1、同济大学 硕士学位论文 摘要 硕士学位论文 柴油机低介质密度条件下 壁面 液膜燃烧机理研究 姓 名： 学 号： 所在院系：汽车学院 学科门类：工 程 学科专业：动力工程 指导教师： 年 月 同济大学 硕士学位论文 摘要 II 摘要 我国 高原地区 分布较广。 其中， 海拔 高度 在 1000m 以上 的 高原 面积 超过 我国国土面积的 三分之一 。相比 平原，高原地区大气压力低、空气密度低、温度低 ，导致 燃油喷雾撞壁现象加剧， 造成附壁 燃油堆积及蒸发滞后，导致后燃 严重、 燃烧恶化， 对 柴油机动力性、 排放 性、经济 性、 可靠性和耐久性能 的 影响较大， 从而 不利于 柴油机在高原地
2、区 的正常工作 。 基于上述 背景 ，开展低介质密度条件 （高原 环境）下 柴油机 壁面 液膜燃烧机理研究 ， 具有重要意义。 本文以某 型柴油机为研究对象， 进行了模拟某型柴油机在不同海拔下缸内介质热力状态的 定容弹近壁液膜 宏观 特性 可视化试验研究，进行了定容弹 壁面液膜 特性的数值仿真研究， 研究了海拔和喷油压力对柴油机 壁面液膜 燃烧特性 的影响。本文的主要工作及 研究 成果如下： 一、开展了模拟不同条件下的 定容弹近壁液膜 宏观 特性 可视化试验 通过喷雾 撞壁可视化试验 研究了 海拔、喷油压力、喷孔直径、撞壁角度和撞壁距离等 因素 对 壁面液膜 宏观特性 （喷雾 撞 壁 扩散直径
3、 ） 的影响作用 ， 拟合了 计算 喷雾撞壁扩散直径的经验公式， 并 根据 该 经验公式 分析 总结 了 上述 各 因素对扩散直径的影响规律。 研究 结果表明： （ 1）定容弹 背压越低 （海拔 越高 ） 、 喷油 压力越高、喷孔直径越大、撞壁角度越小及撞壁距离越 小， 液态 燃油 发生 撞壁 的 时间越 早 ，最大 扩散直径 也 越大。 （ 2） 喷雾撞壁扩散直径的经验公式 比较 准确地预测了扩散直径随上述影响因素的变化趋势。 二、开展了定容弹 壁面 液膜 特性的数值仿真研究 利用 FIRE 开展了 模拟 定容弹 撞壁喷雾 及 壁面 液膜 特性 的三维 数值 计算 研究。研究了海拔（定容弹背
4、压）和喷油压力 对空间 燃油蒸发量、撞壁燃油 的 质量、 附壁燃油量 、 附壁 液膜 面积 及 厚度的影响规律， 并 对比 分析 了喷雾撞壁扩散直径与壁面液膜 面积 之间 的联系。 研究 结果表明： （ 1） 海拔越高 （ 定容弹 背压 越 低 ） ， 空间燃油蒸发量越少，撞壁燃油 的 质量、壁面液膜 的 质量、 壁面液膜 的 面积及 壁面液膜 厚度 越 大。 （ 2）喷油 压力越高，空间燃油蒸发量越 大 ， 撞 壁燃油质量、 壁面液膜 的 质量、 壁面液膜 的 面积及 壁面液膜 厚度 越小 。 （ 3）同一工况 下， 喷雾 撞壁 扩散 直径的试验 值 与 壁面液膜 面积的变化 均 保持趋势一
5、致。 三、开展了 柴油机 壁面 液膜燃烧机理 的 数值仿真研究 利用 FIRE 开展了 柴油机 壁面 液膜燃烧机理 的三维 数值仿真研究。 通过 分析缸内 流场 、 温度 场、 油气混合 、空间燃油 量、 附壁 燃油量 及 燃烧放热的特性 ， 研究了海拔和喷油压力 这 两个重要参数 对柴油机 壁面 液膜燃烧机理的影响 ，所得 结论如下： （ 1） 海拔 越高，缸内空间油气混合质量越差， 空间燃油 蒸发量越小，燃油撞壁时刻越提前 ， 撞壁燃油量 、 附壁燃油量 、 液膜 面积、 液膜 厚度越大， 液膜 蒸发速率越慢 ，第一阶段 放热 越 少、第三阶段放热越多，燃烧恶化 越 严重 。 （ 2） 喷
6、油压力越高， 燃油 蒸发速 率 越快 ， 空气与 燃油的混合越 均匀 ， 最大空间燃油蒸发量越少， 但 喷油压力 80MPa 下最大 空间燃油蒸发量和 60MPa 差异较小，相差 4.8mg。喷油压力越高，燃油 开始 发生 撞壁 的 时刻越提前，撞壁燃油量 、 附壁燃油量 、液膜 面积、液膜厚度越大， 但 80MPa 下 最大 附壁燃油量 仅 比60MPa 多 2.2mg， 该值约 占 总 喷油量的 0.9%。喷油压力越高， 滞燃期 越短，燃烧持续时间越长。可见 ， 喷油压力并非越大越好， 适当 增加喷油压力可以 优化 燃烧 ， 本文中 喷油 压力选择 80MPa 可以改善燃烧 。 关键词 ：
7、 柴油机， 燃烧 ， 低介质密度 ， 壁面液膜 ，海拔 Tongji University Master of Engineering Abstract ABSTRACT The plateau region in China is widely distributed, and the area of more than 1000m above sea level accounts for over 1/3 of the national land area. Compared with the atmospheric pressure, air density and temperatur
8、e in the plain, they are lower in the pleatue, leading to the fuel spray hitting wall, and then resulting in wall fuel accumulation and evaporation delay, which leads to more serious post combustion. In view of the above problems, it is very important to study the combustion mechanism of liquid film
9、 on the wall in the diesel engine under the conditions of low density environment (plateau environment). In this paper, a diesel engine as the research object has been choosed to do both the simulation and test in the constant volume bomb, and to simulate a certain type of diesel engine at different
10、 altitudes in the thermal state. And the research on the effects of altitude and fuel injection pressure on the combustion characteristics of liquid film on the side wall of diesel engine has been done. The main work and achievements are as follows: Firstly, the simulation experiments under differen
11、t conditions of constant volume bomb near-wall liquid film macroscopic characteristics. The effects of altitude, injection pressure, nozzle diameter, wall angle and the distance of the wall on the macroscopic characteristics of the attached liquid film were studied by means of spray-wall visualizati
12、on experiment. The influence of the above factors on the diffusion diameter was analyzed quantitatively. The results show: (1) The higher the injection pressure, the larger the injection hole diameter, the smaller the wall angle and the smaller the distance, the more time the spray wall hit the wall
13、. The greater the diameter. (2) The empirical formula of the diffusion diameter of the sprayed wall predicts the variation trend of diffusion diameter with the above factors. Secondly, the numerical simulation study on the liquid film characteristic of the constant volume bomb was carried out. The n
14、umerical simulation was carried out by using the three - dimensional simulation software AVL FIRE. The influences of the altitude (back pressure of constant volume bomb) and the injection pressure on the amount of fuel vaporization, the fuel quality of the wall, the quality of the liquid film, the a
15、rea of the liquid film Tongji University Master of Engineering Abstract V and the thickness of the liquid film were studied. And the telationship between the surface area of the liquid film and the diffusion diameter was studied. Research indicates: (1) The higher the altitude (the lower the back pr
16、essure of constant volume bomb), the less the space fuel evaporation, the quality of the wall fuel, the quality of the film attached, the area of the liquid film and the film thickness. (2) the higher the injection pressure, the more space the amount of fuel evaporation, the quality of wall fuel, th
17、e quality of liquid film attached to the liquid membrane attached to the wall area and the thickness of the film attached to the smaller. (3) Under the same operating conditions, the experimental values of the diffusion wall diameter of sprayed impingement and the liquid film area of the attached me
18、mbrane keep the same trend. Thirdly, the numerical simulation research of the liquid film combustion mechanism of the diesel engine is carried out. The numerical simulation of the combustion mechanism of liquid film on diesel engine with FIRE was carried out. By analyzing the characteristics of the
19、flow field, the temperature field, the oil and gas mixing, the space fuel quantity, the wall fuel quantity and the combustion heat release, the influence of the two parameters of the altitude and fuel injection pressure on the liquid film combustion mechanism.The conclusions are as follows: (1) The
20、higher the altitude, the worse the mixing quality of the oil and gas in the space, the smaller the amount of space fuel evaporation, the more the fuel hit the wall ahead of time, the amount of wall fuel, wall fuel, liquid film, The slower the rate of liquid film evaporation, the less heat the first
21、stage, the third stage more heat, the more serious deterioration of combustion. (2) The higher the fuel injection pressure, the better the mixture quality of the oil and gas in the cylinder space, the faster the fuel evaporation speed, the less the maximum space fuel evaporation. But the difference
22、of the maximum space fuel oil evaporation is small, Part of the crank angle fuel injection pressure 80MPa space than the 60MPa fuel evaporation is greater, the maximum up to 68.4mg. The higher the fuel injection pressure, the higher the fuel wall thickness at the time of 80MPa, the higher the wall t
23、hickness of fuel injected, the wall fuel quantity, the amount of wall Tongji University Master of Engineering Abstract VI fuel, the film area, and the maximum wall fuel quantity of 2.2MPa. Accounting for about 0.9% of the total fuel injection. The higher the injection pressure, the shorter the ignit
24、ion delay, the longer the combustion duration. Visible, the fuel injection pressure is not the bigger the better, the appropriate increase in fuel injection pressure can be optimized combustion. Key words: diesel engine, combustion, low working medium density, wall liquid film, altitude Tongji Unive
25、rsity Master of Engineering Abstract VII 同济大学 硕士学位论文 目录 VIII 目录 摘要 . II ABSTRACT. IV 目录 . VIII 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义 . 1 1.2 柴油机高原环境适应性能的研究现状 . 2 1.2.1 高原环境对柴油机动力性和经济性的影响 . 2 1.2.2 高原环境对柴油机排放性能的影响 . 4 1.2.3 高原环境对柴油机增压系统的影响 . 4 1.3 壁面液膜燃烧机理的研究现状 . 6 1.3.1 壁面液膜形成与雾化模型 . 6 1.3.2 壁面液膜蒸发 雾化混合模型 . 8
26、 1.3.3 壁面液膜燃烧模型 . 10 1.4 本课题的研究内容 . 14 第 2 章 数值计算理论基础 . 17 2.1 基本控制方程 . 17 2.1.1 质量守恒方程 . 17 2.1.2 动量守恒方程 . 17 2.1.3 能量守恒方程 . 18 2.1.4 组分守恒方程 . 18 2.2 湍流与蒸发模型 . 18 2.2.1 湍流模型 . 18 2.2.2 蒸发模型 . 19 2.3 喷雾与燃烧模型 . 20 2.3.1 二次破碎模型 . 20 2.3.2 撞壁模型 . 22 2.3.3 着火模型 . 24 2.3.4 燃烧模型 . 24 2.4 壁面液膜模型 . 25 同济大学
27、硕士学位论文 目录 IX 2.4.1 蒸发模型 . 25 2.4.2 卷吸模型 . 27 2.4.3 飞溅模型 . 27 2.4.4 壁面温度模型 . 27 2.5 本章小结 . 27 第 3 章 定容弹近壁液膜宏观特性可视化试验研究 . 29 3.1 喷雾 撞壁可视化技术 . 29 3.2 喷雾撞壁试验装置及试验方案 . 30 3.2.1 试验装置 . 30 3.2.2 试验方案 . 32 3.3 数据处理方法 . 34 3.3.1 图像阈值分割 . 34 3.3.2 壁面液膜宏观参数定义 . 34 3.4 影响壁面液膜宏观特性的试验研究 . 35 3.4.1 海拔 （定容弹背压）对壁面液膜
28、宏观特性的影响 . 35 3.4.2 喷油压力对壁面液膜宏观特性的影响 . 36 3.4.3 喷孔直径对壁面液膜宏观特性的影响 . 38 3.4.4 撞壁角度对壁面液膜宏观特性的影响 . 39 3.4.5 撞壁距离对壁面液膜宏观特性的影响 . 40 3.5 壁面液膜宏观特性定量研究 . 42 3.5.1 垂直撞壁喷雾扩散直径经验公式 . 42 3.5.2 倾斜撞壁喷雾扩散直径经验公式 . 43 3.6 本章小结 . 44 第 4 章 定容弹壁面液膜特性的数值研究 . 45 4.1 数值模型的建立与验证 . 45 4.1.1 数值模型的建立 . 45 4.1.2 数值模型的验证 . 46 4.2
29、 海拔（定容弹背压）对壁面液膜特性的影响 . 47 4.2.1 海拔（定容弹背压）对空间燃油蒸发量的影响 . 47 4.2.2 海拔（定容弹背压）对撞壁燃油质量的影响 . 47 4.2.3 海拔（定容弹背压）对附壁燃油量的影响 . 48 4.2.4 海拔（定容弹背压 ）对附壁液膜面积的影响 . 48 4.2.5 海拔（定容弹背压）对附壁液膜厚度的影响 . 49 同济大学 硕士学位论文 目录 X 4.3 喷油压力对附壁液膜特性的影响 . 50 4.3.1 喷油压力 对空间燃油蒸发量的影响 . 50 4.3.2 喷油压力对撞壁燃油质量的影响 . 50 4.3.3 喷油压力对附壁燃油量的影响 . 5
30、1 4.3.4 喷油压力对附壁液膜面积的影响 . 51 4.3.5 喷油 压力对附壁液膜厚度的影响 . 52 4.4 本章小结 . 52 第 5 章 柴油机低介质密度条件下壁面液膜燃烧特性研究 . 55 5.1 柴油机实际工作过程三维模型的建立与验证 . 55 5.1.1 柴油机实际燃烧过程三维仿真模型的建立 . 55 5.1.2 柴油机实际工作过程三维模 型的验证 . 56 5.2 海拔对柴油机壁面液膜燃烧特性的影响 . 56 5.2.1 海拔对缸内流动特性的影响 . 56 5.2.2 海拔对油气混合特性的影响 . 59 5.2.3 海拔对缸内温度分布特性的影响 . 61 5.2.4 海拔对
31、空间燃油量的影响 . 62 5.2.5 海拔对撞壁及附壁燃油量的影响 . 65 5.2.6 海拔 对液膜位置分布特性的影响 . 68 5.2.7 海拔对液膜面积及厚度分布特性的影响 . 69 5.2.8 海拔对壁面液膜蒸发特性的影响 . 70 5.2.9 海拔对柴油机燃烧放热特性的影响 . 71 5.3 喷油 压力对柴油机壁面液膜燃烧特性研究 . 73 5.3.1 喷油压力对缸内流动特性的影响 . 73 5.3.2 喷油压力对油气混合特性的影响 . 75 5.3.3 喷油压力对缸内温度分布特性的影响 . 77 5.3.4 喷油压力对空间燃油量的影响 . 79 5.3.5 喷油压力对撞壁及附壁燃油量的影响 . 81 5.3.6 喷油压力对液膜位置分布特性的影响 . 83 5.3.7 喷油压力对液膜厚度分布特性的影响 . 84 5.3.8 喷油压力对液膜蒸发特性的影响 . 85 5.3.9 喷油压力对柴油机燃烧放热特性的影响 . 85 5.4 本章小结 . 87 第 6 章 全文总结及展望 .
