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MULINBUMP复合燃烧过程中物理、化学因素耦合作用的研究

作　者: 张晓宇
导　师: 苏万华
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 混合速率均质压燃低温燃烧复合燃烧废气再循环当量比-温度图数值模拟
分类号: TK401
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在能源、环境和(贵金属)资源的多重压力下,低温燃烧成为研究焦点。但柴油燃料粘度高、挥发性差、自燃温度低(十六烷值高)的特性,使得柴油HCCI燃烧中混合气的制备相当困难,快速的混合速率是实现HCCI燃烧的根本保障。引入EGR后,燃烧后期的混合速率决定uHC的氧化和CO向CO2转化的程度,燃烧中后期高的混合速率是实现发动机高效燃烧的基础。因此,全燃烧历程高混合率的实现是新概念燃烧研究中的核心。本文基于课题组前期研究工作提出的MULINBUMP复合燃烧概念,以CFD数值模拟为主,辅之于实验研究、激光诊断技术,对新概念燃烧条件下所涉及的复杂的物理、化学过程进行了探索。得到的主要结论有:定容装置内的PLIF测试和数值模拟研究表明,在早喷条件下,缸内压力、温度较低,对应的缸内密度也低,燃油贯穿度大,“湿壁”现象明显,限制预混燃烧的运用。基于脉冲模式调制的喷油策略可有效地缓解该问题,通过不同的喷油模式在缸内形成不同的浓度、温度分层,有效控制预混燃烧的着火和燃烧过程。脉冲模式优化的核心应围绕消除燃油的湿壁和控制燃油在缸内的分层来进行。在BUMP燃烧室研究基础上创新性地提出具有高混合率的导流沿型燃烧室。数值模拟结果显示:燃油撞壁后,不同燃烧室结构会引导出完全不同的流场结构。导流、突变结构形成的二次射流在缸内诱导出一对旋向相反的涡团。涡团大小与结构本身的几何尺寸具有相比拟的尺度。在导流沿燃烧室中,燃烧过程由壁面射流的“半表面”燃烧转为二次空间射流时的“全表面”燃烧。中后期燃烧得以强化,在NOx排放基本保持不变的条件下,碳烟的氧化过程明显增强,相比原始ω燃烧室,导流沿燃烧室中碳烟排放下降高达55%。EGR延长τchem(化学因素)实现低温燃烧,NOx和碳烟排放明显降低。高EGR率条件下的低温燃烧为快速预混燃烧和相对较慢的扩散燃烧两阶段放热过程。在扩散燃烧阶段,混合效率低,燃烧持续期长,燃烧效率低。因此,增加预混燃烧的比例或进一步促进燃烧后期的混合速率是低温燃烧实现高热效率的关键。综合运用喷油策略(物理因素)协调控制形成MULINBUMP复合燃烧可以取得NOx、碳烟和热效率三者之间较好的折衷,且可使发动机的负荷得到明显的拓展。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-36
  1.1 能源危机与环境保护  9-15
    1.1.1 石油供应矛盾日益突出  9-12
    1.1.2 环境保护形势严峻  12-15
  1.2 应对措施与技术方案  15-22
    1.2.1 尾气后处理技术方案  15-19
    1.2.2 新概念燃烧技术方案  19-22
  1.3 新概念低温燃烧研究进展  22-34
    1.3.1 Φ-T 图的介绍  22-23
    1.3.2 Φ-T 图与各种燃烧方式之间的关系  23-27
    1.3.3 低温燃烧研究的近况  27-34
  1.4 本课题的研究内容和意义  34-36
第二章 MULINBUMP 复合燃烧系统总体研究方案的确定  36-46
  2.1 基本研究思路及方案的确定  36-37
  2.2 激光诱导荧光测试系统构造与原理  37-41
    2.2.1 PLIF 实验装置介绍  38-40
    2.2.2 图像数据处理原理  40-41
  2.3 MULINBUMP 复合燃烧系统构造与原理  41-45
    2.3.1 单缸柴油复合燃烧实验系统  41-43
    2.3.2 MULINBUMP 复合燃烧热力学分析方法  43-45
  2.4 本章小结  45-46
第三章数值模拟基础  46-75
  3.1 引言  46-47
  3.2 基本守恒方程  47-49
    3.2.1 连续相（主流）基本守恒方程  47-48
    3.2.2 离散相（液相燃油）基本方程  48-49
  3.3 RNG 湍流模型  49-50
  3.4 喷雾子模型  50-59
    3.4.1 喷嘴模型  50-53
    3.4.2 破碎模型  53-54
    3.4.3 雾化模型  54-56
    3.4.4 撞壁模型  56-58
    3.4.5 燃油沸腾蒸发模型  58-59
  3.5 燃烧子模型  59-64
    3.5.1 简化的燃烧模型  59-64
  3.6 排放物生成子模型  64-67
    3.6.1 NOx 生成机理  64-66
    3.6.2 碳烟生成机理  66-67
  3.7 CFD 子模型的标定  67-74
    3.7.1 网格依赖性的研究  67-71
    3.7.2 喷雾子模型的标定  71-72
    3.7.3 燃烧及排放模型的标定  72-74
  3.8 本章小结  74-75
第四章脉动喷雾对预混燃烧控制机理的研究  75-94
  4.1 Φ-T 图的完善及提高热效率途径的思考  75-76
  4.2 脉动喷雾对预混燃烧控制机理的研究  76-86
    4.2.1 早喷条件下喷雾特性的研究  76-78
    4.2.2 脉冲模式调制对预混燃烧（PCCI）过程影响的研究  78-86
  4.3 MULINBUMP 复合燃烧放热特征及其对排放和热效率的影响  86-91
    4.3.1 MULINBUMP 复合燃烧的放热特征与排放分析  87-89
    4.3.2 MULINBUMP 复合燃烧效率、散热损失和热效率的讨论  89-91
  4.4 本章小结  91-94
第五章高混合速率燃烧室的开发研究  94-121
  5.1 高混合速率燃烧系统研究的必要性及发展概况  94-96
  5.2 高混合速率限流沿（BUMP）燃烧室的开发研究  96-100
    5.2.1 限流沿（BUMP）燃烧室的设计依据  96-99
    5.2.2 限流沿（BUMP）燃烧室的设计参数  99-100
  5.3 新概念导流沿燃烧室的开发研究  100-103
    5.3.1 定容条件下喷雾撞壁混合过程的模拟研究  100-102
    5.3.2 导流沿型高混合率燃烧室的开发研究  102-103
  5.4 燃烧室内湍流诱发与燃烧过程分析的研究  103-119
    5.4.1 倒拖工况下燃烧室结构形状对流谱的影响  103-106
    5.4.2 喷雾与燃烧室结构协同作用对流谱的影响  106-109
    5.4.3 燃烧室结构对燃烧、排放影响的研究  109-119
  5.5 本章小结  119-121
第六章基于物理、化学因素协调控制复合燃烧系统的研究  121-136
  6.1 导流沿燃烧室内通过调节氧浓度实现高效清洁燃烧的机理研究  121-129
    6.1.1 总进气量相等的条件下氧浓度对燃烧过程的影响  121-126
    6.1.2 相同当量比条件下氧浓度对燃烧过程的影响  126-129
  6.2 喷油策略对燃烧过程影响的研究  129-133
    6.2.1 预喷、主喷比例对复合燃烧过程的影响  129-131
    6.2.2 预喷射结束定时（EOI pre）对复合燃烧过程的影响  131-132
    6.2.3 主喷射喷油定时（SOI main）对复合燃烧过程的影响  132-133
  6.3 物理、化学因素协调控制MULINBUMP 复合燃烧过程的研究  133-135
  6.4 本章小结  135-136
第七章全文总结  136-138
附录1 导流沿型高混合率燃烧室内状态参数的发展历程  138-145
参考文献  145-159
发表论文和科研情况说明  159-161
致谢  161

MULINBUMP复合燃烧过程中物理、化学因素耦合作用的研究

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