压端旁通流通特性对两级增压柴油机高密度-低温燃烧过程的基础研究

This project is based on the two stage turbocharged diesel engine as the research object, around the basis of scientific problems of the influence mechanism between compressor bypass flow characteristics of high density and low temperature combustion process and gas path system parameters, mixing process, combustion reaction, emission generation. It is carried out a series of basic research and in-depth exploration by numerical simulation, the optical constant volume combustion experiment and the engine performance test. The goal is to reveal compressor bypass and two-stage turbocharging system in equilibrium and nonequilibrium flow characteristics, and to reveal related parameters is not uniformity in time and space distribution state description method of expression and mathematical description methods, and to put forward the theoretical equation of the optimal allocation and optimization principle by boost ratio, expansion ratio, and energy of two-stage turbocharging system with compressor bypass, and to determine the influence mechanism between environment density, temperature,injection pressure, oxygen concentration, other factors under the condition of the compressor bypass circulation and diesel spray structure of gas and liquid phase, concentration and mixing rate. It is also explore the thermal efficiency and emission limit values of high density and low temperature combustion process with the compressor bypass circulation of two stage turbocharged diesel engine. This study will present original results related to the enrichment and development of high density low temperature combustion theory system.

本项目以两级增压柴油机为研究对象，围绕压端旁通流通特性对高密度-低温燃烧过程中的气路系统相关参数、混合历程、燃烧反应和排放生成影响机理等基础科学问题，通过数值模拟计算、定容光学燃烧实验和内燃机台架性能实验，开展一系列的基础研究和深入探索。旨在揭示压端旁通对两级增压柴油机气路系统在平衡态与非平衡态的流通特性，及其相关参数在时间与空间不均匀性的分布状态描述方法的表达式和数学描述方法，提出适用于两级增压系统能量利用效率最大化时，带压端旁通的两级增压器各级增压比、膨胀比最优分配理论方程及优化原则；确定两级增压柴油机压端旁通流通条件下的环境密度、环境温度、喷油压力、氧浓度等因素对气、液相柴油喷雾结构、浓度场和混合速率的影响机理；探索压端旁通流通特性对两级增压柴油机在高密度-低温燃烧过程中热效率与排放值的极限及其实现途径。该项研究将提出相关的原创性成果，丰富和发展高密度-低温燃烧理论体系。

本项目以两级增压柴油机为研究对象，围绕压端旁通流通特性对高密度-低温燃烧过程中的气路系统相关参数、混合历程、燃烧反应和排放生成影响机理等基础科学问题，通过数值模拟计算、定容光学燃烧实验和内燃机台架性能实验，开展一系列的基础研究和深入探索。项目建立了带旁通阀两级涡轮增压系统模型和数学描述，提出带旁通阀两级涡轮增压系统的优化匹配方法（H-TCB法），有效分析了旁通系数、高压级增压器效率等关键参数对增压比和膨胀比的影响关系，提出了适用于两级增压系统能量利用效率最大化时。带压端旁通的两级增压器各级增压比、膨胀比最优分配理论方程及旁通阀的优选方法；项目分析了带压端旁通的两级增压柴油机压端旁通流通条件下的环境密度、环境温度、喷油压力、氧浓度等因素对气、液相柴油喷雾结构、浓度场和混合速率的影响机理。研究表明，提高环境密度，无论气液相喷雾在轴向贯穿方面受到更大的阻力，贯穿速率下降；导致延迟喷雾撞壁，让喷雾在撞壁之前有更多的时间与环境气体混合；促进液相喷雾破碎，改善喷雾雾化效果。提高环境温度，自由射流喷雾持续时间增加，液相喷雾蒸发速率明显提高，但却增加了当量比分布的不均匀性，不利于燃烧。提高喷油压力对提高油气混合率有着重要意义。而氧气浓度的降低不会对撞壁喷雾发展过程和液滴核以及气相喷雾温度场产生明显影响，但会对撞壁气相喷雾浓度场产生重大影响，使其当量比大幅提高。项目深入分析了压端旁通流通特性对两级增压柴油机在高密度-低温燃烧过程中热效率与排放值的影响关系。研究结果表明，随着压端旁通阀开度增加，进气压力下降，NOx和Soot先增加后减小，HC和CO则呈现相反的现象，热效率也呈现先增加后减小的结果。该项研究提出的相关原创性成果，丰富和发展了高密度-低温燃烧理论体系，对两级增压系统的优化匹配方法，复杂气路技术的协同控制，以及油气参数的耦合作用机制揭示都有重要意义。