二甲醚发动机预混合燃烧数值模拟与试验研究.pdf

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1、上海交通大学博士学位论文二甲醚发动机预混合燃烧数值模拟与试验研究姓名：宋钧申请学位级别：博士专业：动力机械与工程指导教师：黄震20030901 二甲醚发动机预混合燃烧数值模拟与试验研究二甲醚发动机预混合燃烧数值模拟与试验研究摘要柴油机因热效率高而成为汽车的一种主要动力装置为了同时降低其主要有害排放物微粒和氮氧化物人们对柴油机新型燃烧方式和各种清洁代用燃料的开发与研究开展了大量的工作动机的两种预混合燃烧方式研究入手本文从二甲醚发探索能够同时降低��和微粒排放的二甲醚发动机新型高效清洁燃烧模式具有重要的理论与现实意义本文开展了如

2、下系统的研究工作�1.提出了二甲醚可控预混合燃烧简称CPC方式通过控制阀控等的交换实现三次混合两级燃烧模式采用标准数值模拟的结果表明ControllablePremixedCombustion制主副燃烧室之间的能量达到大幅降低组分NOX的目的k湍流模型对二甲醚CPC发动机缸内气体流动控制阀开启时主副燃烧室之间存在较大压差使气缸内气体高速喷入预混合室远离气缸轴线一侧涡流较强预混合室偏置使预混合室内混合气较稀整个预混合室空间内混合气浓度由上至下由稀变浓有利于着火后使浓混合气首先喷通道截面积扩大后使气缸入气缸在压缩比及容积比相同时

3、内空气更加迅速地进入预混合室与燃料混合加造成预混合室结构发生较大变化预混合室容积比增在预混合室内中上部形成较大的圆形涡导致大量浓混合气集中分布在预混合室中上部不利于着火后更多的燃料喷入主燃烧室2.根据二甲醚CPC发动机喷雾混合着火燃烧等过程特点CPC燃烧过程划分为三次混合两级从可燃混合气的制备情况把二甲醚燃烧的五个阶段采用湍流燃烧联合时间尺度模型模拟二甲醚可数值模拟表明预混合室偏置使主燃烧室喷控预混合燃烧过程入的气体绕过控制阀杆在预混合室远离气缸一侧形成背风涡使此处气流速度较低温度较高而且混合气浓度梯度较大其顶部首先着火合气

4、火焰由此传播开来着火后混合气燃烧迅速由于预混合室内形成较多可燃混使压力急剧升高而将预混合室内I 申请上海交通大学博士学位论文中下部大量浓混合气喷入主燃烧室迅速燃烧短使预混合室内最高温度较低高温区域狭小且持续时间短预混合室偏置使其靠近气缸轴线一侧温度较低混合气浓度较高,并在主燃烧室内与空气混合预混合室内进行的第一阶段燃烧混合气较浓燃烧时间而主燃烧室内的第二级燃烧迅速因而有效抑制NOX生成但是加上控制阀杆的阻挡作用滞留一定浓度的燃料另外燃烧不够充分导致燃烧过程结束时是造成THC及CO排放较高的一个原因需要在主燃烧室增加凸台改为充

5、分利用主燃烧室内空气善第三次混合及第二级燃烧过程3.在单缸135发动机的基础上研制了二甲醚CPC试验发动机开发设计了二甲醚电控低压共轨喷射系统并建立试验台架试验表明不同控制阀开启角度下发动机均能够顺利启动稳定运而适当转噪音低控制阀开启定时对发动机性能有较大影响增加预混合室容积比可以提高发动机有效输出功率和热效率控制阀开启角度为上止点前26°CA75°CA的范围内时实测烟度为零NOX排放低于70106实现了无烟超低NOX排放性能4.探索了在直喷式柴油机上实现二甲醚准均质低温预混合燃烧过程的技术措施达到二甲醚发动机高效超低排放性

6、能机使用超多喷孔喷嘴和强化喷油泵后压力升高率峰值比0.55mm喷嘴大幅升高明显提高预混合燃烧和扩散燃烧放热速大幅缩短燃烧持续期使有效热效率平均提高了NOX排放比采用40.55mm的喷嘴略有增加表明超多喷孔喷油嘴和强化喷油泵后明显改善了喷雾质量喷射率和燃料空间分布均匀度使燃料与空气迅速混合烧速率使燃烧更加迅速而充分二甲醚发动4率2.5而发动机采用提高燃料加快燃5.为降低超多喷孔二甲醚发动机燃烧温度油提前角和进气道加入CO2的措施尝试采用了大幅推迟供试验表明采用100.25mm喷嘴时随供油提前角推迟NOX排放大幅降低在满负荷时供

7、油提前角为由25oCA减小到11oCA时NOX由1417106降低到635106而热效率略有降低但仍然维持在比较高的水平II 二甲醚发动机预混合燃烧数值模拟与试验研究表明对超多喷孔二甲醚发动机采用大幅推迟供油提前角的方法有利于降低燃烧温度在保持高燃烧效率的同时达到大幅降低NOX的目的随着进气管引入CO2浓度增加滞燃期大幅延长加入CO2浓度越高放热过程越向后推迟预混合燃烧放热峰值越高而扩散燃烧峰值越低整个燃烧放热过程持续75负荷时降低到32106THC排放基本而当CO2浓度增加超过10以后CO排放略有增加有效增加时间缩短NOX

8、排放大幅降低保持不变表明采用进气道加入CO2的措施大幅延长了滞燃期预混合燃烧比例降低燃烧温度是实现超多喷孔二甲醚发动机低温预混合燃烧方式的重要手段个负荷范围内滞燃期平均延长了二甲醚中添加15LPG后使整1oCA扩大了预混合燃烧比例是促进实现超多喷孔二甲醚发动机设计思想的一个有效措施��根据