甲醇雾化特性及其对柴油甲醇双燃料发动机性能的影响

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1、天津大学博士学位论文甲醇雾化特性及其对柴油甲醇双燃料发动机性能的影响ImpactofAtomizationCharacteristicsofMethanolSpraytoPerformanceofDMDFEngine学科专业：动力机械及工程研究生：陈志方指导教师：姚春德教授天津大学机械工程学院2017年5月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材

2、料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据中文摘要由于生产技术成熟、来源广泛、价格低廉、加注和储

3、存方便等优点，甲醇作为燃料在内燃机里得到越来越多的应用。在压燃式内燃机应用甲醇燃料中，柴油/甲醇双燃料（DMDF）的燃烧方式受到了越来越多的关注。在DMDF发动机中，甲醇由安装在进气道上的喷嘴喷射进入气道，与吸进的空气形成可燃混合气，然后随气流进入各缸与柴油在气缸内一起燃烧做功。在DMDF发动机中甲醇以雾化形式喷进气道并与空气形成混合气，其雾化质量及其进入各缸混合气的多少，会直接影响各缸间工作性能并造成排放上的差异。由于甲醇作为压燃式发动机燃料初步进入内燃机燃料领域，对其雾化特性以及混合气形成特性国内外的研究知之甚少。因此，为提高DM

4、DF发动机的性能，提高甲醇的利用效率，作者利用PDPA和高速摄像技术针对甲醇低压喷雾特性及气道内甲醇混合气的形成特性、不同甲醇液体温度和喷射压力队甲醇雾化特性进行详细研究；采用CFD（ComputationalFluidDynamics）软件对喷嘴内部的流动特性、甲醇在进气道内的喷射模式及其与空气的混合过程进行了模拟研究；通过发动机台架试验对甲醇雾化及其混合气形成特性等因素对DMDF发动机各缸燃烧均匀性及整机性能特性开展了研究；同时，依据以上数据建立了DMDF发动机的准维模拟计算模型并对各缸进醇量进行模拟，对DMDF燃烧模式的发动机性

5、能进行优化和预测。通过以上研究，得到的结论主要有：一、甲醇喷雾及气道内甲醇混合气的形成等特性研究，围绕此方面的研究所得结论有：（一）采用高速摄像和PDPA技术对甲醇喷雾开展的研究发现，随着甲醇温度的升高，喷雾雾化质量提高，液滴索特平均直径变小，同时喷雾主射流区向外扩张，喷雾主射流区液滴速度在60℃时达到最大值。甲醇喷射压力的增加使喷雾液滴速度、贯穿距增大，同时液滴索特平均直径明显减小，当喷射压力和甲醇温度达到一定值后，甲醇喷雾出现闪沸。环境温度的升高有助于甲醇的雾化。喷雾末端和外围的甲醇液滴变小，射流内液柱逐渐减少消失。（二）对喷嘴内

6、部甲醇的流动特性进行模拟研究，发现甲醇温度和压力达到一定值后，喷嘴内产生气穴，这有利于甲醇的雾化以及与空气的均匀混合。（三）通过对甲醇喷雾在气道内的流动特性的CFD软件模拟计算发现，受喷醇器处喉口作用，气道内形成回流，甲醇易集聚在喉口处。对喷醇器和甲醇喷嘴布局进行优化后有助于减小回流区域，改善甲醇与空气的混合效果。二、甲醇混合气形成方式及其对DMDF发动机的各缸均匀性以及整机性能试验研究所得结论有：（一）DMDF发动机在进气总管一端进气方式形成甲醇混合气时，各缸间的压力差异随甲醇替代率的升高而增大。随着进气温度的升高，I万方数据各缸间

7、峰值压力的差异逐渐增大，且主要是在1#缸和4#缸之间存在差异。发动机不均匀度也随着进气温度的升高而增大，最佳进气温度应控制在35℃~80℃之间。发动机转速的增加对减小各缸之间的压力差异有帮助，并且有利于此时的甲醇替代率升高。建立DMDF发动机各缸进醇量的准维模型对此进行分析，得到的结论是随着甲醇对柴油替代率增大，各歧管间甲醇不均匀度逐渐升高，高负荷时各歧管间甲醇不均匀度小于低负荷情况。发动机低转速下各歧管间甲醇质量流量的不均匀度要明显大于高转速的情况。适当减小个别进气歧管的截面直径，能够有效降低DMDF发动机各缸甲醇进入量的差异，减小

8、不均匀度。（二）DMDF发动机在进气总管中间进气方式上分别开展了三种不同甲醇喷射位置的研究。结果发现，随柴油喷射时刻的延后发动机各缸不均匀度逐渐降低。随甲醇替代率的升高，发动机不均匀度逐渐增大。进气歧管喷射甲醇和进气总管