高压喷射高速小缸径柴油机燃烧室设计文献综述
2020-04-24 09:04
1.1选题背景与意义
随着全球范围内的排放法规日益严格，使汽车行业不得不想办法研究如何提高柴油机效率、降低柴油机的排放，燃烧系统的优化对柴油机的性能提升非常重要，而燃烧室的设计又是燃烧系统优化一个非常重要的部分，优化设计燃烧室的几何形状，课适当增加燃烧室内的湍流强度，从而改善燃烧与空气的混合质量，加快燃烧速度，延长涡流存续期[1]由于小缸径柴油机有着质量轻、易安放的特点，因此深受人们的欢迎[2]喷油压力是影响柴油机排放性能的关键因素之一，柴油机喷射压力越大，油滴直径越小，燃油雾化效果越好，利于缸内燃烧[3] ，采用增压技术是提高柴油机平均有效压力的有力措施，是我国柴油机技术发展方向[4]，喷油压力的提高对柴油机的燃烧的有利影响可以降低排放，提高能源利用率，对环境保护有极大的帮助，因此兼具这些特点的高压喷射高速小缸径柴油机会进一步显示出其优越性。
1.2国内外研究现状针对高压喷射高速小缸径柴油机燃烧室设计的研究，国内外的学者做了大量工作。进行更好的缸内气流运动、喷雾和燃烧室的匹配对减少污染物的排放有着举足轻重的作用，目前国内外的学者普遍使用的研究方法，主要是利用CFD数值模拟软件研究不同形状柴油机燃烧室对燃烧过程的影响。一般的研究流程主要是：运用CFD数值仿真方法，研究相同排量、压缩比条件下，燃烧室几何形状对柴油机排放特性的影响。按照不同几何参数燃烧室的结构，建立柴油机燃烧室三维模型和压缩、做功过程的数值模型，确定边界条件设置后，可以实现发动机工作过程的三维模型[5]。通过对不同燃烧室结构的燃烧过程分析之后，可以得出各排放物的生产规律，针对实际情况选择更优化的燃烧室设计方案。
国外学者Deshpande等人通过CONVERAGE CFD对在满负荷条件下单缸的直喷柴油机在不同喷油正时和不同燃烧喷射压力下发动机的排放进行预测，研究表明增压发动机的燃油经济性更好，排放更少[6]。Lu Jizu等人的研究表明燃烧室部件之间的传热空间不均匀性对缸内NOx排放的产生有很大影响[7]。K.Annamalai等人的实验表明在更高的喷射压力下TRCC的燃料消耗率得到了改善，排放水平也得到了实质性的降低[8]。K. Annamalai 等人的研究表明在更高的喷射压力下，TRCC的制动热效率和燃料消耗率得到了改善。在更高喷射压力下运行的TRCC也观察到排放水平降低的实质性改善[9]Yu Shi等人已经发现靶向喷雾，涡流比和燃烧室几何形状的最佳组合存在，这个组合会使排放减小到最低，同时也会改善燃料的消耗[10]。
国内学者也对此进行了不少研究。2016年杜宪峰等人研究了喷油压力对柴油机燃烧及排放的影响，研究表明喷油压力越大，油滴直径越小，燃油雾化效果越好，利于缸内燃烧，缸内压力和温度越高，同时加速了NOx的生成，排量增高，Soot量相对应减小[3]。2016杨帅等人研究了燃烧室几何形状对柴油机排放特性影响的数值分析，对两种不同形状燃烧室对柴油机燃烧过程进行仿真模拟计算，研究表明凹坑较浅且开口较大的燃烧室E1与凹坑较深且缩口较小的燃烧室E2相比，E1的CO排放高于E2；HC排放方面，E1燃烧室略低于E2燃烧室；NOx排放方面E1燃烧室低于E2燃烧室[5]。2016年赵刚东采用最优拉丁超立方试验设计方法，完成了燃烧室缩口直径、缩口位置、凹坑深度的取值范围内的多样本点的取样，以获得整个设计域内的预测能力[11]。2012年王永斌应用FLUENT软件对燃烧室冷却水流畅进行了流固耦合仿真计算。计算结果有助于了解和掌握燃烧室冷却水流场和燃烧室壁的温度分布。为优化燃烧室设计与改进提供理论依据和指导[12]。2008年喻超等人阐述了直喷式柴油机各种燃烧室的结构和性能特点及其现状，指出了直喷式柴油机燃烧室设计的发展趋势[13]。2006年何旭等人应用STAR-CD程序对不同几何形状的燃烧室内的燃油雾化、燃烧进行三维数值模拟。计算结束表明，燃烧室的形状对燃烧过程有着重要影响[14]。2013年赵昌普等人研究了燃烧室形状对增压中冷柴油机燃烧和排放影响的数值模拟，研究表明当燃烧室喉口直径相同时，增加燃烧室凹坑深度有利于实现快速燃烧，随着燃烧凹坑加深，最高爆发压力升高，燃烧持续期缩短；深坑缩口型燃烧室燃烧速度快，Soot排放低，但NOx排放高，而浅盘缩口型燃烧室则相反[15]。
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2. 研究的基本内容与方案
{title} 2.1 研究（设计）的基本内容此次研究围绕高压喷射高速小缸径柴油机的设计，通过查阅相关文献和资料，了解国内外相关研究的现状，根据柴油机燃烧室设计原则与方法，进行高压喷射高速小缸径柴油机燃烧室设计，利用发动机喷雾燃烧模拟软件Converge建立模拟计算模型，计算分析喷油压力对柴油机性能与排放的影响。
2.2 研究（设计）的目标
通过此次毕业设计，期望达成以下目标：
（1）、了解国关于内外高速小缸径柴油机燃烧室设计的国内外现状；
（2）、选定参数设计高压喷射高速小缸径柴油机的燃烧室；
（3）、使用Converge软件进行数值模拟得出喷油压力对柴油机燃烧影响；
