（工程热物理专业论文）柴油喷雾撞壁混合气形成过程的数值模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 燃油的雾化、破碎、蒸发和混合气形成的好坏严重影响着直喷式柴油机的点 火、燃烧和排放性能。对于中小缸径直喷式柴油机，油束不可避免地会与燃烧室 壁面相撞，在燃烧室壁面形成油膜，使燃油在壁面堆积，导致较高的h c 和c o 排 放以及燃油消耗量的增加。均质充量压缩着火燃烧( h c c i ) 被证明是实现柴油机的 超低n o x 和微粒排放的有效途径。因此深入研究利用燃油碰壁的特性，改善碰 壁后的燃烧室内燃油的浓度分布，使燃油空气均匀混合，实现h c c i 燃烧解决以上 问题的最好方法。 为了进一步深入研究喷雾碰壁过程，本课题利用大型c f d 软件s t a r c d 对 柴油喷雾撞壁混合气形成的过程进行数值模拟研究。在对燃油平板撞壁特性研究 的基础上，作者设计开发了新型燃烧室，它是通过控制碰壁的形式，如喷雾特性 和碰壁区几何结构，来影响碰壁后油束的形状，发展方向和扩散程度，从而影响 缸内混合气的形成和发展，实现高效燃烧的。本文重点对新型燃烧室内的喷雾撞 壁混合过程进行研究。研究结果表明，新型燃烧室的凸台的加入。改变了碰壁后 油柬的形状和发展方向，燃油扩散程度加大，蒸发率增加，形成的混合气较为均 匀，接近h c c i 燃烧。 对燃油平板撞壁和新型燃烧室内燃油撞壁混合过程进行对比研究发现，燃油 平板相撞后在瞳面处形成壁面射流，靠近壁面处燃油浓度很高，很难与空气混合， 而在新型燃烧室内，从喷孔喷出的高速燃油粒子在撞击凸台后分为两部分，一部 分发生二次射流，油束发展方向改变，另一部分沿原来的喷射方向，由于燃油多 次撞壁破碎及对空气卷吸量的增加，形成的混合气较为均匀；改变喷射角度，可 改变撞壁后形成的混合气在燃烧室内的分布，影响混合气的质量，研究表明，在 本文设计的燃烧室内燃油喷射角3 8 度最佳；高温高压条件下，喷雾锥角较之常温常 压下明显增大，喷射速度降低，与常温常压下相比。其燃油蒸发量增大，燃油分 布面积明显减小。 关键词：柴油；燃油撞壁；燃油蒸发；混合气形成；新型燃烧室；数值模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i g n i t i o n , c o m b u s t i o na n de m i s s i o no fd i r e c ti n j e c t i n gd i e s e le n g i n e sa r es e v e r e l y i n f l u e n c e db ys p r a yb r e a k u pa n dm i x t u r ef o r m a t i o n e s p e c i a l l yi ns m a l lc n g i n e sl i q u i d r e a c h e st h ew a l lo ft h ep i s t o na n dt h ec y l i n d e rd u et ot h eh i 【g hm o m e n t u mo ft h el i q u i d s p r a y t h es p r a yi m p i n g i n go nt h es u r f a c ec a u s e sf u e lr i c hr e g i o n sw i t hl o we v a p o r a t i o n r a t e st h a tl e a dt 0i n s u f f i c i e n tc o m b u s t i o na n ds o o tf o r m a t i o n m o r e o v e r , h c c ii s 姐 a t t r a c t i v ea d v a n c e dc o m b u s t i o np r o c e s st h a to f f e r st h ep o t e n t i a lf o rs u b s t a n t i a l r e d u c t i o n si nb o t hn o xa n dp m i ft h ei n f l u e n c e so fs p r a yp a r a m e t e r so nt h es p r a y w a l l i n t e r a c t i o na r eu n d e r s t o o di nd e t a i lt h es p r a yi m p i n g i n gp r o c e s sa l s ob e c o m e sa c o m b u s t i o nd e s i g nt 0 0 1 t h e nc a r e f u l l yu s e dt h es u r f a c ec o n t a c tc a ns u p p o r ts p r a y b r e a k u pa n dm i x t u r ef o r m a t i o n t of u r t h e ru n d e r s t a n df u e l w a l li m p i n g i n gp r o c e s s ，f u e l p l a n ei m p i n g e m e n tw a s s t u d i e d b a s e do nt h i s , m i x t u r ef o r m a t i o ni nan e wc h a m b e rw a ss t u d i e du s i n gc f d s o f t w a r es t a r c d t h en e wc h a m b e ri so n ec h a m b e rw i t hap r o t r u s i o n i ti m p r o v e d f u e la t o m i z a t i o n , b r e a k u p ，e v a p o r a t i o na n dm i x t u r ef o r m a t i o nt h r o u g hi m p i n g i n go nt h e p r o t r u s i o n t h ep r o t r u s i o nc a nc h a n g et h es p r a y ss h a p e ，d e v e l o p i n gd i r e c t i o na n d i n c r e a s ef u e l sd i f f u s i o n ，a l lt h e s ew e r eb e n e f i tt om i x m r cf o r m a t i o n t h ec o n c l u s i o n w a gt h a tt h en e wc h a m b e rw a sg o o da th o m o g e n e o u sm i x t u r ef o r m a t i o n ，a n dr e a l i z i n g h c c ic o m b u s t i o n 。 t h er e s u l t sb e t w e e nf u e l p l a n ei m p i n g e m e n ta n df u e l p l r o t r u s i o ni m p i n g e m e n t s h o wt h a tw h e nf u e ls p r a yi m p i n g i n go nt h ep l a n ew a l l ，w a l lj e tw a gf o r m e da n df u e l r i c hr e g i o nw a sf o u n dn e a r b yt h ew a l l , w h i l ew h e n s p r a yi m p i n g i n go nt h ep r o t r u s i o ni n t h en e wc h a m b e r ，i tw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ep r o d u c e das e c o n d a r ys p a c ej e t , p r o c e e d i n gi nd i f f e r e n td i r c c t i o nf r o mt h ef o r m e rj e t ；t h eo t h e ro n ep r o c e e d e di nt h e s a m ed i r e c t i o nw i mt h ef o r m e rj e t b e c a u s eo fr e p e a t e df u e l w a l li m p i n g e m e n ta n d i n c r e a s e da i re n t r a l n m e n t ，i tw a gb e n e f i tt of u e lb r e a k u pa n de v a p o r a t i o n a n df o r m e d m o r eh o m o g e n e o u sm i x t u r e i n j e c t i o na n # ew a sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nm i x t u r e f o r m a t i o n ，i tw a sp r o v e dt h a t3 8d e g r e ew a gt h eb e s ti n j e c t i o na n g l e i nh i g ha m b i e n t p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ec i r c u m s t a n c e ，s p r a ya n g l ew a sb i g g e rt h a nt h a ti nn o r m a l a t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，a n dt h es p r a ys p r e a d i n ga r e aw a s s h r u n k , b u tf u e l e v a p o r a t i o nr a t ew a gh i g h e r ；t h ep a r e n ts p r a yw a gn o td i v i d e d ，b u ti t sd i r e c t i o ns w e r v e d i nc o n c l u s i o n ，t h en e wc h a m b e rw a gg o o da th o m o g e n e o u sm i x t u r ef o r m a t i o n k e yw o r d s ：d i e s e l ；f u e l w a l li m p i n g e m e n t ；f u e le v a p o r a t i o n ；m i x t u r ef o r m a t i o n ；n e w c h a m b e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密瓯 粼张惠盟益艚撕躲夕 嘲年月伯 叩年l m 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：庞盟盈 日期：2 朔年月6 日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着能源和环保问题的日益严峻，改善燃油经济性和降低排放成为内燃机行 业所面临的两大挑战。 石油是一种不可再生的化石燃料，随着全世界内燃机保有量的增加，作为内 燃机主要燃料的石油面临着日益短缺的严重问题。因此如何提高内燃机能源利用 率以及寻找替代燃料是内燃机行业面临的一个迫切问题。 现有内燃机的燃烧排气中含有许多危害人类健康的有害成分，其中包括氮氧 化物( , v o a 、未燃碳氢化合物但9 、一氧化碳( c 0 ) 、微粒物口m ) 等。随着人们对 环保问题的日益关注，各国制定了逐年严格的汽车排放法规，要求逐渐从低排放 到超低排放，甚至是零排放，这对内燃机行业的发展提出了严峻的挑战。 美国西南研究院的d a n i l 、d i c k e y 认为，在目前所用燃料及所能达到燃烧技 术的条件下，存在n o 的排放极限为1 5 9 h p - h r ( 见图1 - - 1 ) 。这便提出了一个问 题，迫使人们不得不开展探索内燃机新概念燃烧过程的研究。为了解决2 0 0 7 年以 后柴油机的排放问题，为了向零排放柴油机的目标前进，人们在过去的几年里进 一步深入研究了n o x 和碳烟的生成机理，探求新的燃烧技术。d a n i lw d i c k e y 认 为，解决n o 排放高的最好方式是令燃料在整个燃烧室内燃烧，即改变原来的扩 散燃烧方式，变为稀预混合燃烧方式【1 i 。 均质充量压缩着火( h c c i ) 燃烧方式被认为是最有可能满足未来排放法规的 燃烧方式，应用于柴油机上，能大幅度降低柴油机的n o x 和微粒( p m ) 排放，并 同时改善其燃油经济性，因而具有广阔的应用i j 景。 1 2h c c l 简介 当前内燃机的主要燃烧模式有2 种，一种是基于奥托循环的火花点火式燃烧， 一种是基于狄塞尔循环的压缩着火式燃烧。故内燃机分为火花点燃式内燃机s i ( 汽 油机) 和压燃式内燃机c i ( 柴油机) 。汽油机采用预混合均质燃烧，借助电火花 江苏大学硕士学位论文 点燃。由于汽油特性和爆震等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比， 从而使得其热效率比柴油机低得多，且产生大量的n o 和不完全燃烧产物。另外x 由于汽油机需要用节气门控制进气量，部分负荷时的泵气损失使机械效率降低。 汽油机的燃料利用率比柴油机低3 0 ，这就是传统汽油机难以克服的燃料利用率 极限。为了突破这一极限，人们一直在致力于缸内直喷技术的研究。近年来在分 层稀薄燃烧理论和控制技术方面有了很大的进步，但分层燃烧又带来了与柴油机 类似的微粒和d ，排放的增加。特别足由于排气中含氧很多，使成熟的三元催化 转换后处理技术难以应用，n o x 的排放水平达不到传统汽油机的技术水平，因而 限制了其广泛使用【2 l 。 0 0 0 lq 0 20 0 鳓0 0 5o 。0 0 7o 0 80 0 90 0a 1 1 p a 抟t l c u l a 1 芒【g t ( h l 爹h r j 图1 - 1 - , v o x 排放极限【1 j 传统的柴油机采用喷雾扩教燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近上止点时的高 温使混合气自燃着火。其化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃 烧快慢由混合扩散速率决定。由于喷雾与空气的混合时问很短，燃料与空气的混 合严重不均匀，形成了高温火焰区和高温过浓区。尽管柴油机燃烧室内气体平均 温度大约在1 2 0 0 - - 2 0 0 0 k ，平均空燃比在2 3 以上，但是由于柴油机是局部当量 比为l 的扩散控制燃烧过程，火焰温度高达2 7 0 0 k ，极有利于n o 生成，在高温x 过浓区，由于缺氧又生成大量碳烟。上述两种传统的燃烧方式存在着温度分布不 均匀的问题，即局部高温和整体平均低温【3 】。 均质充量压燃着火燃烧( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n h c c i ) ， 2 5 e 5 o 5 o 5 o s o 4 4 3 器2 2 1 0 o 一一_盎。盘盛秘一)coz 江苏大学硕士学位论文 是燃料、空气以及再循环燃烧产物所形成的预混合气被活塞压缩、自燃、着火燃 烧、做功的一种新型的燃烧方式。在h c c i 燃烧方式下，发动机具有保持高效率， 同时获得极低的污染物排放的极大潜力。h c c i 发动机可以具有与传统压燃式发动 机相当的高效率，并且本身所特有的均质、低温燃烧特性能大幅度的降低 矽。和 微粒排放【4 l 。从一定程度上说，h c c i 燃烧过程集中了火花点火汽油机和压燃着 火柴油机所分别具有的优点，有可能突破传统的内燃机燃料利用率的极限和排气 污染物降低的极限，成为一种替代的燃烧方式，因此成为国际上内燃机领域广大 研究者的研究热点。我国也在2 0 0 2 年列入国家重大基础研究发展规划。 1 3h c c i 研究历史及现状 均质充量压燃式作为内燃机燃烧方式，已经有二十多年的历史。关于h c c i 的 最早研究是1 9 7 9 年o n i s h i 【5 1 和n o g u e h i l 6 1 等人在一台二冲程发动机上发现的，当时 称之为活化热氛围燃烧( a t a c ) 。研究发现，该燃烧方式多点同时着火，没有火 焰生成，并且循环变动非常低；在低负荷工况下，在1 0 0 0 r m i n 到4 0 0 0 r m i n 的 转速范围内h c c i 都比传统的工作方式有更好的工作稳定性，燃油经济性和排放 也都有显著的改善。n o g u c h i 通过光谱分析研究发现，h c c i 燃烧过程中活化基以 一定的顺序出现；而s i 燃烧过程中几乎所有的活化基出现在火焰d 口锋面上 7 1 。l i d a 在1 9 9 4 年的实验表明，在二冲程发动机上用甲醇作燃料，h c c i 方式的工作范围 可以明显扩展。h o n d a 公司于1 9 9 7 年已开发了应用h c a 的二冲程发动机；i p f 公司也开发应用了h c c i 概念的二冲程发动机。在这两款发动机中，h c c i 被用来 改进部分负荷的稳定性和燃油经济性，减少h c 排放。 1 9 8 3 年n a j t 和f o s t e r 二人第一次在四冲程发动机上完成了h c c i 燃烧实验， 研究发现，h c c i 燃烧过程主要受化学动力学控制。其它的物理因素如湍流和混合 过程对h c c i 燃烧过程的影响非常小，可以忽略。n a j t 和f o s t e r 用一个简化的化学 反应动力学模型预测出放热量与气缸内温度、压力和物质的浓度相关 8 1 ；r y a n 和 c h a l l a h a n 通过改造一台单缸直喷柴油机继续了这项工作，发现通过改变压缩比、 e g r 和空燃比等措施能够很好地控制h c c i 运行，能够达到满意的效果【9 】。 1 9 9 2 年，s t o c k i n g e r 等人首次在实用的1 6 l v w 发动机上研究h c c i , 使发动机的 工作负荷范围从1 4 拓宽到3 4 1 1 0 l 。 3 江苏大学硕士学位论文 1 9 9 7 年，c h r i s t e n s e n ，j o h a n s s o n 等人采用异辛烷( 辛烷1 0 0 ) ，酒精( 辛烷值1 0 7 ) 天然气( 辛烷值1 2 0 ) 等3 种燃料进行h c c i 试验，结果表明高的辛烷值对于h c c i 燃烧方式是有益的1 1 1 i 。1 9 9 8 年，c h r i s t e i i s e n ，j o h a n s s o n ，a m n e u s 和m a l l s e 的研 究结果表明。采用增压可增加发动机使用h c c i 燃烧方式时的平均有效压力【1 2 1 。 1 9 9 9 年，c h r i s t e n s e n 等人的试验又证明了几乎所有的液体燃料都能用于可变压缩 比的h c c i 方式【1 3 1 。 然而完全意义上的h c c i 燃烧方式发动机目前处在基础研究阶段，投入使用的 时问很难预测。但是两种燃烧模式的发动机和准均质充量压燃( q h a 燃烧方式作 为向h c c i 过渡的发动机能够较快的投入使用。 1 9 8 9 年，t h r i n g 首次采用两种燃烧模式，即在大负荷使用s i 方式，在部分负 荷采用h c c i 方式【1 4 1 。 美国西南研究院也很早就开展柴油机“预混稀燃”的研究，试验装置如图 1 - 2 ”1 。利用类似于汽油进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中；为了使 柴油和空气加速混合，采用电加热进气管和e g r ：预混的稀混合气经压缩后多点 着火，消除了扩散燃烧，稀混合气降低火焰温度，可使n o 排放比普通柴油机减x 少9 8 之多，由于气缸内不存在局部混合气过浓区可使p m 的排放减少2 7 ，指 示热效率有所改善。 英国的赵华在r i c a r d o 发动机上对h c c i 进行了深入研究，通过可变气门 正时和可变凸轮升程改变缸内废气的含量，在中、小负荷范围内实现了h c c i 燃烧， 也给在大负荷工况下运行找到了可行的出口【1 6 1 。并且还发现，相对于烃类燃料而 言，醇类燃料燃烧的燃烧热效率较高。 上述研究结果表明，h c c i 方式既可用在二行程发动机上，也可用在四行程发 动机上，但应用的工作范围受到一定限制：h c c i 方式具有较商的热效率、低的n o x 和p m 排放及较小的循环变动等优点；采用增压可有效扩大发动机的稳定工作范 围并增大平均有效压力。h c c i 方式的主要问题足很雉在全部转速和负荷下控制着 火时间和相位；此外，该方式在大多数实验中使c o 和h c 排放增加。 4 江苏大学硕士学位论文 迸气预热 嚷油曩 图1 - 2 进气系统加热及废气再循环的h c c i 系统旧 1 4h c c l 的特点 h c c i 采用均质混合气在发动机中压缩燃烧，它不同于传统的点燃式或压燃式 发动机。 1 ，4 1 热效率 h c c i 通常具有很高的放热速率( 见图1 3 f 1 7 1 ) ，在一定的工况下，放热速 率可接近o t t o 循环；没有高温区和不发光的燃烧，使得热损失减小；故h c c i 发 动机有较高的热效率。 1 4 2 排放 研究h c c i 方式的主要原因之一在于它能明显减少某些有害物质的排放( 见图 1 4 【1 7 1 ) 1 n o l h c c i 方式由于燃烧室中没有高温区，能显著减小n q 排放。h c c i 是以较稀 的混合比、大e g r 燃烧，燃烧温度明显低于汽油机和柴油机，这不利于仇生成。 不过目( j i f n o , 排放减少的结论都是在部分负荷的条件下得出的，在相同过鞋系数 下，h c c i 对降低q 效果不大。 2 p m 目前的研究表明，采用h c c i 的p m 排放较低【r 丌。p m 减少的机理目前还不 十分清楚，也没有太多的文献讨论，不过大部分人认为燃油碰壁扩散燃烧和局部 浓混合区的减少都有效地抑制了p m 的生成。 5 江苏大学硕士学位论文 3 h c 和c o 人们普遍认为与传统的柴油机燃烧相比，h c c i 的c o 和p m 排放是增加的。 导致这种现象的原因之一是由于h c c i 才有较稀的混合气和较强的e g r ，缸内温 度较低，最终使得h c 和c o 的氧化率下降，排放增加。 曲轴转角矿c a 图1 3 规范化放热曲线【1 7 l 1 4 3 运行范围 发动机采用h c c i 方式运行受到失火( 混合气过稀) 和敲缸( 混合气过浓) 的 限制【l 明，失火信号一般用点火始点和最i 茼燃烧压力的急剧变动及功率迅速下降来 判别。敲缸用爆震仪来检测。压缩比、进气温度、e g r 等都会影响失火和爆震的 产生。目前h c c i 方式在二冲程发动机上主要应用在中低负荷工况区。 1 5 实施h c c i 的主要困难 尽管h c c i 技术在大幅度降低污染物排放方面，向我们展示了巨大的潜力， 但在其发展过程中始终面临巨大的困难，这些困难包括： 1 着火时刻的控制问题 与传统的汽油机或柴油机相比，在h c c i 燃烧过程中，混合气是依靠活塞的 压缩自燃着火，着火时刻与混合气在压缩过程中所经历的温度历程紧密相关，因 此缺乏直接控制着火时刻的手段。 2 如何将运行工况范围向高负荷扩展 为了控制h c c i 的燃烧速率以及控制_ d ，的排放，h c c i 燃烧的燃料必须使 6 江苏大学硕士学位论文 用稀释的混合气，这就限制了h c c i 的工作范围。高负荷下h c c i 发动机面i 临的 主要问题是，燃烧速度和强度难以控制，燃烧噪音过大，易导致发动机损坏，同 时n o 的排放也会急剧增加。, 3 h c 和c o 排放的控制问题 h c c i 燃烧本身的均质和低温特性，引起相对较高的h c 和c o 排放，并且 在较低的排气温度下也不利于采用后处理装置来减少h c c i 发动机的h c 和c o 的 排放。 2 d 岔l j 毫l d 粤 占0 5 置 0 0 5 01 0 0 1 2 51 5 0 负荷脯 图l - 4 n o , 排放【1 7 l 1 6h c c l 均质混合气的制备 1 6 1 h c c i 中混合气制备的意义 h c c i 的关键技术有均质混合气的制备和着火相位的控制。其中，制备出均匀 的混合气是实现h c c i 燃烧的基础。 混合气的制备直接关系着h c 排放问题，对混合气的着火以及整个燃烧过程也 都有很大影响。日本交通安全与公害研究院在柴油机上进行均质压燃的研究是把 柴油燃料分为两部分，一部分在进气道内喷射形成均匀混合气引入气缸，另一部 分在压缩上止点前直接喷入缸内引燃缸内混合气。实验研究表明，随着均匀混合 气燃料比例的增加，n o 和烟度排放均明显降低，在均匀混合气比例接近时，,9 9 n o , 排放减少到1 o e - o s ( 图1 5 ) 【1 9 l 。有效的混合气制备、减少燃料在燃烧室壁面 的附着是减少燃油消耗、h c 和颗粒物排放的关键。 7 江苏大学硕士学位论文 6 锄 。， 2 兰带射 萎3 嚣 塞2 l l 射 3 2 ， 楚 、 型 i o 0静：昏幸60 霉 l 由 佘h ，协 图l _ _ 5 q 与烟度排放随预混合燃料比例的变化【1 9 l 1 6 2 混合气的制备方法 目前采用的混合气制备方式主要可分为进气道喷射和缸内喷射两大类。按喷 射相位不同，缸内喷射又可分为缸内早喷和缸内迟喷。 1 进气道喷射 这是一种最简单也最常见的方法，即进气门开启时引入燃油，在进气行程中 将混合气喷入气缸，但这种方法不能用喷射时间来控制燃烧反应的开始。早期的 研究中多采用这种方法制备混合气，最早进行h c c i 研究的美国西南研究院曾采用 这种方法引入混合气，其试验装置图如图l 2 【1 5 1 。燃料在进气道喷出后与空气形 成均匀的混合气，进气门开启时混合气进入缸内压缩、着火。进气道喷射对于挥 发性较好的轻质燃料比较适合，但对于重质燃料，由于较差的挥发性以及壁面撞 击，采用此方法将导致较高的h c 和c o 排放以及燃油消耗的增加。 2 缸内早喷 缸内早喷，即缸内提前喷射，是指在压缩冲程早期将燃料直接喷入缸内，经 过一个较长时期的混合，在着火前形成均匀的混合气。由于柴油燃料密度大，而 压缩冲程早期缸内空气密度较小，高密度的柴油喷入低密度的环境中贯穿度较大， 因而燃油撞壁现象严重，这会降低燃油的雾化与混合，进而导致排放增加、油耗 增加等一系列问题。为了改善燃料的雾化与混合，曾怨了多种办法：改进喷油器 设计、改变燃烧室形状、适当组织缸内气流等。试验证明这些方法均能在一定程 度上改善柴油的雾化与混合。 缸内燃油早喷成功应用于产品的典型代表是日本丰田公司的u n i b u s 燃烧系 统，它已于2 0 0 0 年在日本的一定车型上应用【2 0 l 。该燃烧系统的混合气形成由2 r 江苏大学硕士学位论文 次燃油喷射完成，首次燃油喷射在上止点前5 0 度，第二次喷射在上止点后1 3 度。 两次喷射的燃油量各为总量的5 0 ，其中第二次喷射的燃油主要用于再次触发第 一次喷射形成的混合气的放热，与无第二次喷射的情况对比，可明显改善第一次 喷射的热效率，并使h c 排放由5 e - 0 3 降至2 e - 0 3 以下，c o 排放由大约8 e - 0 3 降至2 e - 0 3 。尽管第二次喷射使n o , 排放由原来的接近零排放有所上升，但在日本 的u n i b u s 试验模式下仍低于7 e - 0 5 。u n i b u s 燃烧系统是采用常规供油系统和柴 油机硬件系统实现准h c c i 成功模式。 3 缸内迟喷 缸内迟喷，即缸内滞后喷射，是燃油在接近上止点或上止点之后喷入燃烧室， 避免了燃油对壁面的撞击且对燃烧进程有一定程度的控制，但是由于使用大的 e g r 率和低的压缩比，缸内可能会出现混合气分布不均。 成功应用缸内迟喷的是日本尼桑公司的m k ( m o d u l a t e 姐k i n e t i c s ) 燃烧系统。这 种方法在接近压缩上止点时或上止点后喷油，采用低压缩比、大涡流和大的e g r 率来延长滞燃期，使滞燃期大于喷油持续期，实现预混合燃烧。这种方法燃料的 混合时问很短，因此混合气并不完全均匀，只是一种准均质燃烧。但其n o , 和颗 粒物排放却很少。目前尼桑公司在低负荷时采用m k 燃烧，大负荷时采用传统的 柴油机燃烧模式f 2 1 1 来解决大负荷问题。这2 种燃烧模式是目i ； 完全意义的h c c i 发 动机实现尚有困难的情况下一个较好的臂代方案。 此外，在改善燃油与空气的雾化与混合方面，天津大学内燃机燃烧学国家重 点实验室设计的b u m p 燃烧室( 图l 6 ) 在燃烧室油束撞击处的下方设置一限流 沿( b u m p ) 将油束从燃烧室壁面剥离，形成二次射流，扩大了燃油与空气的接 触面积，能大大加快混合气的混合速率，有效地改善了混合气的雾化和混合，形 成比较均匀的混合气1 2 1 1 图l 6 天津大学的b u m p 燃烧室喷雾射流示意图 总的说来，h c c i 燃烧技术的研究在整个世界范围内进行，但困难重重，尽管 9 江苏大学硕士学位论文 研究者付出很大的努力，却很少有h c c i 燃烧系统成功地应用于商业柴油机上。其 中r 本n e wa c e 研究所的p r e d i c ( p r e m i x e dl e a nd i e s e lc o m b u s t i o n ) 和 m u l d i c ( m u l t i p l es t a g ed i e s e lc o m b u s t i o n ) 燃烧系统、日本尼桑公司开发的m k ( m o d u l a t e dk i n e t i c s ) 燃烧系统、日本丰田公司开发的u n u s 燃烧系统、m a t s u o o d a k a z u 等人提出的h c d c 燃烧系统、日本三菱y o s h i n o r il w a b u c h i 等人提出的 p c i ( p r e m i x e dc o m b u s t i o ni g n i t e dc o m b u s t i o n ) 燃烧系统，取得了一定的成功。我 国在内燃机新概念燃烧理论方面也做了许多相关的研究工作。大连理工大学的胡 国栋教授九十年代初提出的伞喷闪急蒸发混合控制燃烧理论，就与日本n i s s a n 公 司的m k 燃烧过程的基本思想一致。天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室苏万 华教授提出的柴油机b u m p 限流沿h c c i 复合燃烧技术是一种新的实现柴油机 h a c i 燃烧过程的技术途径，解决了h c c i 燃烧过程没有解决的可控着火问题，是 柴油机实现h c c i 燃烧的切实可行的技术途径。 1 7s 1 a r - c d 简介 内燃机缸内气流运动、喷雾及燃烧过程的改善是降低排放和改善柴油机性能 的莺要方面，数值模拟是揭示其详细物理过程的重要手段。因数值模拟具有成本 低、速度快、资料完备以及模拟真实条件和理想条件的能力，其应用日益广泛。 最近二十年来用于流动与传热数值模拟的商业软件市场也有了很大的发展，先后 出现了像p h o e n i c s ，f l u e n t , s t a r - c d ，c f x , f l o w - 3 d 等大型通用软件。同时 还涌现出一批针对某一类目的或过程的专用软件，如适用于电子器件冷却计算的 软件f l o w - t h e r m ，用于分析内燃机内流动和传热的k i v a ，计算聚合物流场的 p o l y f l o w ，预测燃烧过程的s m a r t - f i r e ，及生成网格( i ； 处理) 的i c e m c f d ， 和处理计算结果( 后处理) 的t e c p l o t 等。 s 1 ：a r c d 这一软件名称的静半段系英语s i m u l a t i o no ft u r b u l e n tf l o wi n a r b i t r a r yr e g i o n 的缩写，连字符后的c d 足开发商c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 的简称。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面，采用非结构化 网格，单元的形状可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、会字塔形的锥 体及六种形状的其它多面体。它可以与目i ；i 通用的c a d c a e 软件相连接，如 a n s i s ，i - d 队s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。s t a r - c d 还可以处理滑移网格的问 江苏大学硕士学位论文 题，可用于多级透平机内的流场计算。在差分格式方面，纳入了一阶迎风、二阶 迎风，中心差分，q u i c k 格式以及将一阶迎风与中心差分或q u i c k 等掺混而成 的混合格式。在压力与速度耦合关系的处理方面可选择s i m p l e ，p i s o 以及称之 为s i m p i s o 的算法( 一种借用了p i s o 算法中处理非正交坐标系中压力梯度项 处理方法的s i m p l e 算法) 。其中s i m p l e 及s i m p i s o 适用于稳态，而p i s o 可 用于稳态及非稳态计算。在处理边界条件方面，可以处理给定压力的边界条件， 周期性边界，辐射边界等复杂情形。在湍流模型方面纳入了标准x 8 、r n gi c - e 及 c h e n 氏k 等湍流模型。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动，牛顿流体及 非牛顿流体的流动，多孔介质的流动，亚音速及超音速的流动，涉及导热、对流 与辐射换热的流动问题，涉及化学反应的流动与传热问题及多相流( 气液，气，固， 固液) 的数值分析。因其计算和分析时间短，所需内存容量小，且可以自动生成 非结构化网格，目d 口广泛应用于发动机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领域的分析。 1 8 本课题的提出及主要研究内容 为了实现发动机的清洁、高效燃烧，国内外科研工作者都将h c c i 燃烧作为柴 油机研究的重点。国内外已有的h c c i 燃烧系统各有各的优点，也存在很多问题， 为此，笔者作为一名内燃机工作者，在总结他人经验教训的基础上也进行了自己 的研究，愿为内燃机的发展尽一份绵薄之力。 c f d 是内燃机工作者研究内燃机中流动、燃烧、传热问题的一种有效工具。 本课题主要利用了大型c f d 软件s t a r c d ，对柴油机燃烧室内油气混合过程 进行三维数值模拟，研究了燃油喷雾撞壁混合气形成的发展历程，讨论了不同喷 孔直径、喷射角度、缸内气体的温度、压力等多种因素对燃油喷雾撞壁特性以及 混合气形成过程的影响，为如何利用燃油喷雾撞壁过程对燃烧室进行优化设计提 供了可靠的依据。 本文的主要研究内容： 1 对燃油平板撞瞳过程进行研究。研究燃油，平板撞壁混合的发展历程，另外 研究了不同喷射角度、气体压力和温度对燃油撞壁特性的影响，重点研究碰壁后 液滴的性质变化。 2 对设计开发的新型燃烧室内燃油撞壁混合气的形成过程进行研究，并与燃 1 1 江苏大学硕士学位论文 油平板撞壁的特性进行比较，重点研究改变碰壁区的几何形状，对燃油空气混合 气形成的影响；另外研究了不同喷射角度、气体压力和温度对燃油撞壁特性的影 响。 江苏大学硕士学位论文 第二章燃油喷射碰壁雾化数学模型以及物理模型 2 1 数学模型 2 i i 控制方程的理论基础 流体流动要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、 动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分的混合或相互作用，系 统还要遵守组分守恒方程。如果流动处于湍流状态，系统必须遵守附加的湍流输 运方程。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。 i 质量守恒方程 孥+ v 瓴“，= v 。【趔( 告) 】 c 扛t ， 2 动量守恒方程 掣+ v = 一砉即一v ( ；寸v 席。猢， 3 能量守恒方程 掣+ v 咖，) | 一胛u - v 1 + 伊 ( 瑚) 4 理想气体状态方程 p r o t ( 靠既) ( 州。善【告) ，刺 c 撕， 丸仃) = ，。( t ) + r o t i 耽 ( 2 _ _ 6 ) 式中，成、p 分别为组分小的密度、总密度；h 为气流速度：d 为扩散系数； p 、t 、，、h 分别为气体的压力、温度、比内能、比焓；岛为通用气体常数；矸0 为 组分小的分子量；k 、s 分别为湍流动能及湍流动能的耗散速率：g 为比体积力；口 为与压力梯度有关的量：盯为粘性应力张量，取为牛顿形式；j 为热力矢量，是热 江苏大学硕士学位论文 传导和焓扩散的总和。 仃一p “一( v “) rj + 五一“皿 ( w ) “一胛卜加v ( 告) c 瑚， 其中：，旯为第1 和第2 粘性系数；k 为导热系数；e 为单位张量；上标f 表示转置。 2 1 2 湍流模型 湍流足当今世界上的科学难题之一，而内燃机气缸中的湍流是一种高度不定 常湍流，对它的本质认识很肤浅，也没有成熟的理论可循，只知道湍流足涡的不 断产生、发展、分解和消失的过程，因此在多维数值模拟中对湍流的描写都是建 立在各种各样的模型基础上的。 内燃机缸内流动的多维数值模拟的实质是对可压缩粘性流体的n s ( n a v i e s - s t o k e s ) 方程进行数值解。完全模拟是用非定常n - s 方程来对湍流进行直接计算的 方法。用该方法进行计算时，必需采用很小的时问步长和空间步长，目前计算机 的运行速度和内存容量远远达不到计算要求。大涡模拟是把涡分为大尺度涡和小 尺度涡，大尺度涡是高度各向异性的，小尺度涡是各向同性的，大尺度涡从主流 中获得能量并传递给小尺度涡，在小尺度涡中把能量消耗掉，用 e 定常n - s 方程 直接模拟大尺度的涡，而不直接计算小尺度涡，小尺度涡对大尺度涡的影响用近 似的模型来考虑，以减少对计算机内存的要求。而雷诺时均方程法，则是将非定 常控制方程中的参量对时由j 作平均，在所得出的关于时均参量的控制方程中，引 入脉动量乘积的时均值等未知量，使所得方程式的个数少于未知数的个数。湍流 模型的目的就足提供合理的方程，使方程组封闭。雷诺时均方程法又呵分为雷诺 应力方程法和湍流粘性系数法，其中湍流枯性系数法较为常用，湍流粘性系数法 根据补充的微分方程个数，分为零方程模型、二方程模型、两方程模理和多方程 模型，目前，在内燃机缸内流动的多维模拟计算中，主要应用两方程模哩。 s t a r c d 提供一方程模型、标准k 一占模型、r n g k 一占模型、高阶非线性及 c h e n 氏系列k 一占模型、k - i 、l e s 大涡模型等湍流模式，同时提供了用于解算高精 度流动的k 一0 3 模型和雷诺微分应力模型。用户也可以进行二次歼发。 1 4 江苏大学硕士学位论文 由十在模拟柴油机缸内喷舅非稳念流堙击遮柳市有两应 雯翠，流线衄翠焚化 程度较大的流动问题时，r n g t 一譬模型表现较为优越，并且在内燃机缸内流场 计算中应用广泛阎，故作者选用r n g k 一占湍流模型。 r n gt 一占模型的湍动能k 和耗散率f 方程为如下形式： 去砉c 跏，+ 考c ，卜等寺叫妒+ b 卜声一詈卜等+ 肛) 等沼 专砉c 庙，+ 毒( 厕p 等毒) i c ，- 詈卜一弘等+ 肚，等】 峨，沙t ：p 譬吒班等一警譬 ( 2 1 0 ) 这里 ，= s 鲁 s - ( 知口勘) ；公式所涉及的经验系数，其值见表扛l 。 表2 _ 一lr n gk 一占湍流模型系数 c c r io e吒盯_c dc 。2c ，c s 4c 巧 re i 。9o - 7 51 1 5o 90 9 1 1 5 1 90 0 0 r 1 4- 0 3 30 2 5 0 4 1 5 39 o 注：当日 o 时，c 。3 = 1 4 ；其它c 。3 = o d b 斯波尔丁和s v 帕坦卡把流体流动、传热传质和燃烧过程的控制微分方程 组写成如下的通用形式： 型o t + d i v ( p v ) 一枷叽胛d ) + s ( 2 - - 1 1 ) 式中表示通用变量，0 是扩散系数，s ，是源项，对于的特定定义，l 和s 有特定的形式。 上述通用微分方程中的四项分别是不稳定项、对流项、扩散项和源项。因变 量可以代表不同的物理垦