高功率密度柴油机大喷油量喷雾撞壁燃烧特性研究.pdf
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1、高功率密度柴油机大喷油量喷雾撞壁燃烧特性研究董东升,魏明亮,隆武强,王蕊,田华,杨继雅(大连理工大学能源与动力学院,辽宁 大连 ;智能农业动力装备全国重点实验室,河南 洛阳 ;洛阳拖拉机研究所有限公司,河南 洛阳 )摘要:动力技术的快速发展对动力系统的功率密度的要求越来越高,其中高功率密度柴油机应用场景广泛,对于提升我国农用机械、重型工程机械等动力系统技术水平至关重要。高功率密度柴油机需要大喷油量在有限燃烧室空间内的快速燃烧,这就需要提高燃油喷射压力,大量燃油喷雾撞壁燃烧现在不可避免。采用数值模拟的方法研究了大喷油量喷雾撞壁燃烧现象:喷雾撞壁燃烧和自由喷雾燃烧特性相比,适当的喷雾撞壁距离有利于
2、改善燃烧,撞壁距离过短,出现燃油喷雾过早撞壁现象,不利于燃油喷雾在燃烧空间的扩散,油气混合质量变差,导致燃烧恶化。喷雾撞壁也会强化喷雾和空气混合过程,的喷雾撞壁距离有利于提高燃烧速度;壁面温度升高着火时刻提前,生成增多,后燃严重,燃烧持续期变长,不利于燃烧效率的提升。关键词:高功率密度柴油机;大喷油量;撞壁距离;壁面温度中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,:,:;高功率密度柴油机是一种重型发动机,较小的体积和重量具有高功率输出,通常应用于大型动力机械、卡车等重型设备。相比传统柴油机,高功率密度柴油机具有更高的压缩比和燃烧效率,并配有更先进的燃料喷射系统。这些技术使它能够在
3、更小的空间内产生更多的功率,同时减少其对燃料消耗和环境的影响。高功率密度柴油机一般具有较高的燃油喷射量和燃油喷射压力,在燃烧室内产生大喷油量喷雾撞壁现象 。高功率密度柴油机喷雾撞壁特征与喷嘴结构和喷油压力有关:喷嘴内的孔径和角度、喷油压力等参数会影响喷射液体的流速、喷雾的分散度和收稿日期:第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ,直径 。燃料的粘度、密度、表面张力等性质不同,其喷雾的形成方式和撞壁特征也不同。汽缸形状和壁面温度影响着喷雾相对位置和流动状态,从而影响喷雾的撞壁特征 。进气道设计、进气压力和流速对于喷雾与空气混合的速度、方向和质量也有影响,进而影响液态燃油的撞壁和蒸
4、发等特性。各种因素相互作用,共同影响着高功率密度柴油机喷雾的撞壁特征 。通过数值模拟的方法研究了高功率密度柴油机大喷油量喷雾撞壁燃烧现象,对于提高高功率密度柴油机近壁侧燃油喷雾雾化和燃烧具有重要意义。模型标定为了保证数值模拟的准确性,需要验证喷雾撞壁与燃烧模型的准确性。表 所示为模拟所用的喷雾与燃烧模型,液滴撞壁模型采用 模型,模型(柴油机碳烟模型)采用 模型。采用定容燃烧弹可视化试验结果对喷雾与燃烧模型进行标定。试验条件如表 所示,喷油压力 ,喷油量为高功密度柴油机高负荷目标工作点的喷油量 。在喷雾模型中 液滴破碎模型中参数 、和 分别取 ,和 。喷雾模型的标定采用热态喷雾形态、喷雾贯穿距和
5、喷雾锥角,喷雾发展形态标定结果如图 所示为喷油开始后 时刻的喷雾形态。喷雾贯穿距和喷雾锥角的标定结果如图 所示。结果显示模拟结果和试验结果基本一致,说明本文中所使用的喷雾模型能够比较准确地预测喷雾发展过程。表 基础模型设置 模型名称湍流模型 模型液滴破碎模型 模型液滴撞壁模型 模型液滴蒸发模型 模型燃烧模型 模型 模型 模型 模型 模型表 模型标定实验条件 参数喷油压力喷油压力 喷油持续期 环境温度 喷孔直径 图 热态喷雾形态标定 图 喷雾模型标定 模拟结果与分析 喷雾撞壁燃烧和自由喷雾燃烧特性对比图 为定容燃烧弹空间喷雾撞壁和自由喷雾温度分布云图,当环境温度和壁面温度都为 时,环境初始压力为
6、 ,燃油喷射压力为 ,大喷油量为 ,喷孔出口到壁面的喷雾撞壁距离为 。图 喷雾撞壁和自由喷雾温度分布对比 图 展示了燃油喷雾撞壁后温度分布情况。燃油喷雾温度呈现出中间部分和前锋温度高,边缘温度低的特点。自由喷雾由于没有受到壁面的限制在定容燃烧弹空间自由发展,扩展区域大,与空气的混合更加充分,同时具有火焰前锋头部大,尾部细长。董东升等:高功率密度柴油机大喷油量喷雾撞壁燃烧特性研究与喷雾撞壁的条件不同,燃油喷雾在 处发生燃油喷雾撞壁后,燃油喷雾沿壁面扩散发展和溅起。在壁面附近燃油喷雾温度高,燃油喷雾高温区先出现在喷雾两端,且随着喷雾在壁面上扩展,高温区反方向向外扩展。燃油喷雾撞壁燃烧和自由喷雾燃烧
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