超臨界汽油燃料物性及其噴射特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、為了探索內(nèi)燃機(jī)高效清潔燃燒過程，一些新型的內(nèi)燃機(jī)燃燒方式如均質(zhì)壓燃，分層壓燃，低溫燃燒等越來越受到人們的關(guān)注。這些新型燃燒方式的應(yīng)用使得缸內(nèi)的平均溫度和平均壓力大幅提高，接近甚至超過燃料的臨界點(diǎn)。因此對(duì)內(nèi)燃機(jī)超臨界/跨臨界燃燒的研究已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域一個(gè)不可回避的課題。對(duì)當(dāng)前直噴汽油機(jī)而言，將汽油燃料以超臨界態(tài)的形式噴射到氣缸燃燒有潛力突破壓縮比帶來的熱效率極限，同時(shí)大幅降低微粒排放，實(shí)現(xiàn)清潔燃燒。超臨界流體兼具氣體低黏度、高擴(kuò)散系數(shù)和

2、液體高密度的特征，而且混合不經(jīng)歷液滴破碎蒸發(fā)過程。這些因素極大促進(jìn)了燃油與空氣的混合，減少了缸內(nèi)混合氣過濃區(qū)域，從而大幅降低微粒的排放。
　　超臨界流體物理屬性的特殊性是造成超臨界噴射不同于亞臨界噴射的根本原因，因而對(duì)超臨界汽油噴射燃燒的研究離不開可靠的物性參數(shù)。本文首先進(jìn)行了汽油燃料在超臨界和亞臨界條件下的密度、動(dòng)力黏度和定壓比熱測(cè)試，測(cè)試溫度范圍為300K到640K，壓力為4、5和6MPa。測(cè)試結(jié)果顯示各物性參數(shù)在近臨界區(qū)波動(dòng)

3、非常劇烈，而在亞臨界區(qū)和超臨界區(qū)則變化相對(duì)平緩。而且壓力越大，物性參數(shù)變化越平緩。然后根據(jù)所測(cè)試的物性參數(shù)在較大溫度范圍內(nèi)評(píng)估了12種汽油替代混合物在預(yù)測(cè)汽油燃料的臨界溫度、臨界壓力、密度、動(dòng)力黏度、定壓比熱和導(dǎo)熱系數(shù)方面的能力。評(píng)估結(jié)果顯示與汽油臨界參數(shù)最接近的替代混合物是Sur（Surrogate）8；預(yù)測(cè)汽油密度、動(dòng)力黏度、定壓比熱和導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確性最高的替代混合物依次是Sur8、Sur10、Sur2和Sur10，綜合平均絕對(duì)偏差最

4、小的是Sur10和 Sur2。汽油物理替代混合物的研究極大拓寬了研究的溫度和壓力范圍，為超臨界噴射燃燒的數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。
　　本文基于FLUENT軟件建立了超臨界噴射的二維數(shù)值計(jì)算模型。通過模擬超臨界航空燃料JetA噴射入超臨界氮?dú)獾膰娚溥^程并將模擬得出的噴射貫穿距和擴(kuò)張角與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性。然后利用該數(shù)值模型，結(jié)合超臨界汽油燃料物性參數(shù)計(jì)算方法，進(jìn)行了超臨界汽油噴射入超臨界氮?dú)夤r的數(shù)值模擬研究。重點(diǎn)研究了

5、燃油噴射條件（燃油溫度和燃油雷諾數(shù)）和噴射環(huán)境（氮?dú)鉁囟群铜h(huán)境壓力）對(duì)超臨界汽油噴射特征的影響。結(jié)果顯示燃油溫度上升時(shí)，噴射貫穿距縮短，而擴(kuò)張角則基本無變化。通過增大燃油進(jìn)口流量和降低燃油溫度兩種方式實(shí)現(xiàn)的燃油雷諾數(shù)增大，都增大了噴射貫穿距，而對(duì)噴射擴(kuò)張角基本無影響。隨著環(huán)境氮?dú)鉁囟壬仙?，噴射貫穿距減小，而張角增大；環(huán)境壓力增大時(shí)，噴射貫穿距減小，噴射擴(kuò)張角也減小。
　　對(duì)比了超臨界汽油噴射與變密度氣體噴射的異同。對(duì)比結(jié)果顯示利用