试谈柴油机直喷柴油机喷雾撞壁双反射燃烧系统

论文导读：
摘要：根据传统柴油机喷雾的特征,在直喷式柴油机上开发了一种基于喷束壁面引导和分层扩散的空间分散式“喷雾撞壁双反射”燃烧体系,通过低温燃烧来降低NOx、通过预混合燃烧和“喷雾撞壁双反射”技术来降低微粒排放,实现了降低NOx和PM的“柴油机两难”解决案例。此燃烧体系所具有的特点是：低爆压、快速混合、滞燃期长和低温燃烧。所谓的“喷雾撞壁双反射”技术,在燃烧室壁面上设有导向凸弧和小台阶,多孔喷油器喷出的液态油束,撞击在燃烧室壁面上,经壁面上导向凸弧和小台阶的双反射,形成分层扩散射流结构,简称“双反射”技术,将这种燃烧体系称为“双反射”燃烧体系。反射后的油束分布在燃烧室的挤流区和凹坑区,形成大的油束涡流,并向较大范围扩展。这样,壁面射流的油束能卷吸更多的空气,在有限的滞燃期内形成更多的可燃混合气,产生多个着火点,缩短燃烧持续期。燃烧后,上下两层的射流油束能相互辐射吸收热量,上层油束中雾化不好的质量大的油滴受离心力的意义能在下层油束中继续燃烧,下层未完全燃烧产物受活塞逆挤流的意义上升,能在上层油束中进一步燃烧。另外,反射可比通常的喷雾分裂微粒化程度更高,同时由于撞击扩散,有望快速形成更均匀的混合气。针对“双反射”燃烧体系的特征,在一台4100ZL柴油机上进行了该燃烧体系的试验探讨。对燃烧体系的结构参数优化,包括燃烧室、缸盖涡流比、喷孔夹角、喷孔直径/数目、喷射压力和喷油定时的优化,并探讨了其对发动机性能和燃烧的影响,使发动机有最佳的性能指标,并与原机进行了性能比较。试验结果表明：在2100r·min-1/307N·m(扭矩点)工况NOx以712×10-6降低到487×10-6,在3000r·min-1/267N·m(功率点)工况NOx以593×10-6降低到369×10-6,分别降低了31.6%和37.7%。改进了低速全负荷的油耗率和烟度,油耗率以240.5g·(kw·h)-1降低到225.4g·(kw-h)-1,降低了6.3%；烟度以3.67BSU降低到2.1BSU。'‘双反射”柴油机的缸压较原机有很大程度的降低,扭矩点的缸压以原机的128bar降低到108bar,降低了15.6%。对优化后的“双反射”燃烧体系进行从下几个方面深入探讨并得出结论。(1)基于高速放热率制约的直喷式柴油机性能探讨,保证柴油机有最佳的排放性能和经济性能。改进燃烧性能的主要难点是高速与大负荷工况下对着火始点和燃烧速率的制约,即瞬时放热率的制约。本论文通过降低几何压缩比推迟车用柴油机高速工况下的着火始点,并采取几何办法(双反射技术)提升缸内混合气的燃烧速率,达到同时降低NOx排放并保持高的热效率的效果,也就是说有效地制约燃烧相位和瞬时放热率的重心。“双反射”燃烧体系能在较低压缩比下,保持柴油机高速工况下的燃烧速率,在动力性不降低的状况下,保证了柴油机有最佳的排放性能和经济性能。基于上面陈述的思想,在柴油机3000r·min-1转速下进行了试验探讨。(2)基于单峰放热率特性的“双反射”燃烧体系的直喷柴油机低爆压低油耗的探讨。试验结果表明：“双反射”燃烧体系具有单峰放热率特性。采取低压缩比后的“双反射”燃烧体系,在全工况范围内降低了气缸爆发压力。与此同时,以燃烧历程中的累计放热率、累计放热量百分比、单峰放热率和指示热效率等参数分析了油耗率特性,制约油耗率在一个很低的水平。(3)低压缩比概念的直喷柴油机“双反射”燃烧体系快速燃烧的试验探讨。试验表明：降低压缩比后,燃烧始点向后推迟2-3℃A,在保证动力性能的前提下,气缸压力大大降低,降低了缸内最高燃烧温度和NOx排放。通过外特性工况瞬时放热率在中高速呈单峰走势从及累积放热率5%～70%对应的曲轴转角θ5～θ70范围内与原机有相同的燃烧速率,证实了低几何压缩比的“双反射”燃烧体系仍然具有快速燃烧的特性。(4)提前喷油低碳烟排放的探讨。将“双反射”燃烧体系静态供油提前角提前到18℃A BTDC,能实现扭矩点与功率点同为0.21BSU的低碳烟排放。进行“双反射”燃烧体系试验探讨的同时,分别在大平板和燃烧室中对其喷雾场进行了相关的数值模拟探讨。燃油撞击到带到导向凸弧和小台阶的大平板上,从燃油蒸汽的形式反射,形成分层壁面射流。射流油束从反射物为中心,形成高浓度的燃油区域,不断向外扩散,形成稀混合气。在燃烧室中,上止点前受挤流的影响,在燃烧论文导读：23.9本章小结52-534直喷柴油机空间分散式“喷雾撞壁双反射”燃烧体系结构参数的试验优化53-774.1空间分散式燃烧体系的好处53-544.2空间分散式燃烧体系的结构参数优化原则54-554.3“喷雾撞壁双反射”燃烧体系结构参数优化的试验探讨55-744.3.1燃烧室形状、喷油器孔径/孔数联合优化55-634.3.2涡流的优化63-704.3.3喷孔
室中形成了大尺寸的旋涡,燃烧室壁面上设置了导向凸弧与小台阶后,旋涡的尺度会更大,而且底面凸台的低速区域与虚拟原机相比减小。活塞到达上止点后,随着活塞的下行,在“双反射”燃烧室底部形成了一个中等尺度的旋涡,有利于油气的充分混合。“双反射”燃烧室燃油分布在燃烧室的侧壁上,燃油没有到达凹坑,在壁面上的空燃比分布比例较少,说明燃油已经汽化蒸发,形成稀薄混合气。在粒子分布上也能得出相同的结论,在19°CA ATDC燃油喷射结束后,原机与虚拟原机在整个侧壁和凹坑壁面都有着大量的未来得及蒸发的液滴,而“双反射”燃烧室只存在壁点处有着还没来得及蒸发的粒子,可从得出,“双反射”燃烧室燃油蒸发的速率较快,同时也证明了快速混合论述。关键词：壁面引导论文分层扩散论文喷雾撞壁论文双反射论文空间分散论文柴油机论文燃烧论文
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Abstract6-12
1 引言12-27

1.1 内燃机面对的挑战12

1.2 柴油机排气污染物制约的困难12-13

1.3 降低柴油机排气污染物的措施13-16

1.3.1 降低柴油机排气污染物技术措施13-14

1.3.2 多项技术集成降低柴油机排放14-16

1.3.3 降低柴油机排放污染物的两种主要路线(EGR+DPF；先进喷油定时+燃烧体系优化+SCR)16

1.4 柴油机的预混合燃烧16

1.5 增多柴油机预混合燃烧的途径16-18

1.5.1 增多滞燃期17

1.5.2 增多柴油机预混合燃烧量17-18

1.6 几种特殊的柴油机燃烧体系18-22

1.7 柴油机碰溅式燃烧体系22-25

1.8 本课题探讨作用和内容25-27

2 直喷柴油机“双反射”燃烧体系的论述基础27-40

2.1 T-Φ图解释柴油机颗粒和NOx的生成27-28

2.2 直喷柴油机的喷束壁面引导28-31

2.1 GDI发动机的壁面引导与分层28

2.2 柴油机喷雾中污染物的生成28-30

2.3 局部扩散结构对柴油机NOx排放的影响30

2.4 本探讨所采取的壁面引导的目的30-31

2.3 分层扩散论述31-37

2.4 空间分散思想的论述支持37-38

2.4.1 燃油在凹坑内外的分布38

2.4.2 液态燃油与已燃火焰的相互意义38

2.5 直喷式柴油机“双反射”燃烧体系的案例提出38-39

2.6 本章小结39-40

3 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的设计和燃烧概念40-53

3.1 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的论述背景40

3.2 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的设计思想40-41

3.3 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的演变41-42

3.4 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的优势和特点42-43

3.5 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的燃烧办法43-45

3.6 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系降低NOx和碳烟的措施45

3.7 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的设计原则45-51

3.7.1 喷雾锥角的确定46

3.7.2 喷束撞壁前贯穿距的确定46-47

3.7.3 喷束在壁面撞击区的位置确定47-49

3.7.4 燃烧室的其他参数设计49-50

3.7.5 喷油器的参数设计50-51

3.8 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的试验装备51-52

3.9 本章小结52-53

4 直喷柴油机空间分散式“喷雾撞壁双反射”燃烧体系结构参数的试验优化53-77

4.1 空间分散式燃烧体系的好处53-54

4.2 空间分散式燃烧体系的结构参数优化原则54-55

4.3 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系结构参数优化的试验探讨55-74

4.

3.1 燃烧室形状、喷油器孔径/孔数联合优化55-63

4.

3.2 涡流的优化63-70

4.

3.3 喷孔夹角的影响70-71

4.

3.4 喷射压力的影响71

4.

3.5 喷油定时对“双反射”燃烧体系的影响71-74

4.4 优化后的“喷雾撞壁双反射”柴油机与原机的万有特性比较74-75

4.5 本章小结75-77

5 “喷雾撞壁双反射”燃烧体系的性能分析77-150

5.1 “双反射”燃烧体系三快特点的论述与试验探讨77-113

5.

1.1 “双反射”燃烧体系快速喷射特点的试验探讨77-80

5.1.2 “双反射”燃烧体论文导读：摘要157-158参考文献158-167附录A6Φ26-158喷油器的喷雾场167-178附录B5Φ25-158喷油器的喷雾场178-196攻读博士学位期间发表学术论文状况196-199致谢199-200作者介绍200-201大连理工大学学位论文版权利用授权书201上一页123
系快速混合特点的数值探讨80-111
5.

1.3 “双反射”燃烧体系快速燃烧特点的试验探讨111-113

5.2 运转条件对“双反射”燃烧体系燃烧历程的影响113-122
5.2.1 不同的燃烧室与喷孔参数对原机与“双反射”燃烧体系燃烧特性的影响113-114
5.

2.2 运转工况对“双反射”燃烧体系燃烧特性的影响114-117

5.

2.3 原机与“双反射”燃烧体系燃烧参数117-121

5.

2.4 转速和负荷对预混合燃烧范围的影响121-122

5.3 “双反射”柴油机与原机的燃烧和排放性能比较122-134
5.

3.1 原机与“双反射”柴油机燃烧特性分析122-126

5.

3.2 原机与“双反射”柴油机累计放热率分析126-128

5.

3.3 原机与“双反射”柴油机燃烧特性参数比较128-131

5.3.4 分析1400r·min~(-1)、2100r·min~(-1)和3000r·min~(-1)的油耗率、NOx/烟度排放对比131-134

5.4 基于放热率分析的“喷雾撞壁双反射”燃烧体系燃烧特性134-138

5.

4.1 “双反射”燃烧体系的排放134-135

5.

4.2 “双反射”燃烧体系的放热率与燃烧特性分析135-138

5.5 基于单峰放热率特性的“双反射”燃烧体系低爆压低油耗探讨138-144

5.1 “双反射”燃烧体系的瞬时放热率138-139

5.2 “双反射”燃烧体系的低爆压特性139-141

5.3 “双反射”燃烧体系的油耗率特点分析141-144

5.6 不同喷油时刻的原机与“双反射”柴油机的性能比较144-145

5.7 低压缩比概念的“双反射”燃烧体系的燃烧稳定性145-147

5.8 提前喷油低碳烟排放147-148

5.9 本章小结148-150

结论150-156
展望156-157
创新点摘要157-158
参考文献158-167
附录A 6Φ26-158喷油器的喷雾场167-178
附录B 5Φ25-158喷油器的喷雾场178-196
攻读博士学位期间发表学术论文状况196-199
致谢199-200
作者介绍200-201
大连理工大学学位论文版权利用授权书201