殊性分析及其运动学分析 2.1 opoc 柴油机结构特殊性 . 10 2.2 opoc 柴油机喷油方式、燃烧组织形式特殊性 . 10 2.3 opoc 柴油机曲柄连杆机构运动学计算 . 13 2.3.1 运动学模型建立 . 13 2.3.2 opoc 柴油机曲柄连杆机构内外双活塞运动规律分析 . 15 2.4 本章小结 . 17 3 opoc3 opoc 柴油机喷雾柴油机喷雾- -燃烧过程数值模拟各燃烧过程数值模拟各数学模型的分析与选择数学模型的分析与选择 3.1 气相湍流流动模型分析与选择 . 18 3.1.1 湍流运动 . 18 3.1.2 湍流流动模型 . 19 3.2 喷雾模型分析与选择 . 19 3.2.1 液滴湍流扩散模型. 20 3.2.2 液滴破碎分裂模型. 20 3.2.3 碰壁模型 . 21 3.2.4 液滴蒸发雾化模型. 21 3.3 燃烧模型分析与选择 . 22 中北大学学位论文 ii 3.3.1 着火模型 . 22 3.3.2 湍流燃烧模型 . 23 3.4 本章小结. 23 4 opoc4 opoc 柴油机喷雾柴油机喷雾- -燃烧过程数值模拟的计算模型燃烧过程数值模拟的计算模型建立及验证建立及验证 4.1 喷油燃烧研究技术参数 . 24 4.2 几何模型的建立 . 24 4.3 计算区域网格生成 . 25 4.3.1 初始时刻计算域网格划分 . 26 4.3.2 符合双活塞对置运动特性的动网格生成 . 27 4.4 初始条件及边界条件的设定 . 29 4.4.1 初始条件的设定 . 29 4.4.2 边界条件的设定 . 32 4.5 数学模型的选择 . 32 4.6 喷油器参数设置介绍 . 33 4.7 求解器设置及计算 . 34 4.8 模型验证 . 35 4.8.1 缸内压力变化分析. 35 4.8.2 缸内温度变化分析. 37 4.8.3 燃烧过程放热率分析 . 37 4.9 本章小结. 39 5 opoc5 opoc 柴油机喷雾燃烧过程分析及燃油喷射策略选择与改进柴油机喷雾燃烧过程分析及燃油喷射策略选择与改进 5.1 喷油策略的设计 . 40 5.2 喷油方案喷孔数目选定 . 41 5.3 方案 d3.1 和 d3.2 燃油喷射进程与燃烧进程分析 . 44 5.4 方案 d3.1、d3.2 的三维结果对比及燃烧性能分析 . 48 5.4.1 缸内宏观气流运动分析 . 48 5.4.2 缸内湍动能分布对比 . 53 5.4.3 缸内燃油浓度分布当量比以及缸内氧气浓度分布当量比对比 . 56 5.4.4 缸内温度分布对比. 59 中北大学学位论文 iii 5.4.5 燃烧性能对比 . 63 5.5 喷油方案的改进设计 . 65 5.6 改进方案计算结果对比分析及燃烧性能分析 . 66 5.6.1 计算结果对比分析. 66 5.6.2 燃烧性能对比 . 71 5.7 本章小结. 73 6 6 结论与展望结论与展望 6.1 结论 . 75 6.2 本文创新点 . 76 6.3 展望 . 76 参考文献参考文献 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 致谢致谢 中北大学学位论文 1 1 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 1.1.1 研究背景 提高发动机的动力性能、燃油的经济性以及良好的尾气排放，已成为国内外发动机 研发人员的统一课题。提高其动力性的技术措施之一，即为改进发动机的喷油进程，实 现高效燃烧。有效的研究途径就是实现喷油系统（喷油策略）与燃烧系统（燃烧组织形 式）间的匹配。 本论文研究的对置活塞对置气缸(opoc)柴油机，集合了对置活塞式柴油机（乌克 兰 6td 型）和对置气缸式柴油机（斯巴鲁发动机）的结构优势。同时，较于传统柴油 机，其性能优势如下： 理论上，功率密度提升一倍，高功率密度燃烧； 整机体积更小，质量也更轻； 可串联动力模块，实现输出功率倍增。 2011 年 12 月 5 日，美国著名科普杂志popular science ，推出了“2011 年最佳新 品”榜单。在汽车科技领域， “ecomotors opoc engine”环保发动机荣获年度科技 大奖。此款发动机将引领汽车科技发展的方向1。 2010 年 7 月，比尔 盖茨（bill gates）和投资家科萨（vinod khosla）宣布向美国环 保型汽车引擎开发商（ecomotors international）公司投资，高达 2350 万美元的资金将 用于对置活塞对置气缸发动机燃烧特性测试与优化工作2。 现在与未来的柴油机研发， 主要方向为轻量化、 高功率密度 （质量功率、 体积功率） ， 而 opoc 柴油机顺应这一研发方向。当今飞速发展的科学技术，模拟计算基础理论的完 善使得柴油机工作过程仿真模拟研究成为现实，且能很好的预测柴油机的各项性能。 基于上述背景，本文将针对 opoc 柴油机特殊的燃烧室空间结构，进行侧向喷油和 燃烧过程三维瞬态数值计算，以实现高效燃烧为目标，进行喷油策略的研究与改进。 中北大学学位论文 2 1.1.2 理论意义和实际应用价值 柴油机缸内燃烧大部分为扩散燃烧。燃油混合气形成质量的好坏，决定燃烧性能， 进而影响柴油机的综合性能。柴油机缸内空气与喷射的雾化燃油是在极小的燃烧室内实 现混合，并迅速着火燃烧。因而，喷雾燃烧过程受到燃烧室型式与几何尺寸、进气和排 气流通系统以及燃油供给与喷射系统的设计等多方面共同决定。因此，燃烧室型式、供 （喷）油系统以及进排气系统三者之间的匹配设计，是改善油气混合、提高燃烧性能的 关键所在3-5。 由于缸内温度及油气混合物当量比分布均受空间与时间的影响，具有空间性、时间 性。柴油机性能的传统实验手段，仅能获得缸内平均温度曲线，不能得到缸内温度的三 维空间分布，得到有限的喷雾燃烧信息6。 伴随多维瞬态数值模拟技术的不断发展与广泛应用，利用湍流燃烧反应，可组织有 潜力的喷油与燃烧方式，以实现高效燃烧的最终目标，进行喷油燃烧过程瞬态模拟。得 到空间上的数据图，可更直观地获得常规性能实验不能得到的缸内各充量流动、喷雾油 束发展与蒸发过程、燃油混合气的形成与分布、燃烧进程以及缸内温度分布等信息。 综上，数值模拟方法在研究柴油机喷雾燃烧过程时，可有效解决实验仪器、测试技 术与精度等影响因素对于检测结果的影响，得到更多、更清晰地缸内信息。同时，此研 究手段为新型喷雾燃烧概念的研究与开发，开创了一个便捷的研究、验证平台。也在实 现发动机高效燃烧方式上，有着显著的潜力，具有很好的理论与实际应用价值。 1.2 opoc 发动机的国内外研究现状 peter h 等人结合对置活塞、 对置气缸发动机两种不同机构特点， 提出了对置活塞对 置气缸的全新概念，开展了高功率压燃式 opoc 发动机7-8、小功率点燃式 opoc 发动 机的开发与研究9 。 2005 年，德国 fev 公司最新研发的轻质、高功率密度发动机样机为二行程、对置 活塞对置气缸结构，可燃用柴油或 jp8 燃油；采用美国 apt 公司研发的电辅助涡轮增 中北大学学位论文 3 压器；标定功率 242kw；运转速度为 2000r/min 时，扭矩可达 800n m；质量仅 125kg； 用于一种电动力装置上，其热效率超过 417 ，10。 2008 年， 美国汽车工程学的展览会上，美国 tardec 工程中心对其研发的对置活 塞对置气缸(opoc) 发动机进行了展示。其特殊性在于水平对置双缸四活塞结构， ，且 单缸侧向布置两个喷油器，在安全转速 3800r/ min 范围内，可产生功率值为 239 kw， 但整机质量却仅 172 kg 11。 2009 年，ecomotors 公司自主研发出一台水平对置的双缸柴油机。这台 opoc 发动 机，相比当时最优异的涡轮增压柴油机，重量减轻 30%，体积缩小41，百公里油耗降 低 50% 12。 2010 年 5 月， 中国汽车元件制造商中鼎股份有限公司与美方 ecomotors 国际公司签 订协议，与 global optimal llc 公司共同为 ecomotors 公司 opoc 发动机技术的进一步 开发提供技术服务，加速推进 opoc 技术投放市场13。 2010 年 7 月，比尔 盖茨和韦恩多 库斯拉宣布向 ecomotors 公司投资，资金将用于 opoc 发动机燃烧特性测试与优化工作，工作内容包括：特殊活塞顶面设计、单缸安装 喷油器数量、油注喷射角度、喷嘴结构尺寸以及轨压等细节设计。在燃烧特性优化阶段 通过优化燃烧，以获得高效工作性能、高功率输出和满足排放标准为目标，对上述参数 进行匹配。ecomotors 公司正在开发一种高效的紧凑型 opoc 引擎，其成本讲低于传统 内燃机引擎，预实现量产计划2。 opoc 发动机在国外已进行了多年的研究， 且已有典型的成熟产品， 而国内对 opoc 发动机的研究尚处于创新研发阶段。国内对于此发动机的研究，仅限于中国北方发动机 研究所、天津大学、中北大学。 1.3 发动机数值模拟技术的研究现状 1.3.1 发动机喷雾燃烧过程的国内外研究现状 （1）国外研究现状 中北大学学位论文 4 对于内燃机燃烧过程的仿真模拟研究，在 20 世纪 20 年代之后，随着技术的进步， 科技人员研制出多种燃烧模型和模拟计算程序用于完善计算仿真。1938 年，g.m. rassweiler 等人针对常规的均质火花点燃式内燃机，提出了燃烧率分析模型。1976 年， d.r. lancaster 等人在 krieger- borman 放热率模型基础上，考虑了球形火焰面等几何因 素，进行了瞬时紊流火焰速度的计算14 。1995 年，h.c. magel 和 r. schneider 对锅炉 内煤的燃烧过程进行了仿真研究，主要选用了 ebu 和 edc 两种湍流燃烧模型进行对比 模拟分析，证明 edc 模型更适合于模拟锅炉内煤粉的燃烧过程。 美国 texas 大学的 matthwes r d，对于火花点火发动机进行模拟时，主要应用分形 理论完成双区模型建立，且将研究成果用于浅盆形燃烧室发动机的模拟研究中。模拟结 果验证了分形理论的有效性，通过模拟值和实验值的对比分析，验证了模型的有效性。 1996 年，matthwes r d 在双区模型的基础上，总结提出了半岛-分形模型，可较全面地 实现湍流预混合燃烧中的皱折火焰和半岛形火焰的模拟15。 随着燃烧研究的深入，分形燃烧模型逐渐由准维模拟过渡到多维模拟。1995 年，朱 清清对一台火花点火发动机的丙烷与空气间混合和湍流燃烧过程进行了多维模拟16。 （2）国内研究现状 随着国内数值模拟的发展，许多研究人员也逐步转向发动机燃烧过程的多维数值模 拟的研究。 2005 年，北京理工大学周磊等人对增压式直喷柴油机进行了燃烧过程的仿真模拟， 主要分析了标准工况下燃烧主要排放物的生成及其空间分布的具体位置，并对喷油提前 角对排放情况的影响进行了深入探究。表明：喷油提前，会造成 no x 的增多，但却会 减少碳烟的生成。同时，还讨论了燃烧室型式对排放产物的影响17。 2006 年，李云清等人对直列六缸增压式柴油机进行了燃油喷射以及燃烧过程的研 究，主要研究了喷油参数中的喷雾锥角对柴油机燃烧过程规律性影响以及不同的喷雾锥 角所造成的不同的缸内碳烟和 no x 生成情况，研究表明：喷雾锥角在很大程度上影响 着燃烧进程，增大喷雾锥角，缸内平均温度会升高，no x 生成量增加18。 北京理工大学的孙柏刚博士，对 bf6m1013 柴油机的燃烧过程进行了模拟，并通过 实验验证对发动机燃烧模型的影响因素进行了分析，获得了不同工况下的p图、放 热率曲线等仿真结果，且与实验结果保持一致19。 中北大学学位论文 5 2009 年，由于 opoc 柴油机在组织燃油混合气时存在困难。于是，天津大学的宋 金瓯与中国北方发动机研究所刘长振等人，设计了涡流和滚流两种不同进气方式，并对 缸内不同的流动形式进行了分析对比，针对不同的缸内环境设计了不同的喷油参数，研 究了不同喷油方案和不同流动方式下，opoc 柴油机不同的燃烧性能20。 2010 年，李云清等人通过对 495 汽油机的进气与燃烧过程的模拟研究表明：四气 门发动机在进气过程中缸内存在着双涡运动，排气门侧的涡团，因不断地吸取燃烧能量 而不断增强，而进气门侧的涡团则由于能量耗散逐渐衰减21。 1.3.2 实现柴油机油气室匹配设计的数值模拟国内外研究现状 （1）国外研究现状 2003 年，arturo de risi 等人应用 kiva-3v 程序，基于遗传算法（ga） ，保证压缩 比不变的情况下，优化直喷柴油机的燃烧室几何参数22。 2005 年，stefano fontanesi 等人对小型高速直喷柴油机进行模拟计算，分析了燃烧 室形状参数对混合物混合程度、燃烧性能、排放产物形成的影响。为改进燃烧室提供指 导23。 2007 年，g. cipolla 等人应用 cfd 模拟和燃烧诊断技术，用以开发低压缩、高性能 柴油。通过一维模拟为模拟提供准确边界条件。为实现压缩比的减小，共设计了三种新 燃烧室。 通过观察不同的进气状态和喷油策略情况下， 各燃烧室的燃烧性能。 根据结果， 合理的组合仿真，实现实验验证24。 2011 年，福特公司利用三维 cfd 技术，对其设计开发的 6.7l 涡轮增压柴油机进行 了燃烧、 做功过程的模拟， 以实现燃烧系统参数的优化。 开发了三种形状参数的燃烧室， 运用多目标优化的方法，达到低油耗、低排放的目标25。 （2）国内研究现状 1999 年，南昌大学的高国珍，对 165f 柴油机的燃烧室各个结构参数进行了正交试 验且此方法在燃烧室改进研究中取得了良好的效果26。 2000 年， 武汉交通大