本文關(guān)鍵詞：世界能源地理研究進展及學(xué)科發(fā)展展望，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《天津大學(xué)》 2010年

柴油機分層預(yù)混壓燃燃燒及多階段高效清潔燃燒過程研究

于洋  

【摘要】：在能源和環(huán)境的雙重壓力下,柴油預(yù)混壓燃燃燒成為目前國際內(nèi)燃機研究的焦點。但柴油燃料粘度高、揮發(fā)性差、自燃溫度低(十六烷值高)的特性,使得柴油預(yù)混壓燃燃燒中混合氣的制備相當(dāng)困難,快速的混合速率是實現(xiàn)預(yù)混壓燃燃燒的根本保障。本文從燃油控制和缸內(nèi)狀態(tài)(溫度、壓力)控制出發(fā),以清潔高效柴油預(yù)混壓燃燃燒及多階段燃燒過程為研究對象,通過試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對各種物理、化學(xué)因素對柴油燃燒過程的耦合控制機理進行了研究。 基于間隔調(diào)制多脈沖早期噴油模式的柴油分層預(yù)混壓燃燃燒的試驗結(jié)果表明,通過噴油定時、脈沖間隔時間、脈沖油量及其比例以及噴射次數(shù)的控制能夠降低未燃油滴損失率,形成不同缸內(nèi)混合氣的濃度和溫度分層。針對柴油的這種可控分層預(yù)混壓燃燃燒方式,提出了一種基于化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)和湍流混合特征時間尺度的改進燃燒模型。提出了一個燃料混合不均勻性程度函數(shù)H (φ),由此導(dǎo)出了模型中的湍流混合時間尺度系數(shù)f,用來表征燃料混合不均勻性程度與湍流混合時間尺度的關(guān)系,計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合良好。調(diào)制多脈沖噴油模式下柴油可控的分層預(yù)混壓燃燃燒的著火過程是分步容積式的,并受燃料分層的強烈影響。缸內(nèi)濃度與溫度的分層,降低了高濃度區(qū)域的溫度,有助于減少NOx。由于高當(dāng)量比的混合氣主要分布在活塞上方的余隙空間,壁面散熱較多,溫度較低,放緩了低溫反應(yīng)速率,而低當(dāng)量比的混合氣反應(yīng)釋放的熱量小,所以混合氣當(dāng)量比的V型分布能夠在分層預(yù)混壓燃燃燒中推遲著火和減緩放熱。 由于分層預(yù)混壓燃燃燒均存在較低的局部燃燒溫度區(qū)域?qū)е翪O和HC排放較高及負荷較低的問題,進一步采用了分層預(yù)混壓燃燃燒和主噴及后噴產(chǎn)生的混合控制的燃燒相結(jié)合的多階段燃燒方案。本研究采用簡化化學(xué)反應(yīng)機理并結(jié)合特征時間燃燒模型對多階段著火和燃燒的多階段燃燒過程及排放產(chǎn)物進行了模擬。在預(yù)混壓燃燃燒階段的著火前平均當(dāng)量比下降到0.2,使得著火推遲,同時產(chǎn)生較多1400K以下的低溫燃燒區(qū)域并因此產(chǎn)生較多的未燃CO,可以抑制過快的壓力升高率,而且沒有產(chǎn)生NOx。由于較晚的主噴噴霧開始時處于預(yù)混壓燃燃燒產(chǎn)生的較低的平均缸內(nèi)溫度環(huán)境下,產(chǎn)生了相對較多的2000K以下和當(dāng)量比低于2的混合氣,溫度高于2600K的混合氣也較少并導(dǎo)致生成較低的NOx,而且由于燃料和氧氣較為充分的混合能夠保持較快的放熱速率,此時仍然保持了較高的熱效率。通過兩次主噴射來降低單次的主噴油量能夠明顯降低NOx,同時保持SOOT最終排放與單次主噴時接近以及54.4%的熱效率。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TK421.2
【目錄】：

中文摘要3-4

ABSTRACT4-8

第一章 緒論8-30

1.1 引言8-9

1.2 柴油機的發(fā)展與能源供給9-11

1.3 柴油機的發(fā)展與環(huán)境保護11-14

1.4 柴油機技術(shù)的發(fā)展14-28

1.4.1 柴油機關(guān)鍵部件的發(fā)展14-16

1.4.2 缸內(nèi)燃燒技術(shù)的發(fā)展16-28

1.4.2.1 采用缸外預(yù)混合的預(yù)混壓燃燃燒17-19

1.4.2.2 采用缸內(nèi)早噴的預(yù)混壓燃燃燒19-28

1.5 本課題的研究意義和內(nèi)容28-30

第二章 三維數(shù)值模型的研究和改進30-51

2.1 基本模型31-38

2.2 燃燒模型38-49

2.2.1 Shell 自燃模型38-40

2.2.2 湍流燃燒模型40-44

2.2.3 化學(xué)動力學(xué)模型44-49

2.2.3.1 NOx 生成子模型47-48

2.2.3.2 SOOT 生成子模型48-49

2.3 本章小結(jié)49-51

第三章 多脈沖噴射組織的柴油分層預(yù)混壓燃燃燒過程研究51-71

3.1 柴油分層預(yù)混壓燃燃燒研究的方案51-54

3.2 模擬方法54

3.3 分層預(yù)混壓燃燃燒實驗結(jié)果及分析54-59

3.4 模擬結(jié)果及分析59-70

3.4.1 計算的缸內(nèi)壓力和不均程度函數(shù)59-61

3.4.2 燃料分布不均勻性對著火過程的影響61-67

3.4.3 缸內(nèi)溫度和濃度分布的演化過程67-70

3.5 本章小結(jié)70-71

第四章 多階段燃燒過程及其排放影響因素的研究71-104

4.1 基本思路及研究方案71-72

4.2 多階段燃燒實驗72-79

4.3 模擬結(jié)果及分析79-102

4.3.1 模型驗證79-81

4.3.2 變參數(shù)模擬研究81

4.3.3 多階段燃燒過程分析81-101

4.3.3.1 分層預(yù)混壓燃燃燒階段82-86

4.3.3.2 主噴產(chǎn)生的混合控制燃燒階段86-90

4.3.3.3 第二次主噴產(chǎn)生的混合控制燃燒階段90-94

4.3.3.4 SOOT 排放94-97

4.3.3.5 中間產(chǎn)物對多階段燃燒過程的影響97-101

4.3.4 多階段燃燒過程的改進途徑101-102

4.4 本章小結(jié)102-104

第五章 全文總結(jié)104-107

參考文獻107-120

發(fā)表論文和科研情況說明120-121

致謝121

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  本文關(guān)鍵詞：世界能源地理研究進展及學(xué)科發(fā)展展望，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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