随着能源危机和环境污染的加剧,人们迫切需要更加清洁和高效的新型动力装置,这使得燃用传统燃料的发动机面临更加严峻的挑战。在此背景下,寻找新型替代燃料以及提高发动机燃烧效率是应对上述挑战的两个最佳途径。其中,针对第一个途径即寻找替代燃料,生物柴油作为一种可再生新型燃料,其燃烧做功能力与传统柴油相当,且能有效降低发动机排放,是柴油发动机的理想替代燃料之一。针对第二个途径即提高发动机燃烧效率,除了继续研究如何提高传统往复式发动机效率外,人们也在尝试发明和改进其它新型的发动机来提高燃料燃烧效率。在新型内燃机中,转子发动机相比传统往复式发动机,具有质量轻、功重比高、运行平稳等先天优势,使其成为往复式发动机的替代者之一。综上可以看出:燃用生物柴油的转子发动机能结合生物柴油和转子发动机两者的优势,是一种具有广阔前景的新型高效动力装置。但是,转子发动机的结构和运行方式与往复式发动机不同,这导致缸内的混合气运动和燃烧过程也不同,其狭长的燃烧室会导致火焰在传播过程中容易出现淬熄而增加残留的未燃烃。当燃用生物柴油时,生物柴油较慢的雾化蒸发速度会进一步加剧这一问题,而目前关于生物柴油转子发动机工作过程的基础研究还远远不足。因此,进行生物柴油转子发动机缸内气流运动、喷雾特性和燃烧过程的基础研究,优化生物柴油转子发动机的结构和技术参数,有着重要的科学意义和实用价值。本文以生物柴油转子发动机为研究对象,把缸内混合气的形成规律和火焰传播机理作为科学问题,搭建了生物柴油喷雾实验台,测试和分析了转子发动机工况下生物柴油的基础喷雾特性。同时,在CFD软件的基础上通过编程实现了动网格运动,并添加相应的湍流模型、燃烧模型、点火模型以及简化的化学反应机理,通过与实验数据的对比验证,得到了基于化学反应动力学的生物柴油转子发动机工作过程动态计算模型,并计算得到了实验不易获得的常用转速工况下缸内三维流场、温度场以及部分中间产物的浓度场的变化规律。并在此基础上,系统地研究了燃料喷射时刻和点火提前角对生物柴油转子发动机缸内混合气形成和燃烧过程影响。研究过程中取得的具有学术意义和实用价值的研究成果如下:(1)在定容弹中对转子发动机工况下的生物柴油喷雾基础特性进行了研究。研究表明:合理的喷雾贯穿距离是改善燃油-空气混合物的一个关键因素。转子发动机工况下,随着环境背压的增加,喷雾贯穿距离缩短,喷雾锥角增大,这有利于提高燃油的雾化质量。(2)通过添加合理的湍流模型、喷雾模型、点火燃烧模型,并结合简化生物柴油氧化反应机理建立了生物柴油转子发动机的三维动态仿真模型,进而对缸内混合气形成及燃烧反应过程进行数值模拟,并结合实验数据对仿真模型进行了可靠性验证。此外,通过仿真计算,得到了实验条件下柴油缸内混合料的形成和生物柴油在缸内的分布情况。(3)在建立的三维数值模拟模型上,计算了喷油时刻缸内混合气形成的影响。结果表明,随着喷油时刻时间的延迟,油缸内燃油分布越小,即燃油分布越不均匀;反之,喷油时刻越早,燃油分布越均匀。在80°CA BTDC时,液相生物柴油的快速蒸发有利于转子发动机性能的改善。此外,通过实验难以获得的燃烧室内部流场、温度场和一些中间产物的浓度场等关键信息在本模拟工作中也能够获得。(4)计算了点火时刻对缸内燃烧过程的影响。研究表明,点火时刻的(35°CA BTDC)适当提前有利于充分利用缸内涡流对火焰传播的加速作用,从而有利于提高发动机的燃烧效率。(5)当生物柴油集中分布在燃烧室的中部,即主、副火花塞中间时,可以获得较高的燃烧效率。在这种情况下,当燃料位于距中心线30毫米(x轴)和15毫米(z轴)时,可以充分利用火花塞的点火效应,在燃烧室中引燃燃料,从而有利于发动机点火与火焰传播的过程,以获得较为理想的燃烧过程。(6)在建立的三维数值模拟模型上,计算了不同当量比对缸内燃烧过程的影响。结果表明,在贫油条件下,缸内燃料分布较集中,而在富油条件下,油缸内分布则较广。结果还表明,以牺牲输出功率为代价的低当量比工况有利于降低排放和节约燃料。因此,在适当的贫油状态下,即当量比为0.8时,有利于减少排放,节约燃料,提高合理的输出功率,从而提高发动机的燃烧效率。本文为生物柴油转子发动机的研究提供了实验和模拟基础,并为其燃烧效率的提高提供了理论指导。同时,论文中提出的研究方法和得出的结论对于其它燃料转子发动机系统的开发也有一定的参考价值。