高海拔模拟环境下柴油燃烧粗暴基础研究

作     者：王祥庭 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卫海桥

授予年度：2020年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：高原柴油机 燃烧粗暴 喷雾撞壁 快速压缩机 燃烧模式 

摘      要：我国高原面积广阔,西部高原平均海拔超过4000 m,战略布局诸多。重型柴油机在高海拔(4000 m)运行时存在大负荷燃烧粗暴问题,甚至会导致燃烧室烧蚀。受到众多因素的限制,目前对其产生机理和最终影响燃烧粗暴的因素仍未有定论。因此,本文旨在探究高原重型柴油机工况条件下的燃烧粗暴产生机理及其关键因素影响规律。本文基于快速压缩机光学试验平台和数值模拟,从宏观现象和微观机理两个层面出发,开展了高海拔模拟环境下燃烧粗暴基础研究。首先,基于一台高强化光学快速压缩机开展了高海拔模拟环境下燃烧粗暴的试验研究。研究表明:随着喷油量增加,燃烧正时提前,自燃反应波的传播速度增加,导致峰值压力和压力振荡幅值几乎呈倍数增长,燃烧模式向爆轰发展;提高背景压力可以通过加速喷雾液滴蒸发来削弱液相喷雾撞壁,导致滞燃期减小,从而抑制了自燃出现或者降低自燃反应波传播速度,降低了燃烧粗暴倾向。取决于喷雾撞壁和混合气形成过程,小燃烧室中能观察到单点自燃引发的超音速自燃反应波,而近壁面区域混合气的多点自燃更容易发生在大燃烧室中,并且小燃烧室中的燃烧粗暴强度更高。对比了三种不同十六烷值的柴油的燃烧粗暴特性,研究结果表明:尽管三种柴油的自燃时刻和自燃位置略有差异,但是峰值压力和压力振荡幅值相差不大,同时整个燃烧过程的相似性也很高。因此,相比于喷油量、背景压力以及燃烧室几何尺寸,燃烧粗暴特性对燃料十六烷值更不敏感。其次,基于CONVERGE软件开展了高海拔模拟环境下燃烧粗暴的数值模拟研究。结合压力振荡过程试验-模拟结果,压力振荡的产生机理为:在高原低温低压的环境下,大量油束撞击燃烧室冷壁,导致滞燃期延长和低温反应剧烈,大量混合气自燃导致缸内形成压力差,当压力波沿着压力梯度在燃烧室内来回传播时,引起高频压力振荡。对比了不同喷油策略和背景工况下的数值模拟结果,研究表明:随着喷油量的增加,燃油撞壁加剧,导致附壁燃油量及其铺展半径增加,缸内可燃区域面积增加,这有助于自燃核心的形成和预混火焰加速传播。在喷油量相同的前提下,喷油压力对燃烧粗暴的影响不是单调的,这是因为燃烧粗暴强度并不是完全由滞燃期决定,与混合气量和自燃模式也息息相关。随着背景压力和背景温度的降低,液相喷雾撞壁加剧,滞燃期延长,缸内形成了更多可燃混合气,低温反应和燃烧粗暴强度显著增强,缸内温度梯度和高温区域面积也相应增加,导致燃烧模式逐渐向爆轰转变。然而,低温低压工况却容易发生失火现象。