1、定容弹内汽油掺混酒精燃料的喷雾特性分析院 系 动力与能源工程学院专 业 热能与动力工程班 级学 号姓 名指导教师负责教师沈阳航空航天大学毕业论文I目 录1 绪论 .11.1 课题的背景及研究意义 .11.2 研究的现状 .41.3 本文主要研究的内容.52 雾化机理及模拟计算 .62.1 雾化机理 .62.2 喷雾特性 .82.3 喷雾过程中的其他特性 .102.4CFD 模拟仿真软件介绍 .123 定容弹喷雾仿真计算及分析 .133.1 参数设置 .133.2 酒精掺混汽油燃料的喷雾 .133.3 温度对喷雾贯穿距的影响.153.4 缸内压力对喷雾贯穿距的影响.183.5 喷油压力对喷雾贯穿
2、距的影响.194 结论 .21参 考 文 献 .22致 谢 .24沈阳航空航天大学毕业论文11 绪论1.1 课 题 背 景 及 研 究 意 义内燃机是机动车辆的心脏，它的出现促进了汽车的发展，汽车的大发展又带动了内燃机的飞速发展。而内燃机工业的发展也极大地促进了人类社会的文明与进步，给人类创造了许多行业和就业机会。然而内燃机的大量使用也严重影响到了我国的能源安全，目前汽车耗油约占整个石油消费量的1/ 3，预计2020年中国汽车石油消费比例将上升到 57%，同时向大气排放的有害物质成为我国城市环境的主要污染源。在石油资源逐渐枯竭、环保意识日益增强的情况下，人们迫切要求提高内燃机的动力性、经济性和
3、排放性能。传统汽油机采用进气节流方式对负荷进行“量调节，相比缸内直喷“质调节”的柴油机，具有较高的泵气损失；并且其压缩比为9-11较低（柴油机为16-22），热效率比柴油机低15%左右；当前主流汽油机采用电控进气道燃油喷射(PFI)和三效催化器(TWC)后处理技术，但是，TWC高效转化要求发动机必须燃用化学计量比的混合气，使燃油经济性高于使用稀混合气的柴油机。综上所述，降低汽油机的油耗显得更迫切。在汽油机中，把混合气的实际空燃比A/F大于化学计量比14.7的燃烧称为稀薄燃烧，而采用该项技术也是提高汽油机燃油经济性的众多技术中一项重要措施。传统均质混合气燃烧的稀燃空燃比上限为22，稳定运转即不发
4、生失火的空燃比上限为18，因而提高汽油机燃油经济性的能力有限。近些年来，一种非均质、充量浓度分层、稀薄燃烧为特征的汽油机缸内直喷（GDI）技术可以极大地提高汽油机的燃油经济性，因而该种汽油机成为行业研究和开发的热点。GDI技术出现于上世纪30年代，但受到当时内燃机技术水平的限制，没有得到实际地应用。直到20世纪90年代，随着电子控制技术的发展和广泛应用、燃油经济性法规和排放法规的日益严格，GDI才重新得到快速地发展。日本三菱汽车公司自1996年率先向市场投放第一台GDI发动机以来，先后又开发出了多种不同类型的GDI发动机，即2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机，它们分别装用于四种中、
5、大型轿车投放市场。近年来，该公司又推出多种GDI新机型：4.5L的V8机、1.5L的直列四缸机和0.66L的直列三缸机。三菱公司称其1.8L的GDI发动机不仅可节省燃油20、降低定容弹内汽油掺混酒精燃料的喷雾特性分析2排放20，而且还可把发动机的功率和扭矩提高10；继三菱之后，丰田公司研制出一种D4型2.0L的GDI发动机，并已批量装车使用。随后，丰田公司又开发出1.6L、1.8L和2.0L的GDI发动机。据该公司说其D4型GDI发动机可降低油耗30左右、功率提高约10。除上述两家公司外，日本其它厂家也有多种GDI发动机上市，如日产3.0L和2.5L的V6机、富士重工2.5L的卧式对置四缸机、
6、马自达2.0L的直列四缸机本田1.0L的直列三缸机；克莱斯勒汽车公司开发的四冲程GDI汽油机在采用了其两冲程汽油机科研成果后，使燃油经济性提高了20-30，该公司称目前所获得的这种燃油经济性(5.2L/100km)可以与小排量的直喷式柴油机相媲美；德国奔驰汽车公司于上世纪末投资近亿马克，开始全面启动GDI研究项目；奥迪公司也于上世纪末推出了其1.2L三缸GDI发动机(每缸5气门)，据介绍，该机的油耗较同等功率(56kW)的传统发动机低15-20；宝马公司前不久推出了采用第二代汽油直喷技术（高精度喷油）的两款四缸和六缸燃油分层燃烧自然吸气发动机，无论是在欧洲行驶循环还是在客户端实际运行中都达到了
7、明显的节油效果。在参照工况点，其3L六缸发动机以295g/kWh的油耗取得了比已经是非常节能的Valvetronic发动机降低油耗大约14%的成绩，而且比传统的以节流方式调节扭矩的汽油机低20%。搭载其四缸发动机的118i轿车以其5.9L/100km的欧洲行驶循环试验油耗(对应于140g/km的CO2排放值)成为油耗非常突出的车型，从而在该车所属的功率等级和轿车等级中树立了新的范例。目前市场上的GDI汽油机存在两种主要工作模式：1）非均质、充量分层的稀薄燃烧；2）均质当量混合气燃烧。大多数采用充量分层稀薄燃烧的GDI发动机根据工况不同采用混合燃烧模式：中小负荷时，为了获得较好的燃油经济性，GD
8、I发动机的节气门保持全开，燃油在压缩冲程后期喷入燃烧室，形成非均质的混合气，在火花塞周围的混合气较浓，远离火花塞区域为稀薄混合气，全局空燃比为2540，为分层稀薄燃烧，燃油消耗下降率高达35%；在大负荷时，为了得到较高的动力性，采用化学计量的混合气，燃油在进气冲程早期喷入燃烧室，燃油与空气在燃烧室内充分的混合，为均质当量燃烧，此时动力性比PFI提高10%左右；当GDI发动机全部采用均质当量混合燃烧模式时，它可以使用目前PFI发动机上广泛使用的、技术成熟的TWC满足严格排放法规的要求，从而避免了使用技术尚未成熟、对汽油硫含量要求较高的稀燃NOx催化转化器，尽管均质当量GDI发动机的节油效果不如分
9、层稀燃的GDI，但在与其它先进技术结合下，也能获得较好的节油效果，因而成为目前国际上GDI发动机的发展主流。从2000年以后，欧洲开始采用均质当量混合气燃烧为特征的技术路线沈阳航空航天大学毕业论文3。2003年，欧洲新开发并上市了5款轿车GDI发动机，其中3款采用均质当量燃烧模式；而同年日本新开发并上市的4款轿车GDI发动机仍然采用分层稀薄燃烧模式。2005年，欧洲新开发并上市的7款轿车汽油机中有4款是GDI，日本新开发并上市的8款轿车汽油机有2款是GDI，这6款GDI全部采用均质当量燃烧方式。而对于分层稀燃的GDI，从2006年起，主要依靠适当喷雾特性的分层燃烧系统也开始投放市场，并被公认为
10、是性能最好的分层燃烧系统。而上面所列举的宝马公司最近推出的发动机就是采用了适当喷雾特性的分层燃烧系统，也就是后面所说的喷雾诱导方式的燃烧系统。为了研究直喷汽油机缸内喷雾及混合气的形成，研究者们做了很多试验和分析工作：在定容弹或光学发动机内利用激光多普勒方法测量喷雾液滴的速度和直径；用高速数字照相机摄下喷雾的形状；利用激光诱导荧光法测量燃油的雾化等等。由于缸内直喷汽油机喷油器的多样性及发展时间不长，商业软件中目前还没有现成的缸内直喷汽油机喷雾的计算模型。用计算流体力学方法直接模拟喷油器内的燃油流动及将喷油器出口的燃油液柱分解为大的液滴计算代价太大，现在比较多的做法是在定容弹或光学发动机内测量喷雾
11、的特性，然后用单缸机验证发动机的性能或用CFD标定好模型后再计算缸内的混合及燃烧。随着国际原油价格的攀升以及国内外节能减排呼声的日益高涨,代用燃料的推广和普及对缓解我国石油资源不足具有重要意义。醇类燃料作为最有前途的汽车发动机代用燃料已经越来越引起国内外科研机构和政府部门的重视。醇类燃料与汽油相比具有更高的辛烷值、 更宽泛的着火范围、 更高的火焰传播速度以及更高的汽化潜热值。将醇类燃料或者油醇混合燃料应用在发动机( 进气道喷射和缸内直喷)上, 对减少 CO2 以及其他燃烧排放物有一定的作用。影响喷雾雾化效果的因素主要有三方面: 外界控制条件、 燃油物性以及喷油器结构。目前, 对于醇类代用燃料发
12、动机,研究的重点主要集中在解决冷起动、 燃料腐蚀性等问题,而并没有重点考虑燃料物理化学属性的变化对喷雾及燃烧过程的影响。大部分的代用燃料发动机都只是采用原来的、 适用于汽油燃料的喷雾燃烧系统, 这样势必影响代用燃料发动机的性能。而部分针对代用燃料发动机喷雾与燃烧系统的研究也只限于通过优化燃烧室的结构使其适应喷雾以提高燃烧的质量, 这是被动的,没有考虑从控制燃烧过程的源头( 喷雾雾化)来解决问题。相对于高压直喷系统, 低压直喷系统拥有低成本、 系统结构简单等优势,而当油醇混合燃料用于低压直喷系统时喷雾雾化效果会降低, 这时就需要优化喷嘴结构以削弱低喷射压力对雾化效果的负面作用。本研究通过对乙醇汽
13、油物性的测量、 计算及在高压定容容器中乙醇汽油的喷定容弹内汽油掺混酒精燃料的喷雾特性分析4雾特性闪光灯测试试验,研究乙醇汽油物性与喷雾特性的关系,并利用计算机仿真来探索喷嘴内部结构对雾化效果的影响,为乙醇汽油在直喷发动机尤其是低压直喷发动机上的应用提供基础研究。1.2 研 究 现 状液体的喷雾与雾化过程在国民经济许多部门都有着广泛的应用，加之其重要的理论和学术意义，国内外对该领域的研究都十分重视。国际上也专门成立了液体雾化与喷雾系统学会（ILASS：Institute for Liquid Atomization &Spray Systems）定期召开国际会议讨论各种液体喷射雾化问题。以致喷雾
14、与雾化近年已逐渐形成了流体力学加工程热物理的一个新的分支。对喷雾的研究主要集中在实验测试法和数值计算仿真法上。利用实验，可以用同步闪光照相法、高速摄影法和高速摄像法测量喷雾锥角和喷雾贯穿度及油束的空间形态；可以用激光法、热线法、导线法、液滴固化法、摄影法等测量液滴尺寸和速度。其中运用较多的是激光法，包括：激光全息摄影法、干涉条纹光普法、散射光强比法、多元散射光法和马尔文法等。燃油喷射后要经历油滴破碎、油滴碰撞和聚合、油束撞壁、燃油多组分蒸发等，而以上过程的发生的时间和空间尺度非常小，往往小于计算机所能划分的最小网格，因此对喷雾过程的数值模拟是一个极其困难的课题。国内外大量科研工作者通入了大量的
15、时间和精力在上面。Los Alamos 实验室和英国帝国理工学院在 1980 年发展了离散液滴模型（DDM）。Ranz研究了气体密度对射流分裂的影响并提出液滴尺寸取决于最不稳定波的波长。林松飘提出气动力干扰理论在假定射流表面所受扰动在各处以相同速度增长存在缺陷。史绍熙、李理光、成晓北和黄荣华等人对喷雾滴径分布和雾化过程进行了深入的研究。史春涛用 LDV 测定了高压下柴油喷雾的速度场。许振忠用类似的方法测量了喷雾碰壁前后粒子的速度。随着 CFD 计算方法的成熟，国外一些研究人员在计算模型和数值计算方面进行了大量的研究工作，并取得了极大成功，已经开发出了一系列具有气体流动计算、缸内燃油喷雾、燃烧等
16、方面功能的商业软件，例如日本西迪阿特公司的 STAR-CD 软件、AVL 公司的 FIRE 软件、KIVA 软件和 Ricardo 公司的 VECTIS 软件等。其中STAR-CD 软件件具备湍流模型( k-模型、RSM 模型 )、喷雾燃烧模型(油滴爆裂模型、油雾蒸发模型、壁膜模型、污染物生成模型等)以及燃烧等涉及的各种计算模型。沈阳航空航天大学毕业论文5其自带的网格处理工具 ES-ICE 可以处理结构化移动网格，能模拟发动机进气喷雾燃烧的多个过程。本课题就是利用大型 CFD 模拟仿真软件 STAR-CD 对内燃机流础场及缸内流动及燃油喷射进行数值模拟研究。本文的燃烧始点定义为已燃燃油质量分数
17、从负值变为正值(取燃烧 0. 1 %燃油)时所在曲轴转角 ,燃烧终点定义为燃烧 90 %燃油质量对应的曲轴转角 ,滞燃期定义为从点火开始至燃烧始点的曲轴转角 ,燃烧持续期为燃烧始点至燃烧终点曲轴转角 ,火焰发展角定义为从点火开始至燃烧 10 %燃油质量对应的曲轴转角。定容燃烧弹( 容弹)主要模拟活塞在上止点附近发动机的燃烧状况, 具有结构简单、 易于研究单一湍流参数的变化对燃烧过程的影响等优点, 因而被广泛运用于内燃机燃烧研究。 实验时可根据研究的需要, 在容弹内生成具有不同湍流特性的湍流场。本文采用传统集平均和循环分辨分析两种方法,对结果进行分析比较,以便进一步了解集平均脉动、 平均速度的循
18、环变动和湍流脉动的各自特征尺度以及它们之间的相互关系,为深入研究特定湍流参数对燃烧的影响做好准备。1.3 本 文 主 要 研 究 的 内 容根据研究的任务和本文的选题，广泛阅读了一批国内外相关的研究文献，明确了国内外在缸内流动和燃油喷雾领域内所展开的研究工作、已取得的研究成果、存在的问题和不足等，为确定本文的主攻方向和研究内容奠定了基础。据此本文拟在下面的几个方面展开研究：1.使用AVL Fire软件对某定容弹进行三维瞬态数值模拟，进行物理建模。2.运用AVL Fire进行仿真计算，与对应的实验数据进行对比验证。3.研究了喷油压力，环境压力及温度对喷雾特性的影响。定容弹内汽油掺混酒精燃料的喷雾
19、特性分析62.雾化机理及模拟计算2.1 雾 化 机 理喷射雾化过程可以分为初次雾化和二次雾化两个过程。液体射流喷入气体介质后，在气动力，粘性力和表面张力等力的相互作用下回形成液膜和大量的大直径液滴，这一过程成为初次雾化。但是，这一过程是不稳定的，液膜和大直径液滴会进一步破碎，形成大量的细小液滴，成为二次雾化。同时，初次雾化后形成的液滴除了发生二次雾化外，还会经历碰撞聚合，湍流扩散，蒸发等过程或者还发生喷雾碰壁，从而逐步与空气混合。2.1.1 初次雾化过程Ohneorge 提出应用欧尼索数 Z 和雷诺数 Re 来定量地描述射流的分裂过程。(2.1)02duWe(2.2)0R(2.3)0edZ式中，u射流的速度；气液交界面处的表面张力；液体的密度；液体的动力粘度；喷孔的直径。 0d根据液体的欧尼索数 Z 和雷诺数 Re 的不同，可将射流分裂为四种破碎形态。 1)瑞利型分裂分裂发生在射流下游距喷口相当远处，形成直径大于射流直径的液滴。这种分
