摘 要

均质充量压缩着火燃烧(HCCI)被证明是实现柴油机的超低NOx 和微粒排放的有效途径。对于中小缸径直喷式柴油机，油束不可避免地会与燃烧室壁面相撞，在燃烧室壁面形成油膜，使燃油在壁面堆积，导致较高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。直喷柴油机的喷雾特性直接影响着缸内可燃混合气的形成和燃烧的过程，研究喷油器的喷雾特性对于提高发动机的燃油经济性和排放水平具有重要意义。双置式喷嘴设计是避免燃油油束撞壁，实现HCCI燃烧的重要手段。

为了进一步深入研究喷雾碰壁过程，本课题利用大型CFD软件STAR-CD对定容燃烧室内柴油喷雾混合气形成的过程进行数值模拟研究，具体研究了双置式喷嘴间的距离、喷射夹角、环境温度、环境压力对定容室内柴油喷雾混合气形成的影响，并与单喷嘴情况进行对比分析。双置式喷嘴是控制喷油嘴数目来扩宽喷油时的喷油面积，从而影响缸内混合气的形成和发展，实现高效燃烧的。本文将对双置式喷嘴喷雾进行研究，研究结果表明双置式喷嘴喷雾确实能使喷雾更加均匀，让内燃机更接近HCCI燃烧。

通过与单喷油嘴的研究结果对比发现，单喷嘴喷雾碰壁，在燃烧壁面上形成油膜，油液浓度很高不易与空气混合。研究发现双喷嘴在两喷嘴距离为40mm，角度差为20度时油雾与空气混合最均匀，但是在高压下，喷油速度降低，油液扩散也变慢，油液的分布面积也随之减少。

关键词：柴油；喷油嘴；混合气形成；数值模拟

ABSTRACT

Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion (HCCI) has proven to be an effective way to achieve ultra-low NOx and particulate emissions from diesel engines. For medium and small bore direct injection diesel engines， the oil bundle inevitably collides with the wall of the combustion chamber， forming an oil film on the wall of the combustion chamber， causing fuel to accumulate on the wall， resulting in higher HC and CO emissions and increased fuel consumption. The spray characteristics of the direct injection diesel engine directly affect the formation and combustion process of the combustible mixture in the cylinder. It is important to study the spray characteristics of the injector to improve the fuel economy and emission level of the engine. The double-mounted nozzle design is an important means to avoid the collision of fuel oil walls and achieve HCCI combustion.

In order to further study the spray wall-breaking process， this thesis uses the large-scale CFD software STAR-CD to carry out numerical simulation research on the formation process of diesel-spray mixture in the constant-capacity combustion chamber. The distance between the two-position nozzles， the injection angle and the ambient temperature are studied in detail. The influence of environmental pressure on the formation of diesel-spray mixture in a constant volume room is compared with the single nozzle case. The double-mounted nozzle controls the number of injectors to widen the injection area when injecting fuel， thereby affecting the formation and development of the mixture in the cylinder and achieving efficient combustion. In this paper， the double-mounted nozzle spray will be studied. The results show that the double-mounted nozzle spray can make the spray more uniform and make the internal combustion engine closer to HCCI combustion.

Comparing with the research results of the single injector， it is found that the single nozzle spray hits the wall and forms an oil film on the combustion wall， and the oil concentration is high and it is not easy to mix with the air. It is found that the double nozzle has a distance of 40mm between the two nozzles， and the oil mist and air are most uniformly mixed when the angle difference is 20 degrees. However， under high pressure， the injection speed is reduced， the oil diffusion is slowed down， and the oil distribution area is also followed. cut back.

Key words: diesel; injector; mixture formation; numerical simulation

目录

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 HCCI的介绍 1

1.3 HCCI的研究 2

1.4 HCCI技术的前景 4

1.5 HCCI的缺点 4

1.5.1发动机冷启动困难 4

1.5.2废气控制系统的研究 4

1.5.3拓宽HCCI运行工况范围 4

1.5.4控制着火时刻和燃烧速率 5

1.6 喷油嘴对柴油机缸内喷雾及燃烧排放影响 5

1.7本课题的内容及主要要求 6

第二章 公式与STAR-CD 7

2.1 数学公式 7

2.2 STAR-CD简介 8

第三章 喷雾过程的研究 9

3.1 喷油嘴喷雾的模型和实验参数 9

3.2 结果分析与讨论 11

3.2.1单喷嘴低温低压下燃油的喷雾情况 11

3.2.3 40mm双喷嘴低温低压下燃油的喷雾情况 16

3.2.4 20度角度差双喷嘴低温低压下燃油的喷雾情况 19

3.2.6单喷嘴低温高压下燃油的喷雾情况 25

3.2.7 20mm双喷嘴低温高压下燃油的喷雾情况 27

3.2.8 40mm双喷嘴低温高压下燃油的喷雾情况 30

3.2.9 20度角度差双喷嘴低温高压下燃油的喷雾情况 32

3.2.10 30度角度差双喷嘴低温高压下燃油的喷雾情况 35

3.3 对比分析 38

第四章 全文总结与工作展望 39

4.1 全文总结 39

4.2 工作展望 40

4.3 经济性分析 40

参考文献 41

致 谢 43

第一章 绪 论

引言

随着社会科技的发展，能源和环保问题日益严峻，降低排放和改善燃油经济性成为了发动机行业的两个大挑战。

石油属于一种不可再生化石燃料资源，目前整个世界每年的内燃机都有一定量的增加，而石油作为内燃机的主要燃料也面临着日益短缺的问题。因此如何寻找新的代替能源和提高发动机燃油利用率是整个内燃机行业都要面对的严峻问题。

然而目前的内燃机排放物都含有许多危害人体健康和破坏环境的污染物。研究表明, 在传统燃烧技术优化过程中, 柴油机本身由扩散火焰控制的燃烧方式决定, 必然存在PM和NOx排放的Trade-off关系, 这为柴油机的主要排放物控制带来了很大困难^[1]。这些污染物包括氮氧化合物（NOx）、碳氢化合物（HC）、排放微粒物（PM）、一氧化碳（CO））等。按环保标志分类,仅占汽车保有量13.4%的"黄标车"却排放了58.2%的、56.8%的HC、52.5%的CO和81.9%的PM^[2]。随着人们对环境保护和身体健康的重视，各个国家都提出了相关的排放标准，便随着人们环保意识的增强，各国提出的排放法规也越来越严格；也越来越趋向零排放。内燃机燃烧是一个涉及多学科的复杂的化学反应和能量转换过程, 内燃机燃烧过程还有很多方面没有被人们完全把握, 特别是缸内复杂燃烧过程中化学反应机理和碳粒的生成^[3]。这又是对全世界内燃机行业的一大新挑战。

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