柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧机理研究

柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧机理研究目录第1章绪论第2章数值计算理论根底第3章定容弹近壁液膜宏观特性可视化试验研究第4章定容弹壁面液膜特性的数值研究第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究第6章全文总结及展望第1章绪论高原环境下柴油机易出现：1.燃烧性能恶化2.动力性下降3.油耗上升4.排放增加5.增压器性能恶化等课题研究背景及内容现象原因海拔5000m相比0m，大气压力下降53%空气密度下降60%温度下降20℃随海拔增加，柴油机缸内进气密度降低，混合气形成恶化，撞壁程度加剧，进而导致燃烧恶化针对海拔〔介质密度〕对燃油撞壁的影响进行研究，并研究分析壁面液膜的燃烧机理，为改善柴油机高原下燃烧性能提供理论支撑和指导。内容如下：1.在定容弹中进行了某大缸径柴油机的近壁液膜宏观特性可视化试验研究2.在FIRE中建立了定容弹撞壁喷雾的三维数值计算模型3.在FIRE中建立了模拟柴油机燃烧过程的三维数值计算模型研究内容第2章数值计算理论根底模型分类二次破碎燃烧撞壁着火壁面液膜蒸发模型选择WaveEDCB-GShellCombined三维数值计算模型选择（a）粘附

（b）反弹（c）摊布

（d）沸腾导致破碎（e）反弹后分裂

（f）破碎

（g）飞溅B-G模型简介第3章定容弹近壁液膜宏观特性可视化试验研究试验装置试验装置示意图定容弹加压装置高速摄影仪实际燃烧室定容弹满足1000K，6MPa试验要求；加压装置可精确调节200MPa以下的喷油压力；高速摄影仪的1024╳1000分辨率@20000fps第3章定容弹近壁液膜宏观特性可视化试验研究海拔对壁面液膜宏观特性的影响喷油压力对壁面液膜宏观特性的影响海拔/m030004500随海拔增加，最大撞壁扩散直径逐渐增大，撞壁时刻越早喷油压力/MPa6080100随喷油压力增加，最大撞壁扩散直径逐渐增大，且差异较大0.8ms0.8ms2.2ms2.2ms喷孔直径对壁面液膜宏观特性的影响撞壁角度对壁面液膜宏观特性的影响喷孔直径mm0.250.320.40随喷孔直径增加，最大撞壁扩散直径逐渐增大，但差异较小撞壁角度/°708090随撞壁角度增加，下扩散直径逐渐增大，上扩散直径变化不大0.8ms0.8ms2.2ms2.2ms第3章定容弹近壁液膜宏观特性可视化试验研究撞壁距离对壁面液膜宏观特性的影响撞壁距离/mm576576随撞壁距离增加，撞壁直径逐渐减小，且减小较明显0.8ms2.2ms第3章定容弹近壁液膜宏观特性可视化试验研究垂直撞壁喷雾扩散直径经验公式倾斜撞壁喷雾扩散直径经验公式1.拟合结果与试验数据吻合较好，说明拟合经验公式可用来预测喷雾撞壁扩散直径。2.从经验公式可以看出，压力差∆p对扩散直径的影响较大。第4章定容弹壁面液膜特性的数值研究数值模型的建立与验证撞壁喷雾定容弹模型油束开展形态根本类似，说明二次破碎模型wave标定准确；撞壁时刻结果根本一致，均发生在0.5ms，且撞壁后喷雾沿壁面的开展根本相似，说明撞壁B-G模型标定准确。因此，可以认为本仿真模型的数值计算结果可靠可信。模型半径50mm高度60mm网格数量为129600网格尺寸为喷孔直径的5倍海拔对空间燃油蒸发量的影响海拔对撞壁燃油量的影响海拔对附壁燃油量的影响1.海拔4500m下空间燃油蒸发量最低2.海拔越高，燃油撞壁量越大，撞壁时刻越提前3.海拔越高，附壁燃油量越大。3.0ms时，海拔4500m下附壁液膜质量比海拔0m多5.0%第4章定容弹壁面液膜特性的数值研究

海拔〔定容弹背压〕对壁面液膜特性的影响海拔对附壁液膜面积的影响海拔对附壁液膜厚度的影响1.随着时间的变化，附壁液膜面积呈先增加到最大值后减小的变化趋势2.同一喷油压力（60MPa）下，海拔越低，喷孔内外压差越大，壁面液膜面积也越大。海拔4500m下最大液膜面积分别比3000m、0m下多6.7%、10.3%。1.附壁液膜平均厚度随时间呈逐渐增加的趋势，其增加速度先急后缓2.在约2.2ms以后，平均液膜厚度差异不明显，其最大值均约为3.1um，但这并不能说明海拔对液膜厚度的影响不大第4章定容弹壁面液膜特性的数值研究

海拔〔定容弹背压〕对壁面液膜特性的影响喷油压力对空间燃油蒸发量的影响喷油压力对撞壁燃油量的影响喷油压力对附壁燃油量的影响1.喷油压力越大，空间燃油蒸发量越大。喷油压力100MPa下空间燃油蒸发量的最大值比60MPa高约2.0%2.在约1.5ms前，喷油压力越大，燃油撞壁量、附壁量越大，这主要是受喷油速度的影响第4章定容弹壁面液膜特性的数值研究

喷油压力对壁面液膜特性的影响喷油压力对附壁液膜面积的影响喷油压力对附壁液膜厚度的影响1.随时间的推移，附壁液膜面积呈先逐渐增加至最大值后逐渐减少的趋势2.喷油压力100MPa、80MPa、60MPa下附壁液膜面积最大值分别为7.8cm2、6.9cm2、6.3cm2，前者比后两者分别大13.0%、23.81.附壁液膜厚度呈先快速增加后缓慢增加的趋势2.喷油压力100MPa、80MPa、60MPa下附壁液膜厚度的最大值分别约为3.02um、3.15um、3.10um第4章定容弹壁面液膜特性的数值研究

喷油压力对壁面液膜特性的影响第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究柴油机实际工作过程三维模型的建立与验证缸内平均压力的仿真值和试验值比照参数数值缸径/行程(mm)150/160连杆长度/mm300压缩比13.5喷油量/mg235喷孔直径/mm0.32燃烧室根本参数缸内平均压力的仿真值与试验值吻合良好，最大爆发压力误差仅1.6%，发生时刻相差仅约1°CA。说明仿真结果可靠燃烧室计算网格海拔对空间剩余液态燃油量的影响海拔对空间燃油蒸发量的影响1.在-20°CA到20°CA范围内，随着曲轴转角的增加，空间剩余液态燃油量从0开始先后经历了先增加、再减少、后降低为0的过程2.海拔越高，空间剩余液态燃油量越大，海拔0m、3000m、4500m下其最大值分别为69.8mg、98.0mg、110.7mg1.空间燃油蒸发量的变化趋势基本相同，大致均呈先缓慢增加、再快速增加、后缓慢增加至保持不变的变化趋势2.海拔越高，蒸发量越低。海拔0m、3000m、4500m下空间燃油蒸发量最大值分别约为234.0mg、230.0mg、220.0mg第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究海拔对撞壁液态燃油量的影响海拔对附壁燃油量的影响1.海拔越高，燃油撞壁时刻越提前，撞壁燃油量增加速度越快，燃油撞壁量越大2.海拔0m、3000m、4500m下燃油撞壁量最大值分别约为1.0mg、5.0mg、15.3mg，分别占总喷油量的0.4%、2.1%、6.5%，海拔4500m是海拔3000m的约3.1倍，海拔0m可忽略不计1.燃油撞壁后，随曲轴转角增加，附壁燃油量呈先快速增加、再缓慢增加至最大值、后缓慢下降至几乎为0的趋势2.附壁燃油量的最大值分别约为0.9mg、4.5mg、14.1mg，分别占总喷油量的0.4%、1.9%、6%，这与撞壁燃油量最大值分别相差0.1mg、0.5mg、1.2mg第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究海拔对液膜面积的影响海拔对液膜厚度的影响海拔对附壁液膜蒸发量的影响1.液膜面积、平均液膜厚度呈先逐渐增加后逐渐减小至几乎为0的趋势2.附壁燃油蒸发量随曲轴转角的变化规律，其呈逐渐增加的趋势，最大附壁燃油蒸发量分别为0.8mg、4.5mg、13.6mg，与最大附壁燃油量分别相差0.1mg、0mg、0.5mg第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究曲轴转角/°CA4500m3000m0m-5010601.随海拔增加，燃油附壁面积逐渐增加2.从撞壁及附壁位置来看，最先撞壁的位置出现在燃烧室凹坑侧壁中部，这受到发动机转速、喷油系统参数〔喷油时刻、喷油角度以及喷油压力〕等方面的综合影响3.从厚度分布来看，液膜根本呈中心较厚、沿中心向外延伸的方向逐渐变薄的趋势，但在上止点20°后，液膜的厚度分布那么随着液膜面积的增加而逐渐向均匀分布的趋势开展，直至液膜逐渐消失第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究不同海拔下液膜位置分布海拔(m)030004500燃烧始点（°CA）-8-6.5-5滞燃期（°CA）1213.515燃烧持续期（°CA）5769.570阶段“Ⅰ”放热比例（%）363127阶段“Ⅱ”放热比例（%）545453阶段“Ⅲ”放热比例（%）1015201.随海拔增加，滞燃期逐渐延长。海拔4500m下滞燃期比海拔0m高约3°CA2.随海拔增加，阶段“Ⅰ〞放热比例逐渐减小。海拔4500m的预混比例最小，不到30%，比海拔0m少约9%3.随海拔增加，阶段“Ⅲ〞放热逐渐增加。海拔4500m的放热比例最大，比海拔0m大约10%随海拔增加，最高爆发压力逐渐增加。海拔4500m的最高放热率比海拔0m高约6%第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究不同海拔下放热率随曲轴转角的变化喷油压力对空间剩余液态燃油量的影响喷油压力对空间燃油蒸发量的影响1.喷油压力越大，空间剩余液态燃油量越小，最大值出现的时刻也越早。喷油压力100MPa、80MPa、60MPa下其最大值分别为66.1mg、85.8mg、110.7mg，分别占总喷油量的28.1%、36.5%、47.1%1.喷油开始后，喷油压力越大，空间燃油蒸发量越大，喷油压力100MPa、80MPa下其燃油蒸发量最大分别比60MPa高约134.5mg、68.4mg，对应时刻均约为-1.5°CA2.喷油压力100MPa、80MPa、60MPa下空间燃油蒸发量最大值分别约为206.5mg、215.2mg、220.0mg第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究喷油压力对撞壁液态燃油量的影响喷油压力对附壁燃油量的影响1.喷油压力越大，燃油撞壁量越大，燃油撞壁时刻越提前，撞壁燃油量增加速度越快。喷油压力100MPa、80MPa、60MPa下燃油撞壁量最大值分别约为29.4mg、18.1mg、15.3mg，分别占总喷油量的12.5%、7.7%、6.5%1.附壁燃油量呈先快速增加、再缓慢增加至最大值、后缓慢下降至几乎为0的趋势2.喷油压力越大，附壁量越大。附壁燃油量的最大值分别约为26.3mg、16.3mg、14.1mg，分别占总喷油量的11.2%、6.9%、6%第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究喷油压力对液膜面积的影响喷油压力对平均液膜厚度的影响喷油压力对附壁燃油蒸发量的影响1.液膜面积、平均液膜厚度呈先逐渐增加后逐渐减小的趋势。喷油压力100MPa、80MPa、60MPa下最大液膜面积分别约为68cm2、55cm2、50cm22.附壁燃油蒸发量呈逐渐增加的趋势。喷油压力100MPa、80MPa、60MPa下最大附壁燃油蒸发量分别为24.5mg、15.9mg、13.6mg，与最大附壁燃油量分别相差1.8mg、0.4mg、0.5mg第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究曲轴转角/°CA60MPa80MPa100MPa-5010601.随喷油压力增加，燃油附壁面积逐渐增加2.从附壁位置来看，随着曲轴转角的增加〔活塞下移过程〕，附壁位置由中部向上下方向扩展，且附壁液膜向上方开展要快于下方，这种情况在喷油压力100MPa下尤为明显3.从厚度分布来看，液膜根本呈中心较厚、沿中心向外延伸的方向逐渐变薄的趋势，但在上止点20°后，液膜的厚度分布那么随着液膜面积的增加而逐渐向均匀分布的趋势开展，直至液膜逐渐消失第5章柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究不同喷油压力下液膜位置分布不同喷油压力下放热率随曲轴转角的变化喷油压力（MPa）1008060燃烧始点（°CA）-8.5-7.5-5滞燃期（°CA）11.512.515燃烧持续期（°CA）86.574.570阶段“Ⅰ”放热比例（%）383627阶段“Ⅱ”放热比例（%）355053阶段“Ⅲ”放热比例（%）2714201.随喷油压力增加，滞燃期逐渐缩短2.随喷油压力增加，阶段“Ⅰ〞放热比例逐渐增加。喷油压力80MPa的预混比例为36%，比60MPa多约9%3.随喷油压力增加，阶段“Ⅲ〞放热比例先