论文部分内容阅读
高速直喷式柴油机燃烧室结构对组织缸内油气混合与燃烧具有重要影响,设计恰当的燃烧室结构以实现合理的气流和喷雾运动,可以有效减少燃油附壁,促进油气混合和燃烧,是提升柴油机性能的有效途径。燃油喷射压力的不断提升使高速直喷式柴油机燃烧室结构向着大径深比、低面容比的方向发展,但仍存在着顶隙空间利用不充分、燃油喷雾扩散速度慢的问题。为解决这些问题,提出了双层分流燃烧室（Double-Layer Diverging Combustion chamber,DLDC chamber）的概念,通过使撞壁后的燃油在上、下层燃烧空间分层流动以引导燃油与空气快速均匀混合,实现顶隙空间的快速利用和保证燃烧室中心区域的利用,达到改善柴油机性能的目的。前期研究显示该燃烧室具有改善油气混合、降低油耗率的潜力。为了进一步挖掘双层分流燃烧室节能减排的潜力,有必要研究不同燃油喷射条件下该燃烧室的结构参数对柴油机缸内燃油扩散与燃烧过程、污染物生成过程、空间利用以及性能的影响,阐明其油气室匹配特点,提供双层分流燃烧室的结构设计依据。本文基于一台单缸135柴油机,设计了四种能够反映六项主要结构参数的双层分流燃烧室,采用数值模拟、高速摄影可视化测量和发动机台架实验等方法对双层分流燃烧室进行了更深入的研究。双层分流燃烧室内燃油喷雾扩散的数值模拟结果表明:碰撞台的高度和喉口直径会影响燃油撞壁的状态和撞壁后的扩散速度,取消剥离面有助于燃油的快速扩散。容积较小的近似浅盆形的上层燃烧空间和容积较大的近似浅ω形的上层燃烧空间分别在不同的燃油撞壁情况下促进了燃油喷雾扩散与顶隙空间利用。容积较大、底部凸起较小的下层燃烧空间更有助于燃油快速扩散。选择了结构特征对比明显、燃油喷雾扩散较好的Ⅰ型和Ⅱ型双层分流燃烧室用于后续研究。燃油喷雾在燃烧室二维模型内扩散的高速摄影结果显示:相较于传统结构燃烧室,双层分流燃烧室使燃油更早撞壁,促进了燃油喷雾的扩散和顶隙空间的利用,不同燃烧空间内的燃油喷雾扩散受燃油喷射条件的影响不同,显示出了不同的油气室匹配特点。在本研究的实验条件下还发现:有特定的燃油喷射压力使双层分流燃烧室的燃油喷雾分布范围达到最大;提前燃油喷射正时不利于下层燃烧空间的利用,上层燃烧空间和顶隙空间的利用受燃油进入量和顶隙容积的共同影响,在不同的燃油喷射正时区间内调整燃油喷射正时对双层分流燃烧室的燃油喷雾分布范围影响不同;减小油束夹角和喷孔孔径对容积小、燃油进入量少的下层燃烧空间内燃油喷雾扩散的影响更明显,不同上层燃烧空间内的燃油喷雾扩散会在不同阶段受到更明显的影响。Ⅰ型双层分流燃烧室各区域均获得了良好的利用,扩散后期的燃油喷雾扩散速率高。Ⅱ型双层分流燃烧室使燃油沿上层燃烧空间底部扩散并在该空间外侧停留,扩散初期的燃油喷雾扩散速率高。双层分流燃烧室的缸内数值模拟结果显示:该燃烧室提供了更弱的挤流和逆挤流;其NOx生成主要是由燃烧室直接引导燃油分层燃烧导致的,受逆挤流的影响较传统结构燃烧室小;若易形成更均匀的混合气,碳烟仅会在下层燃烧空间的燃油喷雾扩散末端产生,若燃油易在局部停留,形成的过浓混合气会导致明显的碳烟生成。数值模拟和柴油机台架实验结果表明:改变燃油喷射条件对不同燃烧空间内油气混合和燃烧的影响不同,这使双层分流燃烧室对柴油机的缸内过程和性能的影响不同于传统结构燃烧室。有不同的燃油喷射压力使双层分流燃烧室的油耗率和碳烟排放分别达到最低。提前燃油喷射正时更有助于降低双层分流燃烧室的油耗率。当喷孔数量减少或油束夹角和喷孔孔径减小后,双层分流燃烧室提供了较ω形燃烧室低的油耗率与碳烟排放和较缩口燃烧室低的NOx与碳烟排放。Ⅰ型双层分流燃烧室缸内最高压力和预混合燃烧阶段放热率较高,可提供较低的油耗率和碳烟排放以及较高的NOx排放。Ⅱ型双层分流燃烧室缸内最高压力和预混合燃烧阶段放热率较低,可提供较低的NOx排放以及较高的油耗率和碳烟排放。通过多工况条件下的柴油机台架实验明确了双层分流燃烧室对柴油机性能的影响。其中最显著的结果如下:在喷油嘴A（8孔、1500油束夹角、Φ0.18 mm孔径）、NOx排放相同时,Ⅰ型双层分流燃烧室可提供低于传统结构燃烧室的油耗率和碳烟排放。此时其加权平均油耗率较ω形燃烧室低5.5%、较缩口燃烧室低1.9%,加权平均碳烟排放较ω形燃烧室低52.1%、较缩口燃烧室低35.4%。在喷油嘴B（7孔、150°油束夹角、Φ0.18 mm孔径）、油耗率相同时,Ⅱ型双层分流燃烧室可提供低于传统结构燃烧室的NOx和碳烟排放。此时其加权平均NOx排放较ω形燃烧室低17%、较缩口燃烧室低4.6%,加权平均碳烟排放较ω形燃烧室低45%、较缩口燃烧室低28%。综上,双层分流燃烧室有效促进了燃油喷雾的扩散和顶隙空间的利用。上、下燃烧空间内的油气混合与燃烧受燃油喷射条件的影响不同,显示出有不同的油气室匹配特点,二者共同决定了双层分流燃烧室内的油气混合与燃烧过程以及对柴油机性能的影响。本文还获得了双层分流燃烧室的设计原则:碰撞台较高、喉口直径较大时,双层分流燃烧室应采用容积较大、底部凸起较小的下层燃烧空间和近似浅盆形的上层燃烧空间;碰撞台较低、喉口直径较小时,双层分流燃烧室应采用容积较大的近似浅ω形的上层燃烧空间,此时下层燃烧空间底部会有较高的凸起,但活塞凹坑底部空间仍可以得到有效利用。