柴油车尾气排放量占机动车的总排放污染物中的比例情况为,占NO_X总量的43%,占颗粒悬浮物的83%。内燃机的燃烧过程对整机性能以及排放特性有着重大的影响。组织合理的燃烧是提高动力性、改善经济性、减少有害排放物和降低噪声的决定性因素。对于直喷式柴油机,燃烧性能在很大程度上取决于缸内可燃混合气的形成过程,而喷油参数和缸内流场情况直接影响着油气混合气的形成质量。因此研究柴油的喷雾燃烧过程对于寻求减少碳烟(soot)排放的方法从而改善排放特性有着重要的意义。本文主要采用实验与数值仿真相结合的方法,研究直喷式柴油机缸内湍流扩散燃烧过程,并针对与碳烟生成有关的参数—火焰浮起长度,来分析其影响因素等相关问题。实验部分主要工作是:搭建定容燃烧弹系统使其适用于本实验需求的环境条件,设计合理的实验步骤。在选定喷嘴及气缸后,综合考虑、选取喷油压力、缸内温度、缸内压力、柴油品质等对燃烧最为关键的影响因素进行研究,然后调整参数并进行实验工作。实验中利用温度、压力等传感器测量实时温度、压力等的变化值,并用特定的图像数据分析软件测量柴油的火焰浮起长度。最终在此基础上分析定容燃烧弹内的环境温度、环境压力以及喷油压力等参数对火焰浮起长度的影响,并分析得出不同比重的燃油对浮起长度的变化趋势的影响,可以为不同燃油的柴油机排放设计提供参考。数值仿真部分主要内容是:基于通用流体软件STAR-CD,对定容燃烧弹内定喷油压力,不同氧气浓度、不同环境温度、不同湍流燃烧模型时的喷雾和燃烧过程进行仿真模拟,分别获取定容燃烧弹内某一时刻的工作状态,并将两种湍流燃烧模型仿真计算得到的结果与实验数据加以对比分析,最终得出上述参数对燃烧效果及火焰浮起长度的影响。研究结果表明:概率密度函数(Probability Density Function,PDF)模型仿真效果要比涡团破碎模型(Eddy Break-up Model,EBU)更接近实验真实值;在环境温度较低时,EBU仿真结果跟实验值差距很大,随着温度升高,逐渐趋近实验值。环境温度为1000K,氧气浓度为21%时,EBU和PDF计算出的火焰浮起长度虽然很近似,但得到的湍流火焰结构是相当不同的;对于较低的环境温度(如环境温度为850K,氧气浓度21%)情况,PDF跟EBU模型之间的差异尤其显著。在所有仿真的不同条件下,与PDF模型相比,EBU模型产生的湍流火焰刷更窄,而且PDF模型中的更加宽泛的湍流火焰刷与实验中观察到的高雷诺数湍流火焰更加一致。最后,分别总结煤油和柴油在不同环境条件下进行喷雾燃烧的实验所得到火焰浮起情况,分析影响两者火焰浮起长度大小和变化趋势的主要因素;以及采用仿真效果较理想的PDF湍流燃烧模型分别对柴油和煤油进行仿真,通过对比分析实验结果,进一步验证PDF模型的可靠性。根据所用燃料的分子结构及碳原子数差异性,对不同品质柴油的火焰浮起长度做出简单的预测,即平均含碳原子数越高的柴油,在较低的环境温度和压力下,火焰浮起长度较小,变化越不明显。