柴油喷雾热强化混合过程及其对燃烧和排放影响的研究

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1、ADissertationSubmittedtoAcademicDegreesEvaluationCommitteeofHuazhongUniversityofScienceandTechnologyfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringAStudyonEnhancingMixtureFormationandCombustionofDIDieselEnginebyPreheatedFuelInjectionPh.D.Candidate:SheJinpingMajor:PowerMachiner

2、yandEngineeringSupervisor:Prof.ZhangYushengHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,430074,P.R.ChinaFebruary,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月

3、日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要为了满足日益严格的排放法规和燃油经济性要求，并减轻排气后处理器的负担，近年来，开

4、发具有“均质压燃（HCCI），低温燃烧（LTC）”特点的发动机燃烧新技术的研究十分活跃。HCCI被认为是传统压燃和点燃式内燃机最具潜力的替代燃烧方式，并已成为国际内燃机界竞相研究的前沿科学问题。然而，常规柴油饱和蒸汽压较低、液体粘度和表面张力较大、喷雾雾化性能较差，致使其直接应用于HCCI发动机尚存在均质混合气制备十分困难的问题。因此，预混合气制备是柴油机实现同时降低NOx和碳烟排放的准均质预混合燃烧方式的主攻关键技术。在国家重点基础研究发展计划项目（2007CB210001）的支持下，本文提出了燃油在高压油泵后进行高温预热以在缸内快速形成可燃

5、混合气的技术方案。本文利用先进的光学可视化诊断技术、发动机台架实验和数值模拟计算研究，开展了燃油热强化对直喷式柴油机喷雾雾化、混合气形成和燃烧过程影响的基础研究，深刻揭示了高温燃油促进喷雾雾化，高效、快速制备准均质可燃混合气的作用机理；借助于燃油热强化与不同喷油策略以及燃烧边界条件的优化匹配，实现了直喷式柴油机的高效清洁燃烧。本文的研究成果为实现柴油喷雾强化混合过程以适应现代内燃机均质压燃燃烧模式的需要提供了一条新的技术途径。本文的研究内容和所取得的成果主要有以下几个方面：就国内外研究机构对HCCI发动机试验与数值模拟研究的现状进行了综述，全面

6、分析了目前推广应用HCCI燃烧方式存在的一些技术瓶颈问题。通过重点分析了解“瞬态”条件下燃烧边界条件与燃料设计协同控制关键技术问题的最新研究进展，认识到在控制HCCI燃烧过程的诸多方法中，燃料理化特性的差异对HCCI预制混合气的制备及其燃烧过程的影响值得加以深入探究。针对常规柴油饱和蒸汽压较低、液体粘度和表面张力较大、喷雾雾化性能较差、以及因滞燃期短所导致的柴油均质预混合气制备时间受限等难题，首次开展了柴油热强化以在缸内快速形成可燃混合气的机理探索性研究。根据CFD多维模型与详细化学反应机理耦合计算的需要，建立了燃料热物性参数与燃烧反应机理的数

7、据库。以多维CFD程序KIVA-3V为平台，在其中加入了过热油滴两区蒸发模型、PaSR湍I华中科技大学博士学位论文流燃烧模型以及Hyroyasu-Nagle碳烟排放模型，建立了探索柴油热强化改善喷雾雾化混合和燃烧过程机理的数值模拟平台，完成了相关应用程序的调试及模型参数的调整，改进和完善了三维数值计算程序。藉此对早喷条件下不同喷油始点、预喷射策略及喷射燃油温度对缸内混合气充量浓度和温度不均匀性的影响进行了计算研究。研究表明：燃油温度对喷雾的蒸发混合过程有重要的影响，温度越高缸内的浓度及温度分布就越均匀，缸内居于预喷射平均当量比附近的混合气体积就

8、越大，且高温燃油能有效地解决早喷燃油“湿壁”问题。在高温燃油喷射条件下，预喷射次数的变化对缸内混合气形成的影响趋于减弱。结合台架实验受试发动机的结构与