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原文传递预燃室结构及喷射参数对汽油机燃烧特性影响的仿真研究

论文题名：	预燃室结构及喷射参数对汽油机燃烧特性影响的仿真研究
关键词：	汽油机;数值模拟;预燃室结构参数;喷射参数;射流特性;燃烧特性
摘要：	预燃室湍流射流点火是一种新兴的燃烧模式，能够拓展发动机的稀薄燃烧极限，保证发动机在稀薄的条件下稳定运行。与传统的火花塞点火相比，预燃室射流点火在稀薄混合气下燃烧较快，能够提高发动机热效率。目前对于预燃室射流点火的研究多集中于天然气发动机，而针对稀燃汽油机预燃室射流点火系统的研究分析相对较少。因此本文采用台架试验与数值模拟相结合的方法，系统地研究了主、预燃烧室形状、预燃室截面比、容积、喷孔直径等结构参数以及预燃室喷射参数对汽油机预燃室内燃烧、射流以及主燃室燃烧特性的影响规律，为射流点火稀燃汽油机设计开发奠定理论和数据基础，并为后续台架性能优化试验指明方向。　　本文首先对一台现有的单缸柴油发动机进行改造，设计、匹配了主动式预燃室射流点火系统，并通过试验验证了主动预燃室射流点火系统在提高主燃室燃烧速度方面的潜力。然后利用Converge软件搭建了发动机三维CFD模型，并通过试验对三维仿真模型进行了校验，试验结果与仿真结果控制在误差允许范围内，保证了仿真模型的可靠性。　　随后基于校验后的模型，仿真研究了主、预燃烧室形状对预燃室内混合气的形成、射流以及主燃室燃烧特性的影响。结果表明：不同的主燃室形状会使主燃室内涡流比强度发生变化，进而影响到预燃室内的混合气分布状态；预燃室混合气整体分布均匀，火花塞附近不存在较大浓区，越有利于预燃室内点火和火焰的快速传播；同时需要匹配合适的主燃室形状以避免射流火焰撞壁的现象发生，否则会极大减弱射流能量。合适的预燃室形状有利于提高预燃室内的滚流强度，进一步改善预燃室内的混合气状态。研究结果表明：预燃室顶部采用平顶设计比采用圆弧设计效果更好，同时可以避免预燃室顶部出现狭窄区域使混合气过于集中分布而导致燃烧不完全。　　在对燃烧室形状仿真研究的基础上，采用控制变量法，进一步研究了预燃室结构参数（截面比、容积、孔径）等单一变量对射流及主燃室燃烧特性的影响规律。对截面比参数的研究结果表明：截面比过小时，预燃室整体高度较低，高温射流较早进入主燃室，射流强度较低且带给主燃室的持续扰动能力不足；截面比过大时，预燃室整体高度变高，越有利于火花塞附近混合气分布，有利于点火，但是预燃室内火焰传播距离变长，会导致火焰传播速度较慢。综合以上结果，选择截面比0.2较为合适。对预燃室容积参数研究结果表明：预燃室容积越小，预燃室混合气分布越差，可燃混合气成分相对越少，射流能量越弱，主燃室燃烧效果越差；而预燃室容积越大，预燃室内可燃混合气成分相对越多，射流强度也越大，整体混合气分布越好，但是过大的预燃室容积会使预燃室内部面容比的增加，导致散热损失增加，以及使整机压缩比降低，导致主燃室燃烧速度变慢。综合以上结果，选择4.5%的预燃室容积较为合适。对喷孔直径参数的研究结果表明：孔径越大，喷孔平均射流速度越低，预燃室射流持续期越短，带给主燃室持续扰动时间越少，但是单位时间内高温热射流产物较多，进入主燃室的点火能量越大；孔径越小，喷孔平均射流速度越高，能够带给主燃室更多的扰动，但是预燃室射流持续期长，单位曲轴转角内预燃室的高温射流产物进入主燃室相对较少，能量较低。综合以上结果，选择孔径为1.0mm较为合适。　　综合上述仿真结果，选择了一组优化较好的主、预燃室布置方案，并深入研究了预燃室内喷射参数对预燃室及主燃室燃烧特性的影响。结果表明：预燃室内过量空气系数在0.9-0.98之间，预燃室燃烧效果最好，主燃室燃烧持续期最短，而混合气过浓或者过稀均会导致主燃室燃烧速度变慢。燃油喷射正时为上止点前240℃A时，既能保证预燃室内燃油有足够的时间与新鲜空气混合，又能避免预燃室内燃油过多地通过喷孔进入主燃室内。
作者：	李岩
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	刘宇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023