高压共轨电控柴油机燃油喷射技术分析毕业设计论文(编辑修改稿)

高压共轨电控柴油机燃油喷射技术分析毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

Kew 和Cornwell [12]基于拉氏常数提出 了一个 Co 常数（ n u m b ert c o n fin em en ） 来 作为小尺度 的 界限。 目前， 一般将大于 mm1 的 燃烧 尺度称为 宏观尺度， 将 mm1~ 的尺度称为细尺度， 将 小于 的尺度 称为微尺度 [13]。 当下 对微尺度燃烧的研究主要 集中于微米 至 毫米级范围内。 燃烧 尺度达到微尺度时， 之前 各种影响因素的相对重要性 会 发生 变化 ，许多宏观 气体 流动中 未被考虑的 因素可能 会在微尺度下 成为主要的影响因素 [14][15]，而其呈现出的新规律 主要表现为：微 小 型燃烧装置中， 尽管 流体流动的特征尺度属 毫米 至 微米 级，但 该尺度 仍 远远 大于分子 之间 的平均自由程， 故 连续介质假设仍然成立。 微 尺度 下 影响流体流动 、 燃烧特性的因素 和这些因素的 重要程度发生的 变化主要 表现如下： （ 1）表面积 /体积比值 （ 面容比 ） 的 变化 流体流动特征尺度 从 厘米向毫米 、 微米发展时，流体的表面积和体积 均 随之变小 ，但 是 表面积 和 体积的比值却 会变大 ， 数值 由 12m10 向 16m10 发展，这 会造 6 成 表面传热 和 表面流动效应 均 加强 [16]， 进而 影响微尺度 的 燃烧特性。 （ 2）梯度参数 的 变化 当 流体流动的特征尺度 微小到 微米量级时，流体空间轴线与壁面 之间 的流体特征参数梯度效应 会 显著增强 [17][18]。 因为 层流对流 的 换热系数 和 流动空间特征尺度的平方根 之间满足 反比 关系 ， 所以 流体空间特征长度 变小时 ， 会 引起对流换热系数 的 增大， 造成 热损失增加。 （ 3）边界层流动特性 的 变化 宏观流体流动 时 ，边界层相对特征尺度小， 其 对流体流动特性的影响 非常有限 ，随特征尺度 变为 微米量级 时 ，边界层 因素变得 越来越重要， 所以 边界层 中 流体的流动状态将 对 流动空间 中 流体的流动特性 产生极大影响 [19][20]。 （ 4）流体流动状态 的 变化 流体流动 时用来 描述流动状态的 参数 是 雷诺数 Re。 当 Re103时，流体处于层流状态， 在 微尺度下 ， 雷诺数满足 该 条件， 故 可将 此时的 流体流动视为层流，流体粘性力 和 壁面作用力对流体 的 流动起主导作用 [21][22]。 （ 5）驻留时间 变短 对于 微小尺度 下的 流体流动，粘性效应 和 扩散效应 的 作用 是主要的 ， 缸内 混合气的形成主要 凭靠 扩散效应。 为保证混合气充分混合，驻留时间应 较 扩散时间更大。 微小型动力装置 中小尺度的燃烧室 有利于反应物扩散 、 混合，其较高的转速将 使 驻留时间 缩短 ， 造 成燃料 没有 充分 扩散 、 混合。 （ 6）微尺度 下 燃烧 减小燃烧室容积会 使 面容比明显变大 ，壁面处自由基的破坏 和 热损失 对 燃烧过程 的进行不利 ，甚至 会 终止化学反应，发生淬熄。 微尺度 下 燃烧火焰 的 传播 和 宏观 下 火焰 的 传播存在 很大 差别。 有 研究表明，微尺度火焰传播 不仅 仅受 到 扩散作用 的 影响 ， 而且还 受扩散 和 化学动力学因素共同 的 影响。 微尺度空间燃烧可行性 的 研究 尽管 微型动力机械 具备很多优点 ，但 在 微尺度下 进行持续 燃烧 的 问题成为了主要问题。 根据 连续介质理论 可以 预测：放热反应的传播 过程中 存在一个临界尺寸（微米量级） [23][24]， 研究员 Davy 通过实验 得出 亚毫米尺度下 的 火焰无法 传播。 另有 研究者在 Davy 研究 工作的基础上 得出了 结构、材料和流速对 可燃混合气 的火焰淬熄 的 特征 [24][25]。 文献 [ 32 ]、[ 31 ]、[ 30 ]、[ 29 ]、[ 28 ]、[ 27 ]、[ 26 ] 分别 利用试验 和 理论 7 详细 分析了淬熄现象的 产生 机理， 共同 指出淬熄发生的主要原因是热淬熄 以及 自由基淬熄。 但是，最 近的部分 试验 [33][34]证明微小 通道中 进行 火焰传播 可行。 试验证明甲烷和氧气的 可燃 混合气 可 在小于 m200 的平板间隙内稳定燃烧。 Mellish [35]、Miesse [36]及 Boyarko [37]在 实验 中分别 验证了甲烷 与 空气 的 可燃混合气在 内径的圆管 中持续 燃烧的可行性。 韩国科学技术学院 也 在理论 层面 证明了微尺度下 持续 燃烧的可行性 [38]。 尽管如此 ，微尺度下空间传热的不可测性等 充分 强调了建立详细的数学模型的必要性 [25][39]。 一些 学者通过试验 及 理论在非绝热燃烧过程中 会 观察到振荡现象的发生 [40][41]。 簧片柔性转子发动机 的 工作原理 簧片 柔性转子发动机 [42]这一 新型的 概念发动机是在微小型动力系统快速发展的 大环境下 提出的。 在 燃烧室中引入 簧片 ， 以其 柔性 可 使工作过程 变得 柔和、各 部件所受 到的 冲击减小， 而且这种结构 仍可 保证 各部分 有 足够的强度， 这就 提高 了 产品的可靠性。 簧片 柔性转子发动机工作原理 与 传统四冲程内燃机相似， 也 包括进气、压缩、做功 、 排气四个冲程， 也是 通过 工质 的压缩、做功驱动转子 和 与 之 固联的定心输出轴转动， 将 燃料的化学能 转换为 机械能。 簧片 柔性转子发动机由前、后端盖、簧片、转子、输出轴、缸体、飞轮等 构成。 前后端盖 、 前后簧片、转子、缸体围成燃烧室，簧片一端 固联于 转子沟槽中，另一端依靠弹性与气缸 壁保持 接触， 在 转子旋转一周 过程中 ，每个燃烧室完成 一次 工作循环， 其 结构示意图如图 所示。 本文中设计的 隔离扇型 样机 就是对簧片柔性转子发动机的具体改进方案。 结构上 采用对置的双燃烧室，转子型线由两对对称的圆弧 构成 ， 以保证进排气过程相互隔离。 簧片 柔性转子发动机采用电热塞点火，进气方式 为 化油器式自然吸气，这样可 以简化 对 点火 、 进气 的 控制 过程。 燃烧室的径向密封由簧片 在 弹性作用 下与 气缸 的 紧密贴合 来保证 ，端面密封则依靠 结构的 加工精度 来 实现。 8 图 簧片柔性转子发动机 结构示意图 簧片 柔性转子 一个完整 工作循环的 各环节 如图 所示。 （ a）进气 过程 （ b）压缩 过程 （ c） 做功过程 （ d）排气 过程 图 簧片转子发动机 工作 循环 示意图 这里 以燃烧室 1 作为 研究对象。 在 进气阶段，簧片释放 出其 储存的能量 ， 同时 燃烧室 2 内气体 做功 ， 一齐驱动 转子转动， 此时 新鲜充量 在燃烧室 1 负压作用下 通过化油器进入燃烧室 1； 在 压缩阶段，惯性飞轮 惯性力 作用下 ， 燃烧室 1 内新鲜充量 被 压缩 ， 燃烧室 2 内废气 被 排出， 此时， 飞轮的惯性力 转化 为簧片的 弹性势能 ；上止点处，电热塞点燃 可燃混合气 ， 气体膨胀做功的同时 簧片释放能量驱动 转子转动，新鲜充量 也被 吸入燃烧室 2 内； 在 排气阶段，燃烧室 1 的簧片在飞轮 惯性力 的 作用下被压缩， 可将 废气由排气口排出。 9 由 簧片 柔性转子发动机的设计 理念和 工作原理 不难发现 ，其有 如下 特点： （ 1） 簧片 柔性转子发动机部件外型结构简单 ， 既可 降低成本 又可 达到很高的加工精度，可以解决轴向密封 的 问题； （ 2） 簧片 柔性转子发动机精简了 传统 发动 机 的 结构，省 去 了 传统 往复式发动机中的曲柄连杆机构，提高了传动效率， 避免了 惯性力和惯性力矩的平衡问题； （ 3） 簧片柔性 转子发动机中 无 偏心结构， 故 可避免转动不平衡带来的不良影响，减少振动， 降低 噪音； （ 4） 簧片柔性 转子发动机需要润滑的部件 数目 少， 可以 大大简化 整体 结构； （ 5）采用柔性簧片转子，簧片 与 转子紧贴缸体内壁，解决 了 径向密封问题； （ 6） 宏观来看， 实现了 发动机 由刚性燃烧室向柔性燃烧室的过渡。 研究目的及研究内容 研究目的及意义 微小型 隔离扇 柔性转子发动机作为本文提出的 新型 样机，其性能特 性 是需要首先 进行 研究的 内容。 对 样机 燃烧室内 的 气体流动 和 燃烧特性的研究具有 十分 重要 的 意义，而且如何组织微小空间内 工质 的稳定燃烧 关乎 发动机 的功能 能否实现。 此外 ，对发动机运转 时隔离扇 的动力学特性进行深入研究，将对提高发动机的 运转可靠性提供理论 支持。 本文 从 以上两个 方面 出发，对燃烧室内的燃烧过程和 隔离扇 转子动力学及运动学特性进行数值 建模 计算，并校核模型所用 的 相关参数，为微小空间内燃烧特性 的研究 和发动机的设计加工提供 了 精确的预测模型。 微 小 型动力机械 具有十分 广阔的 发展 前景。 对本课题的研究，可为微动力系统的 进步、 发展 提供 具有 竞争力的产品支撑。 研究内容 本文以 隔离扇 柔性转子发动机 的 性能特性 和隔离扇 转子动力学两个 方面 为主线，从以下几个方面对 隔离扇 转子发动机的性能 和 可靠性进行 了 研究。 （ 1）总结 当前 国内外微型动力系统 的 研究现状， 说明 微 小 型发动机 的 发展趋势，阐明 隔离扇 柔性转子发动机 的 结构特点 和 工作原理，明确发动机中微小尺度空间流动、燃烧特性 和隔离扇 转子非线性动力学特性。 （ 2） 隔离扇 柔性转子发动机结构 方案 设计。 由 发动机 的 工作原理 和 设计初衷，确定 出其 结构形式 和 尺寸，明确各子系统 的 形式，阐明针对 其 关键问题所采 10 取 的 措施。 （ 3）发动机工作过程 的 数值模拟。 建立工作过程热力学模型，结合燃烧、传热、漏气等子模型 对 发动机燃烧室 的 性能特性 进行计算 ， 阐明 传热、漏气、点火时刻、燃烧持续时间等对 其 性能的影响 ， 并 结合机械损失模型，对整机性能指标进行计算分析。 （ 4）燃烧室流动 和 燃烧过程 的 三维数值模拟。 通过 对 燃烧过程 的 数值模拟来 计算分析燃烧室 气流 流动 和 燃烧性能。 此基础上， 再展开对 燃烧室尺寸 和工况对 其 性能影响规律 的研究。 （ 5）计算分析 隔离扇 转子非线性动力学特性。 建立 隔离扇 转子大范围转动动力学 的 理论模型，通过有限元分析 和 多体动力学计算 校核 隔离扇 静态 和 动态强度，分析 隔离扇 尺寸对其影响规律。 11 第 2 章 隔离扇 柔性转子发动机工作过程数值模拟 隔离扇 柔性转子发动机工作过程数值模拟目的在于建立发动机工作过程的热力学模型， 进一步 了解发动机工作过程 和 性能特性， 同时 研究分析发动机性能影响因素及规律，为 其 性能预测及 方案 改进奠定理论基础。 本章围绕 隔离扇 柔性转子发动机 基本 设计方案，建立发动机热力学 简化 模型，研究燃烧室及发动机整机性能特性，并 从 传热、漏气、点火时刻 和 燃烧持续时间等对发动机性能影响显著 的 因素 入手 进行研究分析。 燃烧模 型 综述 对发动机燃烧性能仿真研究 起始 于 20 世纪 50 年代。 计算机技术的发展 为 人们 开展 基于发动机热力学过程 以及 燃烧过程的实际工作过程的数值模拟 准备了有利条件。 目前广泛采用的燃烧模型主要 有 ：零维模型、准维模型和多维模型。 零维模型 是指 热力学模型，其将发动机气缸视作参量均匀场， 忽略 参数的空间变化， 仅将 缸内工质压力、温度和成分质量分数等宏观参量 视为 时间的函数，采用热力学第一定律对缸内工作过程进行 分析 计算。 准维模型将发动机燃烧室分为 两个部分： 已燃区域、未燃区域。 考虑了工质随燃烧室空间和形状的变化。 虽然准维模型可以对火 焰传播过程进行模拟， 其 预测精度较零维模型有所提高，但基本原理相同， 依旧 无法就室内流动及燃烧过程的细节特征 来 进行描述。 多维模拟 可以 通过流动过程基本微分方程 和 湍流流动方程、燃烧方程以及边界层方程联立求解，在边界条件及初始条件 等 已知条件下建立燃烧同发动机结构参数 和 运转参数的关系， 进而 求解得到燃烧过程 中 流体的速度、温度和组分等时空特性。 通过 比较三种类型 的 燃烧模型， 发现 零维模型可以 较为 准确 地 预测燃烧室内燃烧过程的宏观性能参数， 其 计算方法简便，成本较低，是目前最成熟、应用最广泛的模拟缸内工作过程的燃烧模型， 故 本文首 先以零维模型模拟 隔离扇 柔性转子发动机的工作过程， 计算 得到 缸内 工质主要 的 状态参量，并 基于 此对发动机的综合性能进行预测。 发动机 主要 结构设计 12 整机 结构 设计 隔离扇 柔性转子发动机包括气缸、前端盖、后端盖、 隔离扇、张紧弹簧 、转子输出轴 （ 中间轴 ） 等，在缸体上设计有化油器安装孔、电热塞安装孔及排气孔，转子输出轴通过一对角接触球轴承支撑 于 前、后端盖上，前、后端盖与气缸之间通过螺栓连接，以此形成发动机燃烧 室。 后端盖。