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可控进气涡流柴油机油—气—室优化匹配研究

作　者: 王贵新
导　师: 柳贡民
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 轮机工程
关键词: 柴油机燃油系统进气系统可控涡流优化设计
分类号: TK423
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

能源危机与环境污染问题的日益突出，对柴油机的经济性、动力性和排放提出了更高的要求，从而导致现代柴油机向高功率密度、低油耗、低排放的方向发展。影响柴油机性能指标的因素很多，其中以燃油系统、进气系统和燃烧系统最为显著。因此，柴油机油-气-室的优化匹配技术越来越受到人们的重视。目前对于可控进气涡流柴油机的油-气-室的分析研究多集中在单一系统的研究，缺少对油-气-室相互匹配及其内在联系的全面分析。特别是对于可控进气涡流柴油机的燃烧系统，以前的研究多集中在一维的仿真计算分析，没有系统全面的进行三维的燃烧分析。本文针对以上研究现状，以可控进气涡流柴油机为研究对象，在对其燃油系统、进气系统和燃烧系统进行计算分析的基础上，提出各个系统的优化设计方案，以实现柴油机油-气-室的优化匹配，并利用进气系统和燃油系统的专项试验来验证计算分析的准确性。本文主要的研究工作包括以下几个方面：1．应用HYDSIM燃油系统分析软件，研究柴油机泵-管-嘴燃油喷射系统的基本特性和性能指标随结构参数的变化规律，对可控进气涡流柴油机的燃油喷射系统进行优化设计。即以改善喷油的雾化特性为设计目标，对柴油机喷油泵柱塞直径、高压油管内径、喷油器喷孔长径比等关键结构参数进行优化匹配设计，研究影响柴油机喷油特性和雾化指标的内在规律，为燃油系统优化设计和后续的缸内燃烧分析及喷油雾化试验提供理论依据和计算数据。2．应用FIRE进气系统流场分析软件，对可控涡流柴油机进气流场进行计算分析。重点研究气阀升程、挡板结构和气道结构对柴油机进气系统流场的影响规律，分析不同气阀升程和不同气道挡板开度下进气系统的涡流比、流量系数、流速和压力等关键性能指标，研究柴油机进气涡流的形成机理。在对可控涡流柴油机进气系统详尽分析的基础上，优化进气道挡板和气道结构，以改善柴油机的进气涡流和进气流量，实现柴油机进气系统的优化设计。3．应用FIRE燃烧系统分析软件，对可控涡流柴油机进行缸内三维燃烧计算分析和优化设计。重点分析涡流比对燃油雾化、油气混合和缸内燃烧的影响规律，分析涡流比对柴油机动力性指标和排放指标的影响规律；对比分析不同喷油规律对柴油机缸内燃烧性能指标的影响规律，以及喷油规律对柴油机排放指标、燃油雾化和油气混合的影响规律，通过对比分析优化出最佳的喷油规律；研究柴油机进气系统挡板和气道结构对缸内燃烧过程的影响规律，优化出最佳的挡板结构和气道结构。进而完成柴油机油-气-室的优化匹配分析。4．根据可控涡流柴油机进气系统的实际结构，搭建其进气系统稳流试验台，完成试验设计。试验中分别针对不同气阀升程和不同挡板开度对柴油机进气系统的涡流比和流量系数等重要性能指标进行试验测试，完成实测数据与流场计算结果的对比分析，验证流场计算分析的准确性。5．建立双进气道可控进气涡流柴油机喷油雾化试验台，采用可视化技术和高速摄影技术对柴油机的喷油雾化过程进行动态试验测试。重点分析进气涡流对喷雾的贯穿距离、喷雾锥角和油气混合的影响规律，研究在不同的涡流比下进气涡流对柴油机油雾宏观状态的影响规律；利用喷油雾化实测数据来验证缸内油气混合计算结果的正确性，同时为柴油机燃油雾化的内在机理研究奠定试验基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-25
  1.1 课题的研究背景  13
  1.2 柴油机燃油喷射系统的发展现状  13-17
    1.2.1 燃油喷射系统性能指标  13-14
    1.2.2 燃油喷雾特性试验研究方法  14-17
  1.3 柴油机进气系统研究现状  17-21
    1.3.1 柴油机进气道优化设计  18-20
    1.3.2 柴油机进气系统稳流试验方法  20-21
  1.4 柴油机燃烧系统研究现状  21-23
    1.4.1 柴油机燃烧室结构的研究  21-22
    1.4.2 柴油机燃烧过程的研究  22-23
  1.5 本文的主要工作  23-25
第2章柴油机燃油喷射系统优化设计研究  25-57
  2.1 燃油系统主要单元数学模型  25-33
    2.1.1 凸轮单元数学模型  25-26
    2.1.2 柱塞单元数学模型  26-27
    2.1.3 容积单元数学模型  27-28
    2.1.4 燃油泄漏单元数学模型  28-29
    2.1.5 油管单元数学模型  29-30
    2.1.6 出油阀单元数学模型  30-31
    2.1.7 针阀单元数学模型  31-32
    2.1.8 喷嘴单元数学模型  32-33
  2.2 柴油机燃油喷射系统计算模型的建立  33-37
    2.2.1 柴油机燃油系统简介  33-34
    2.2.2 燃油系统计算模型的建立  34-37
  2.3 燃油系统计算结果分析  37-53
    2.3.1 模型验证  37-39
    2.3.2 计算结果分析  39-43
    2.3.3 燃油系统结构参数优化设计  43-53
  2.4 燃油系统优化设计结果  53-56
  2.5 本章小结  56-57
第3章柴油机进气系统计算分析及优化设计  57-88
  3.1 柴油机进气系统结构  57-58
  3.2 进气系统计算网格与边界条件  58-60
    3.2.1 进气道网格的划分  58-59
    3.2.2 流场计算边界条件的设置  59-60
  3.3 柴油机进气道流场计算分析  60-87
    3.3.1 气道挡板全开与全关时进气道流场分布图  61-81
    3.3.2 挡板结构优化设计  81-84
    3.3.3 进气道结构优化设计  84-87
  3.4 本章小结  87-88
第4章柴油机三维缸内燃烧计算分析  88-126
  4.1 燃烧室网格的生成及边界条件的设定  88-91
    4.1.1 缸内燃烧控制方程  88-89
    4.1.2 移动网格的划分  89
    4.1.3 计算边界的设定  89-91
  4.2 额定工况计算结果分析  91-102
    4.2.1 缸内燃烧平均参数计算结果分析  91-94
    4.2.2 缸内燃烧三维计算结果分析  94-102
  4.3 负荷特性计算结果分析  102-109
    4.3.1 缸内燃烧平均参数计算结果分析  102-105
    4.3.2 油气混合对比分析  105-109
  4.4 柴油机进气涡流对缸内燃烧的影响分析  109-115
    4.4.1 缸内燃烧平均参数计算结果分析  110-111
    4.4.2 NO 质量分数对比分析  111-112
    4.4.3 Soot 质量分数对比分析  112-114
    4.4.4 油气混合对比分析  114-115
  4.5 柴油机喷油规律对缸内燃烧的影响分析  115-122
    4.5.1 缸内燃烧平均参数计算结果分析  116-117
    4.5.2 NO 质量分数对比分析  117-119
    4.5.3 Soot 质量分数对比分析  119-120
    4.5.4 油气混合对比分析  120-122
  4.6 柴油机进气道与挡板结构对缸内燃烧的影响分析  122-125
    4.6.1 缸内燃烧平均参数计算结果分析  122-124
    4.6.2 缸内燃烧三维计算结果分析  124-125
  4.7 本章小结  125-126
第5章柴油机进气系统稳流试验与喷油雾化试验  126-143
  5.1 试验装置与试验方法  127-132
    5.1.1 试验台架的组成  128-129
    5.1.2 试验台架的工作原理  129-130
    5.1.3 试验方法  130-132
  5.2 试验方案  132
  5.3 试验结果分析  132-141
    5.3.1 进气系统稳流试验结果分析  132-136
    5.3.2 喷油雾化试验结果分析  136-141
  5.4 本章小结  141-143
结论  143-146
参考文献  146-153
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  153-154
致谢  154

可控进气涡流柴油机油—气—室优化匹配研究

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