闪急沸腾喷雾特性及燃烧和排放影响的仿真研究

作     者：王梓森 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：洪伟

授予年度：2022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：缸内直喷汽油机 闪急沸腾 数值计算 喷雾特性 

摘      要：国内外能源安全和环境污染问题关乎世界和平的稳定与发展,近来国际局势动荡,能源安全更是需要解决的问题。直喷汽油机具有明显的改善燃油经济性,降低排放物的优势,但由于GDI发动机工质混合时间较短,存在着颗粒排放物以及燃烧不均匀等问题,因此燃油的雾化质量对GDI发动机的颗粒物排放和燃烧效率具有重要影响,闪急沸腾就是提升燃油雾化质量有效的手段之一。本文针对闪急沸腾喷雾特性及其对直喷汽油机燃烧和排放的影响进行了较为详细的仿真研究,根据已有的美国Sandia国家实验室的Spray G定容弹实验数据搭建定容弹仿真模型对闪沸喷雾的喷雾形态以及雾化效果进行仿真研究,并研究了多孔闪沸喷雾坍塌、不同比例燃料掺混以及闪沸喷雾孔内流动等;对于内燃机缸内燃烧室仿真则以一台EA111发动机为原机,搭建燃烧室模型,选取一工况点发动机转速2200r/min,有效扭矩为118N·m,改变燃料温度以对比闪沸喷雾和冷态喷雾的燃烧特性和排放特性。得出结论具体如下:1.环境压力和燃料温度组成的无量纲数过热度对于闪沸喷雾的喷雾形态和破碎程度有着最为重要的影响,而对于冷态喷雾过热度的高低影响较小;在相同过热度下的闪沸喷雾由于环境压力的不同,其喷雾形态和破碎程度也会有较小的差别;环境温度对喷雾形态和破碎程度也会有一定程度的影响。2.对于多孔喷雾闪沸喷雾坍塌现象主要是由于油束间的干涉导致,其中对于闪沸喷雾,不同的喷孔数,喷油方向以及喷孔间距都会影响油束间的距离,进而影响喷雾坍塌现象。3.高沸点燃料中掺混低沸点燃料会促进喷雾的破碎程度,改变喷雾形态。整体上改善喷雾的雾化效果,这种促进效果在冷态喷雾下弱于在过渡闪沸和剧烈闪沸下效果,且随着低沸点燃料的占比升高而剧烈,直至纯低沸点燃料喷雾形态会发生较为明显的变化。4.孔壁粗糙度对于冷态喷雾空化现象具有一定的促进作用,可以为空化现象提供反应条件,但对于闪沸喷雾其对于流速的影响反而降低了孔内空化和沸腾现象的发生,且流速的降低会使流量降低,这会使从液相转化为气相的总质量降低;对于不同的喷孔长度,冷态喷雾下较长的喷孔可以促进空化现象的发生,而对于闪沸喷雾,喷孔越长反而会导致流速过低从而抑制孔内闪沸现象的发生。5.对于冷态喷雾和过渡闪沸喷雾,提高燃料温度可以加强喷雾液滴的破碎蒸发强度,因此燃烧效果会随着燃料温度的升高变强,缸压峰值提高,同时由于混合气分布更加均匀导致soot生成质量降低,但在某些过渡闪沸工况下由于液滴直径的变化导致液滴在缸内运动产生变化,导致混合效果变差。对于剧烈闪沸喷雾,较高的燃料温度会导致喷雾锥角变宽,喷雾油束间的干涉加强,破坏了喷雾原本的喷射方向,强烈的喷雾坍塌现象可能会导致混合气形成不均匀,同时过高的燃料温度会导致进气量的减小,造成剧烈闪沸喷雾的燃烧效果和排放效果在一定程度上变差。