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柴油机燃用二甲醚/非标重柴油的燃烧仿真研究

作　者: 王娜
导　师: 王铁
学　校: 太原理工大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 非标重柴油二甲醚数值模拟燃烧过程 FIRE
分类号: TK428.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 44次
引　用: 1次
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内容摘要

车用柴油机燃用二甲醚可以降低NOx的排放,实现无烟燃烧,但由于二甲醚液态粘度极低,容易出现供油系统柱塞偶件卡死、磨损及二甲醚泄漏等问题。在二甲醚中掺混不同比例的低质非标重柴油,不仅可以解决上述问题,同时还可以提高石油产品品质的利用率,获得明显的经济效益。本文首先测定了二甲醚/非标重柴油混合燃料D30的理化特性,对柴油机供油系统进行改造后,燃用D30混合燃料进行台架试验。借助试验数据和柴油机的结构参数,在FIRE软件中建立4100QBZL柴油机仿真模型,通过模拟结果与试验结果的对比分析,验证模型的正确性,并详细展示了D30混合燃料的喷雾流场和排放物浓度场。研究表明：D30混合燃料的喷雾贯穿距较小、喷雾流速较高,燃油液滴蒸发速度快,有利于混合气地快速形成。在膨胀冲程中由于缸内速度梯度较大,促使扩散燃烧速度加快,同时燃用D30混合燃料有降低缸内最高温度、soot和NOx排放的作用。在此基础上,利用4100QBZL柴油机仿真模型,对高比例二甲醚/非标重柴油混合燃料D70、D80和D90进行模拟计算。对三种混合燃料与0#柴油在缸内平均压力、平均温度及排放物的质量分数等方面的变化规律进行了研究,并着重分析了缸内燃料浓度场与排放物浓度场的分布。结果表明：三种混合燃料缸内爆发压力的峰值和缸内平均温度较0#柴油小幅降低,但生成的NOx质量分数大幅下降且soot的终值几乎为零。由缸内燃料浓度场和排放物浓度场的分布可知,随着二甲醚掺混比例的增加,喷注稀混区和喷注前锋的直径变大,燃油均匀分布于燃烧室,改善了缸内的雾化状况。同时缸内高温区域及NOx、soot的生成区域与0＃柴油均不相同。本文最后研究了喷油提前角及喷油持续期对高比例二甲醚/非标重柴油燃烧过程的影响。结果表明：喷油提前角的增大,使缸内最高燃烧压力、缸内温度及NOx的质量分数增加,但soot的终值有所降低,而喷油持续期对燃烧过程的影响与此相反。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-17
  1.1 引言  11-12
  1.2 二甲醚和非标重柴油在柴油机上的应用  12-14
    1.2.1 二甲醚在柴油机上的应用  12-13
    1.2.2 非标重柴油在柴油机上的应用  13-14
  1.3 柴油机缸内燃烧模拟现状  14
  1.4 FIRE软件介绍  14-15
  1.5 本文主要内容  15-17
第二章柴油机多维燃烧模型  17-29
  2.1 湍流流动的数值模拟  18-22
    2.1.1 湍流流动的数值模拟方法  18-19
    2.1.2 湍流流动的基本控制方程  19-20
    2.1.3 常用的湍流模型  20-22
  2.2 柴油机喷雾模型  22-26
    2.2.1 蒸发模型  22-23
    2.2.2 破碎模型  23-24
    2.2.3 碰壁模型  24-26
  2.3 燃烧模型  26-27
  2.4 排放模型  27-28
    2.4.1 NOx排放模型  27-28
    2.4.2 soot排放模型  28
  2.5 本章小结  28-29
第三章柴油机燃用D30混合燃料的试验研究  29-39
  3.1 试验用燃料的理化特性  29-31
  3.2 柴油机燃用D30混合燃料供油系统改造  31-32
  3.3 台架试验  32-33
  3.4 试验结果分析  33-37
  3.5 本章小结  37-39
第四章柴油机缸内燃烧模型的建立及验证  39-57
  4.1 4100QBZL柴油机缸内燃烧过程数值模拟  39-44
    4.1.1 计算对象  39-41
    4.1.2 几何模型的建立与网格的划分  41-42
    4.1.3 计算初始参数及边界条件的确定  42-44
  4.2 计算模型的选取  44-45
    4.2.1 缸内气体流动模型  44
    4.2.2 燃油喷射及雾化模型  44
    4.2.3 燃烧及排放模型  44-45
  4.3 计算模型的验证  45-46
  4.4 柴油机数值模拟结果分析  46-54
    4.4.1 最大扭矩工况下喷雾流场分析  46-50
    4.4.2 最大扭矩工况下缸内温度场与排放物的浓度场分析  50-54
  4.5 本章小结  54-57
第五章高比例二甲醚/非标重柴油混合燃料的数值模拟  57-67
  5.1 高比例二甲醚/非标重柴油混合燃料的数值模拟  57-59
    5.1.1 燃料C、H、O原子数目  57-58
    5.1.2 最大扭矩工况下单个喷孔每循环喷油量  58-59
  5.2 高比例二甲醚/非标重柴油混合燃料的数值模拟结果分析  59-66
    5.2.1 仿真结果对比  59-62
    5.2.2 不同燃料的燃料浓度场对比  62-63
    5.2.3 不同燃料的温度场对比  63-64
    5.2.4 不同燃料的排放物浓度场对比  64-66
  5.3 本章小结  66-67
第六章不同供油参数下燃用D90混合燃料的数值模拟  67-73
  6.1 喷油提前角对缸内燃烧过程的影响  67-69
  6.2 喷油持续期对缸内燃烧过程的影响  69-72
  6.3 本章小结  72-73
第七章总结与展望  73-75
  7.1 总结  73-74
  7.2 展望  74-75
参考文献  75-79
致谢  79-81
攻读学位期间发表的学术论文及参与项目  81

柴油机燃用二甲醚/非标重柴油的燃烧仿真研究

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