多孔喷油器各孔喷油规律对柴油机喷雾及燃烧影响的研究

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柴油的喷雾和燃烧情况是影响发动机排放和燃油经济性的重要因素。喷油嘴作为柴油机燃油喷射系统的终端,喷嘴的喷射特性对燃油在燃烧室内的分布、燃油雾化的质量、喷油持续期的长短有直接影响,进而影响缸内的燃烧以及发动机的性能。  目前学者们从试验及模拟计算两方面就喷油规律对柴油机燃烧过程的影响开展了诸多研究工作,但多数是基于喷油器总的喷油规律。而由于结构、加工以及使用过程中高压液力条件的差异,多孔喷油器各孔的喷油规律并不一致,这将引起燃烧室内燃油不均匀的空间和时间分布,进而导致喷雾和燃烧过程发生变化。  本文根据连续性方程、伯努利方程、动量守恒和动量定理以及喷孔出口理论流速和瞬态流速之间的函数关系等,建立了基于动量法原理的各孔流量系数和喷油规律的测试方法;选择了合适的力传感器和喷油压力传感器,搭建了喷油器各孔流量系数和喷油规律瞬态测试系统;测量了某单缸柴油机喷油器的各孔喷雾冲量和喷油压力,得出了各孔喷油规律和喷油量、流量系数。根据实测的各孔喷油规律和循环喷油量,应用三维CFD软件建立了柴油机三维燃烧模型。基于研究组自主设计开发的柴油机工作过程测试系统搭建了柴油机工作过程试验台架,利用测得的柴油机标定点的缸内压力和 NOx排放浓度的试验数据验证了计算模型的模拟精度。对比分析了各孔喷油规律对喷雾的宏观特性、燃烧过程热力学参数、碳烟净生成率和质量分数以及NO生成率和质量分数等的影响,通过切片的模拟软件后处理方式分析了喷雾燃烧过程中各孔喷油规律对缸内浓度场、流场、温度场、NO分布和碳烟分布的影响规律。所得主要结论如下:  所建立的各孔瞬态流量系数和喷油规律测试方法能够测试试验用柴油机4孔喷油器的各孔喷油规律,实测得到的4孔喷油器各孔循环喷油量的不均匀系数达到47%。瞬时喷油率大的喷孔,其油束的喷雾贯穿距离大,各孔喷油不均匀时喷油初期各孔喷雾贯穿距离数值的不均匀系数高达40%左右。各孔喷油不均匀以及1孔不喷油、其余3孔喷油均匀时,总体上索特平均直径(SMD)值稍大,燃油蒸发率的曲线稍有后移并较慢达到最大值,而且燃油蒸发率的值较小。  喷油初期瞬时喷油速率高的第4孔所在区域内的混合气最先着火。4孔喷油均匀和1孔不喷油、其余3孔喷油均匀时的混合气着火稍早于4孔喷油不均匀时的情况。各孔喷油均匀时的燃烧速度快,燃油的放热过程更为集中,缸内的温度高,高温区域分布的范围广;缸内平均压力和温度曲线最高,最高燃烧压力和最高温度值也最大;燃烧持续期较短,放热曲线总体上来说最高,燃烧更靠近上止点。  各孔喷油均匀时,燃烧初期碳烟的生成率大、生成区域的范围大、分布更为均匀,但随着燃烧继续,碳烟的氧化作用快速变得最强。燃烧初期,各孔喷油规律实测不均匀时喷油速率大的喷孔所在区域的碳烟分数也多;各孔喷油规律越不均匀,碳烟的氧化效果越差,最终的碳烟分数也越多。  各孔喷油均匀时在燃烧室余隙和燃烧室底部凹坑这些高温富氧区最先出现较多成片的NO生成率较大区域,缸内NO分布也较均匀,最终的NO质量分数多。各孔喷油实测不均匀时最先在喷油量少的喷孔所在的燃烧室区域底部凹坑附近的高温富氧区出现NO生成率较大区域,喷油速率小的喷孔所在区域相对其它喷孔而言有较多的NO生成。
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