魏胜利[1]2009年在《直喷式柴油机涡流室燃烧系统的研究》文中研究指明小型高速柴油机长期以来在我国农村经济的发展中发挥着至关重要的作用。随着能源与环保问题日益严峻,非道路用压燃式发动机的排放标准也应运而生。而涡流室式柴油机由于其在排放与噪声方面的优势,在农用机中占有的比重在扩大。尽快开发面向“三农”的经济适用、环保节能的新型柴油机已成为内燃机工作者的迫切任务。本文结合直喷式和涡流燃烧室柴油机的优点,创造性地提出了一种新型的直喷式柴油机涡流室燃烧系统(DISCCS:Direct-Injection Swirl Chamber Combustion System)。即：在直喷式柴油机的活塞上设置涡流燃烧室,活塞中央大凸台导向面与喉口导向面形成涡流室通道,处于通道下方的凹坑成为涡流室。压缩行程中,活塞顶上方产生的挤流由相对狭窄的通道进入涡流室,在其内形成有规律的纵向涡流运动；而喷雾的一部分或全部与燃烧室壁相碰撞,二次雾化后,进入涡流室,与空气快速混合；着火后,涡流室内压力升高,使得燃烧火焰与部分未燃混合气冲出涡流室,在其上部空间与空气再次混合充分燃烧。这样既保持了涡流室柴油机排放低的优点,又因为减少了气缸盖的传热损失,而有较高的热效率。针对所提出的新型燃烧系统,本文开展了如下研究工作：(1)应用三维CFD软件FIRE 2008对不同方案的燃烧室中喷雾分布、混合气形成与燃烧过程进行了数值模拟研究。结果表明：涡流燃烧室中央凸台大小、通道宽度对燃烧和排放有较大影响。气流强度并非越强越好,而是对排放存在最优值。适当的气流强度能改善混合气形成质量,过强的气流会导致混合气分布不均匀。(2)比较了不同孔数油嘴及油嘴伸出缸盖长度对混合气形成及燃烧的影响。在涡流燃烧室中,采用4×0.36×140°油嘴的性能总体要好于6×0.30×140°油嘴。4×0.36×140°油嘴伸出长度为1.8mm的性能要好于伸出长度为2.8mm、3.8mm的油嘴。减少油嘴伸出长度,增加了喷雾扩散范围,使燃烧室内的空气得到充分利用,提高了油气混合质量,从而降低了碳烟排放。(3)在单缸135柴油机上,对直喷式涡流室燃烧系统进行了发动机性能实验。在采用4×0.36×130°油嘴,供油提前角Ofs=8°CA BTDC情况下,在10%-25%、75%-90%负荷工况时,NOx与碳烟排放均低于原机。涡流室燃烧系统出现了较为明显的双峰放热率特征。放热第一率峰值低于原机,燃烧中期,在燃烧涡流及逆挤流作用下,其第二峰值高于原机。(4)为了研究新的燃烧系统在增压下的性能,开发了模拟增压系统。利用螺杆式空压机出来的压缩空气引入进气道,以提高进气密度。在不同增压压力下,采用原机燃烧室与涡流燃烧室进行了性能实验。实验发现,模拟增压可同时降低NOx与碳烟排放,并改善燃油经济性。在压力为1.8bar,采用6×0.3×150°油嘴,θfs=8°A BTDC情况下,原机燃烧室在90%负荷油耗为223.1g/kW·h(降低了16%),此时NOx为219ppm(降低了81%),Soot为0.2BSU(降低了64%)。由于压气机出来的气体温度高于环境温度15°左右,相当于提高了进气温度,从而缩短了滞燃期。(5)废气再循环是一种低成本的降低NOx排放技术。为此开发了并联文丘里管废气再循环系统。利用文丘里管引入废气与增压进气进行混合。采用涡流燃烧室进行了性能实验,结果发现：EGR可以明显降低NOx排放,但会使Soot增加。有EGR时,使滞燃期延长,缸内最高压力的对应曲轴转角后移,并导致放热率第一峰值升高。
焦运景[2]2006年在《车用直喷式柴油机燃烧过程的多维数值模拟研究》文中研究说明由于柴油机的高效、节能、经济实用以及大转矩的特点,越来越多的汽车开始以柴油机为动力。研究车用直喷式柴油机的燃烧过程,提高其动力性和经济性,降低NOx和碳烟排放,成为一项很有意义的工作。对燃烧过程的研究除传统的试验方法外,建立在试验基础上的内燃机燃烧过程的数值模拟也是一项强有力的措施。本文系统的论述了缸内燃烧过程的三维数值模拟计算模型和数值计算方法,对缸内气体的气相湍流流动模型,柴油喷雾模型和缸内燃烧模型在理论上进行了具体的分析。应用AVL公司开发的三维数值模拟FIRE软件,对直喷式柴油机的气流运动过程、喷雾过程和燃烧过程进行数值模拟仿真计算,详细地展示了缸内流场、喷雾发展形态及空间分布情况和缸内的温度场以及排放物浓度分布情况。应用FIRE软件,本文主要从以下两方面对一台4100型车用直喷式柴油机的燃烧过程进行了详尽的模拟计算与分析:①燃烧室形状:在压缩比ε=17.5的情况下,开发设计了几种不同形状的燃烧室,对比了这几种燃烧室的缸内流场,分析了不同形状燃烧室的缸内温度及排放物浓度分布情况。②喷射参数:对于相同形状的燃烧室,采用不同的喷射参数,如喷嘴的凸出高度,喷油提前角,以及喷雾油束轴线与缸头安装喷油器的孔轴线的夹角,从这几方面进行模拟仿真计算。得出恰当的喷嘴凸出高度可以使NOx和碳烟的排放有所降低。喷油提前角延迟,则NOx生成物降低,放热率也有所降低。通过对不同的喷射参数进行模拟仿真计算,得出最佳匹配参数。并将模拟计算结果与实测结果进行比较,验证了计算模型选取的合理性并指导了试验。本文最后对缸内燃烧过程进一步的深入研究进行了展望。
刘宇[3]2007年在《直喷式柴油机涡流室燃烧系统的燃烧模拟》文中进行了进一步梳理发动机的排放污染问题正日益受到世界各国的重视，如何降低发动机排放物对环境的危害已成为国内外内燃机工作者的焦点。涡流室式柴油机由于其燃烧系统特有的低排放、低噪音、高速适应性好等优点，因此在满足排放要求方面，具有一定的优越性。但与直喷式柴油机相比，也存在燃油消耗率高、起动困难等缺点。如果能结合涡流室式柴油机和直喷式柴油机的优点，研究出一种兼备动力性强、经济性好及排放低的直喷式柴油机涡流室燃烧系统，将具有十分重要的意义。本文主要研究如何利用涡流室燃烧系统的强涡流，使其应用于直喷式柴油机中，从而获得快速均匀的混合气来改善柴油机燃烧过程。控制柴油机燃烧过程的首要因素是混合气形成，而混合气形成又取决于喷雾特性、喷油规律、气缸内空气涡流运动和燃烧室形状等。本文借助于FIRE软件，对这种直喷式柴油机涡流室燃烧系统的压缩、燃烧、膨胀过程进行模拟，考察喷油提前角、涡流室形状、喷油持续期等因素对混合气形成、燃烧过程以及柴油机尾气中的主要排放物NO_x和碳烟的影响。对于喷雾过程，主要通过油滴在气缸中的三维速度矢量图来分析油滴的运动，由缸内的燃油当量比图分析燃油的分布情况。对于燃烧过程，主要通过对不同燃烧室形状和不同喷油提前角下的浓度场、温度场、压力场和速度场分析来评价，并结合燃烧放热率和燃烧累积放热量来分析燃烧的是否充分，结合NO_x和碳烟质量分数曲线分析燃烧的排放情况。结果表明：通过模拟与实验比较，验证了用由FIRE软件建立的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、化学组分守恒的数学模型是有效的；对比分析涡流室式燃烧室和普通燃烧室，由燃烧放热率曲线和累积放热量曲线可知，涡流室式燃烧室具有燃油预混合快和扩散燃烧快的特点。由NO_x和碳烟排放曲线可知，直喷涡流室燃烧系统的碳烟排放明显好很多，但NO_x排放较高；延长喷油持续期可以合理分配预混合燃烧和扩散燃烧的燃油量，在一定程度上达到降低NO_x的目的；改变喷孔夹角大小可以合理分配主燃烧室和涡流室的燃油量，在一定程度上降低了NO_x的排放。
姚春德[4]1988年在《改善高速直喷式柴油机燃烧过程的研究》文中提出本文共分两部分，第一部分介绍了采用较大幅度提高启喷压力和增大供油速率并同时降低涡流强度的方法来改善高速直喷式柴油机性能的试验研究。经在130型单缸试验机上试验，其结果表明：与原机性能相比，改进后的燃烧系统在高速时可以较大幅度地降低油耗，改善排放品质；低速时能较大幅度地改善排放品质，并保持其良好的经济性。而且，高速大负荷时气缸最高燃烧压力也有所下降，此外，结合采用高速摄影、激光全息和激光散射等技术，在模型发动机和高压定容装置上，研究了启喷压力，供油速率和涡流强度对高速直喷式柴油机的混合气形成及燃烧过程，喷雾特性等影响。并对燃烧过程的放热规律进行了分析。 本文第二部分介绍采用应力波理论对针阀落座冲击进行了分析，并给出了不同类型喷油器的座面冲击应力的计算公式，为喷油器设计和启喷压力的选择提供了可靠的理论依据。
李敬福[5]2007年在《SD2100A直喷式柴油机性能改进》文中提出由于能源和环境问题越来越引起现代人的关注，这对内燃机的动力性、经济性以及排放性能提出了越来越高的要求。本文所要研究的SD2100A型直喷式柴油机就是在这种大趋势下由耗油率高且难以起动的涡流式柴油机改制过来的。计算机和计算技术的迅猛发展为内燃机的研究与开发提供了新的技术手段。利用计算机可以使内燃机的设计由过去比较粗糙的经验、半经验设计向精确的模拟计算、优化设计和内燃机CAD方面过渡。内燃机工作过程的计算机模拟计算研究对改善与提高内燃机的动力性、经济性以及排放性能等都将产生重要的作用。GT-Power软件是美国GTI(GAMMA TECHNOLOGIES INC)公司用现代计算机技术和数值计算方法最新开发出的发动机性能模拟与仿真软件，被称为“虚拟发动机”。它丰富的解析机能，准确的物理模型和简单方便的建模方法，适用于对各种发动机进行性能仿真。本文通过采用GT-Power软件，建立了SD2100A直喷式柴油机的仿真模型，用该模型的模拟计算结果与针对该机所作的实验数据进行对比，验证了仿真模型的正确性。对于中小型直喷式柴油机而言，为了改善燃烧过程，提高效率，降低油耗和减少排气污染，多年的研究主要集中在改进喷油系统，在气缸内组织有效的气流运动和设计合理的燃烧室结构形状以及寻求三者间的最佳匹配关系。基于这种考虑，本文从描述上述三大系统的诸多参数中选取了压缩比、喷油提前角、及配气相位中的进气门晚关角和排气门早开角等四个重要参数，利用所建模型，分别对其进行优选计算，将所得结果同时代入模型中计算，并将计算结果与未优选前进行比较，结果表明，优选后的参数值使发动机的动力性和经济性得到了提高。显然，利用GT-Power仿真模型对SD2100A直喷式柴油机进行模拟计算并优化其性能的思路是可行的，进而通过本文的研究工作，得出了对柴油机更新设计和性能优化具有指导意义的结论。
王琦[6]2003年在《直喷式柴油机NO_x排放特性的模拟计算研究》文中研究指明本文在广安博之的油滴蒸发准维燃烧模型的基础上，结合生成NO_x的详细化学动力学机理，建立了直喷式柴油机的NO_x生成模型，并通过实验验证本文建立的模型的正确性，进而用模型研究影响直喷式柴油机燃烧过程中NO_x生成与排放的主要因素。 本文在详细分析了模拟直喷式柴油机燃烧过程的零维模型、准维模型和多维模型各自的特点后，对柴油机的准维燃烧模型作了合理简化。详细地研究了直喷式柴油机燃烧过程中生成NO_x的详细化学动力学机理，包括热力型NO、瞬时型NO生成机理及NO_2生成机理。 用MATLAB科学计算语言编制了柴油机NO_x排放模拟计算程序。用ZH1115直喷式柴油机的台架试验结果来验证模型预测的精度，预测的气缸压力和NO_x排放浓度与实测数据比较吻合。首次对柴油机运行范围内NO_x排放特性进行了模拟计算，并与实测结果进行了对比分析。 应用模型分析了影响直喷式柴油机NO_x排放的主要因素之一的喷油正时对NO_x排放的影响情况。模拟结果和实验结果都表明，推迟喷油，可以减少预混燃烧所占的比例，降低最大燃烧压力，从而减少直喷式柴油机的NO_x排放。
杨耿[7]2016年在《轻量化单缸直喷式柴油机喷油器与燃烧系统匹配研究》文中研究表明在工业革命之后,人类在近一百年的时间里大肆消耗非再生能源,造成能源短缺和环境恶化等问题。柴油机又是推动人类文明进步的一环,所以研发更具经济环保而又有强劲动力的柴油机有非常大的前景。对于直喷柴油机,缸内气体流动、混合气的形成对燃烧的好坏和污染物的排放起着至关重要的作用。虽然电控技术能根据柴油机的工况提供最佳的喷油量,喷油压力也不受内燃机转速的影响。但考虑到工作环境,造价以维修成本等因素。目前对非道路小型农用的柴油机还是通过改进缸内气流的运动,提高可燃混合气的质量来提高其动力经济性。由于GD190单缸柴油机的轻量化设计,使得气缸上的设计布局十分紧密,所以通过对设计指标的估算确定所需喷油器的基本尺寸,对气缸的设计会带来便利。本文研究首先估算了喷油器喷孔的大小,CFD软件AVL FireESE模块建立了喷油器与燃烧室的计算模型,然后,运用AVL Fire软件建立全模型,获得喷孔锥角、喷嘴深度和燃烧室偏置等参数对燃烧的影响。模拟结果表明：对于高速短行程单缸柴油机,在喷油压力、喷孔直径以及燃烧室相同的情况下,需要匹配有较大喷孔锥角的喷油器,且喷油器的安装深度需要较深。在喷孔锥角太小时,油束的切向力不能与从气缸环形流入燃烧室内的气流相匹配形成有利于燃油蒸汽雾化的涡旋。而喷油嘴安装深度较小时,容易使燃油蒸汽依附在气缸盖顶部,不利于燃烧。在油束夹角,以及喷油嘴安装深度不变时,使燃烧室整体偏移活塞中心5mn,喷油器还是安装在燃烧室正上方。仿真结果显示,在2600r/min,满负荷时,偏置燃烧室的柴油机雾化出现雾化不均匀,缸内气流运动较燃烧室不偏置的柴油机有了较大变化。试验结果表明：在高速、高负荷的工况下,不偏置型的燃烧室较偏置燃烧室型油耗要低很多。
龚英利[8]2008年在《基于EGR和低温燃烧概念的柴油机燃烧过程研究》文中研究说明柴油机排放法规日趋严格,根据我国国情,在现有两气门柴油机的基础上研究满足低排放标准的排放控制技术显得尤为重要。EGR技术是降低柴油机NOx排放最有效的措施之一,但增压柴油机由于进气压力高,在高负荷时进气中引入EGR比较困难。因此,本文研究开发了文丘里混合器和单向阀EGR系统。基于低温燃烧概念,通过试验和数值模拟,研究了在产品柴油机上采用大流量EGR实现低温燃烧,从而降低碳烟和NOx排放的控制策略。通过采用机械式喷油泵加EGR系统使两气门产品柴油机达到低排放法规的要求。利用试验和模拟计算研究了低温燃烧过程。模拟计算了不同负荷和EGR率条件下缸内燃烧状况,对Φ-T图做了补充。结果表明,在1800/rmin,10%负荷,EGR率高于61%时,由于高EGR率大幅度降低了氧气浓度而导致的低温燃烧使得碳烟排放量降低。在25%负荷时,进一步降低EGR气体温度可以使燃烧过程向低温燃烧区域移动,远离碳烟生成区,实现低温燃烧。提出燃烧室设计要与EGR技术相适应的观点。设计了能够适应大流量EGR的新燃烧室。研究表明,在新燃烧室凹坑内外均能形成最合适的混合气分布,避免了过浓的混合气区域,燃烧较充分,放热率较高,碳烟排放减少,从而可以较大幅度的增加EGR率,降低N0x排放。研究开发出新型环缝式EGR文丘里混合器,不仅能够引入足够的EGR气体流量,而且能够使EGR气流与进气混合均匀,在最大限度的降低NOx的同时,烟度增加最少。在两气门非道路用柴油机上采用环缝式文丘里混合器EGR系统加机械泵,可以达到美国Tier 3排放标准要求。其NOx比排放量为3.258g/kW.h,比原机降低45%,PM比排放量为0.265g/kW.h。为满足两气门车用柴油机达到欧Ⅲ排放标准的要求,开发设计了带单向阀的EGR系统。试验结果表明,在1740r/min,100%负荷时,该单向阀EGR系统可以实现的EGR率为14%,并且在进气系统内不需要附加任何类型的节流装置。检测试验表明,采用机械泵+单向阀EGR系统可以使两气门车用柴油机达到欧Ⅲ排放标准的限值要求, NOx比排放量为4.77 g/kW.h, PM比排放量为0.067 g/kW.h。
太田幹郎, 庄保怡[9]1984年在《改善直喷式柴油机燃烧过程的研究——乳化燃油的使用》文中提出一、前言直喷式柴油机具有较高的热效率,因此,不但在中低速柴油机、甚至在总排气量小于10公升的中高速柴油机中也已经得到了广泛的应用。但是,在直喷式柴油机中,对氮氧化物(NOx)和排烟采取净化措施后,一般情况下燃油消耗率有所增加,而当前尚未找到恰当的排气净化方法。近来,看到了锅炉中使用乳化燃油(水混入燃油的油中水滴形乳化燃油。以下简称为油包水形乳化燃油——译注),在降低燃油消耗率及NOx的浓度方面取得成功的一些例子。同时也有报告指出,在柴油机上使用这种油包水形乳化燃油后,同样成功地降低了燃油消耗、烟度或NOx的浓度。本文首先根据气缸内火焰的高速照片和高温空气流管道内的燃烧照片,查明了在直喷式柴油机上使用一般燃油和乳化燃油(采用1%的界面活性剂制成的油包水形乳化燃油)时燃烧过程的差异。结果表明,随燃油种类的不同,发火开始状态和燃烧过程存在着差异。为此,对活塞顶的形状和燃油喷雾在燃烧室内的分散状态等作了多种改变,以探讨适合于使用乳化燃油的燃烧室形状。另外,也在实际使用的高速直喷式柴油机上使用这种乳化燃油,并研究使用时产生的问题及其相应的解决措施。
尹景娟[10]2006年在《高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程》文中研究说明近年来,客车高速直喷式(HSDI)柴油机的性能得到很大改善,排气净化技术快速发展,噪声、振动与排气污染有所降低。同时,最大制动热效率已达到42￣43%,燃油经济性比较高。文中针对高速直喷式柴油机燃油喷射系统、燃烧系统以及排气后处理技术的多种实现形式作出了分析比较,并对其研究与发展进程进行了论述。最后,对满足未来超清洁、高性能要求的柴油机进行了展望。
参考文献：
[1]. 直喷式柴油机涡流室燃烧系统的研究[D]. 魏胜利. 大连理工大学. 2009
[2]. 车用直喷式柴油机燃烧过程的多维数值模拟研究[D]. 焦运景. 天津大学. 2006
[3]. 直喷式柴油机涡流室燃烧系统的燃烧模拟[D]. 刘宇. 大连理工大学. 2007
[4]. 改善高速直喷式柴油机燃烧过程的研究[D]. 姚春德. 天津大学. 1988
[5]. SD2100A直喷式柴油机性能改进[D]. 李敬福. 山东大学. 2007
[6]. 直喷式柴油机NO_x排放特性的模拟计算研究[D]. 王琦. 江苏大学. 2003
[7]. 轻量化单缸直喷式柴油机喷油器与燃烧系统匹配研究[D]. 杨耿. 广西大学. 2016
[8]. 基于EGR和低温燃烧概念的柴油机燃烧过程研究[D]. 龚英利. 天津大学. 2008
[9]. 改善直喷式柴油机燃烧过程的研究——乳化燃油的使用[J]. 太田幹郎, 庄保怡. 柴油机. 1984
[10]. 高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程[J]. 尹景娟. 北京汽车. 2006
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