内燃机中喷雾碰壁及油膜蒸发的数值模拟研究

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内燃机中不可避免地会发生喷雾碰壁及附壁油膜现象。在进气道喷射汽油机冷启动时期,由于喷射压力和壁面温度较低,使得喷雾雾化不充分。这些不能充分蒸发的燃油会落到进气道壁面及进气阀背部,产生油膜沉积。对于小缸径的缸内直喷汽油机,喷嘴与壁面距离较近,喷雾颗粒与空气混合时间短,在活塞表面及气缸套上也容易产生附壁油膜。这些未蒸发的液态油膜不仅会影响混合气的形成,也会使HC排放增加。随着CFD流体仿真软件的快速发展,实现了对缸内工作过程的多维数值模拟计算,为探究缸内复杂湍流运动提供了可能。本文基于Fluent软件,利用以欧拉-拉格朗日为基础的DPM方法,建立了喷雾碰壁及油膜蒸发模型,研究了影响附壁油膜蒸发的因素,主要内容包括:根据文献中的实验条件,首先建立了低压单孔的喷雾碰壁及油膜蒸发模型,并将喷油结束后14ms时刻的油膜厚度和不同时刻油膜面积的变化与实验数据进行了对比。数值结果与实验值吻合良好,验证了模型的可靠性。在此模型基础上分析了各种因素对油膜蒸发的影响,包括喷射高度,喷油脉宽,喷射角度,喷射压力,壁面温度和空气流速等,总结了油膜厚度,附壁油膜质量比率和燃油蒸汽质量比率的变化规律。其次研究了缸内直喷汽油机背景下的高压多孔喷雾,并分析附壁油膜的形成及蒸发情况。根据实验条件,建立了定容弹模型,与实验结果中的贯穿距数据和喷雾碰壁形态作了对比,进而分析了喷射压力、壁面温度和环境背压对蒸发量的影响。最后加入活塞运动,模拟发动机压缩行程后期的喷油情况。通过改变喷油定时及喷射压力,分析附壁油膜质量和蒸发量的变化。通过建立汽油机工作条件下的壁面油膜模型,并分析影响附壁油膜蒸发的各种因素,为喷雾的优化及附壁油膜比率的降低,减少HC的排放提供了理论依据。
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