缝隙区催化燃烧影响HCCI发动机燃烧与排放特性的多维数值模拟

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了缝隙区催化燃烧对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间采用详细的化学反应动力学机理.利用此模型分析了活塞顶部及侧面催化剂铂涂层对HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NO浓度场的影响.结果表明,当仅活塞顶存在催化剂涂层时,HCCI发动机着火时刻提前,HC、CO排放降低;当活塞顶及缝隙区同时存在催化剂时,HC、CO的排放更低,但NOx排放略有升高.     

催化燃烧对HCCI发动机着火点、燃烧性能及排放的影响

对甲烷在催化剂铑(Rh)表面的反应机理进行了分析。通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂的HCCI发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区、多区模型。利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,结果表明在控制HCCI发动机着火时刻方面催化燃烧有其他方式所没有的优势;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的燃烧性能及HC、CO、NOx排放的影响,结果表明催化燃烧对燃烧效率、着火持续期有较大的影响,同时能降低HC、CO的排放,但会提高NOx的排放。     

催化燃烧对均质压燃发动机燃烧特性影响的数值模拟

通过运用DETCHEM软件包,对甲烷在催化剂Rh表面的详细反应机理进行了分析,结果表明数值模拟结果与实验数据相当吻合;通过耦合DETCHEM软件包及CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂铑的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区和多区模型．利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,同时讨论了催化燃烧对燃烧过程中主要化学组分浓度变化的影响,结果表明催化燃烧会使HCCI发动机着火时刻提前;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的未燃碳氢化合物(UHC)、氮氧化合物(NOx)排放的影响,结果表明催化燃烧能降低UHC的排放,但会提高NOx的排放．     

催化燃烧对均质压燃发动机排放影响的数值模拟

通过耦合DETCHEM软件包及CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了多区模型.利用此模型分析了催化燃烧对HCCI发动机缸内温度、热释放速率以及未燃碳氢化合物(UHC)、氮氧化合物(NOx)、一氧化碳(CO)排放的影响,结果表明催化燃烧能降低UHC、CO的排放,但NOx的排放会有所升高.对不同催化剂及混合催化剂对HCCI发动机缸内温度、热释放速率以及UHC、NOx、CO排放的影响进行了探索,结果表明,和金属铂相比,以铑作催化剂时UHC的排放降低,但NOx、CO排放会有所升高;采用500/0Pt-500/0Rh的混合催化剂时,UHC、NOx的排放介于1000/0Pt与1000/0Rh之间,但CO的排放却比采用1000/0Pt与1000/0Rh时都要低.     

高辛烷值燃料对HCCI增压发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台经改装的4缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)和93号汽油的进气增压(pin)对均质压燃(HCCI)燃烧特性、性能和排放影响的试验研究.结果表明,进气压力增加,发动机缸内最大爆发压力提高,着火时刻提前.增压后,RON对PRF着火时刻的影响减小,汽油的着火时刻滞后于PRF.进气压力增加,HCCI正常运转工况范围向大负荷和小负荷区域都得到拓展.增压后汽油燃料所能达到的最大负荷比PRF高.相同供油量下,进气压力提高,燃烧效率和净指示热效率先增大后减小;最高燃烧效率和净指示热效率均增大.进气压力增加,HCCI发动机的HC和Nox排放降低,CO排放升高.增压后,RON对PRF的HC、CO和Nox排放影响变小,汽油的HC、CO和Nox排放较PRF高.     

HCCI发动机燃烧多维数值模拟(Ⅰ)——模型的建立和比较

使用多维骨架动力学模型模拟了以异辛烷为燃料的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程。通过结合多维CFD程序KIVA和反应动力学程序CHEMKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。结果表明网格密度和时间步长对HCCI的燃烧过程影响不大,而初始温度对着火点影响显著。通过修改多维模型比较了RNG k-ε湍流模型和标准k-ε湍流模型、Han和Reitz传热模型和传统传热模型、Kong的混合模型和无混合模型,以及不同的缝隙区模型,发现使用RNG k-ε湍流模型、Han和Reitz传热模型和缝隙流动模型计算结果与实验值更为接近。修改后的多维模型在不同当量比下计算得到的压力、放热率和排放值与实验完全一致。     

采用多维数值模拟研究汽油HCCI发动机的排放物生成及演变规律

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKINⅢ相耦合,分析了汽油HCCI发动机燃烧特性及排放物的生成机理及演变规律.发动机以异辛烷为燃料,其化学反应采用了详细的动力学机理.结果表明,此计算模型所得到的缸内压力及放热率的变化趋势与实验基本吻合;由于缝隙区温度较低,因而其成了汽油HCCI发动机HC排放的主要来源,而CO排放的主要来源则是边界层区;由于气缸中心区域温度较高,而NO的生成与温度呈指数关系,因此该区域为汽油HCCI发动机NO排放的主要来源.     

均质压燃发动机燃烧与排放的多区模型模拟

应用一个有质量交换的6区模型模拟正庚烷在HCCI发动机中的燃烧和排放特性．通过把缸内划分为缝隙区、边界层区、外核心区和内核心区,加入Woschni传热模型计入了缸内的温度和浓度的不均匀分布．全部计算基于正庚烷燃烧的包含57种组分290个反应的详细机理,结果表明,该多区模型合理地模拟了HCCI发动机的燃烧过程,并可满意地预测出HC、CO和NO的排放．最后采用此多区模型分别讨论了缝隙容积、边界层厚度和壁面温度对HCCI发动机的燃烧和排放的影响．     

臭氧对天然气均质压缩燃烧的影响

针对均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)技术仍存在着火时刻控制困难、燃烧不充分等问题,以天然气HCCI发动机为研究对象,通过建立HCCI单区模型,耦合CH4-O3反应机理,研究添加臭氧(O3)和一定臭氧浓度下初始参数对天然气HCCI发动机的燃烧过程和排放特性的影响。结果表明:添加O3可以使着火时刻提前,缸内温度和压力升高,且随着O3浓度增大效果越明显,增长幅度逐渐下降;提高进气温度使缸内压力峰值下降,当量比的增大使着火时刻延迟,提示可通过改变O3浓度和初始参数实现对燃烧相位的控制;O3浓度和发动机初始参数的增大均不同程度上促进了NOx排放。     

柴油机多脉冲喷射预混燃烧过程多维数值模拟

建立了三维CFD耦合化学反应动力学模型,对柴油机缸内多脉冲喷射形成的预混燃烧过程进行了模拟,结果表明:该模型能够较准确地预测缸压曲线、着火时刻、NOx和CO2排放,能够预测着火位置、燃烧中间产物和有害排放物的生成历程.多脉冲喷射预混燃烧产生的NOx、CO和未燃HC排放主要来源于靠近缸壁余隙内,要提高这种燃烧方式的效率和降低排放,关键是要减少燃油附壁.     

Current status of droplet and liquid combustion

The present understanding of spray combustion in rocket engine, gas turbine, Diesel engine and industrial furnace applications is reviewed. In some cases, spray combustion can be modeled by ignoring the details of spray evaporation and treating the system as a gaseous diffusion flame; however, in many circumstances, this simplification is not adequate and turbulent two-phase flow must be considered. The behavior of individual droplets is a necessary component of two-phase models and recent work on transient droplet evaporation, ignition and combustion is considered, along with a discussion of important simplifying assumptions involved with modeling these processes. Methods of modeling spray evaporation and combustion processes are also discussed including: one-dimensional models for rocket engine and prevaporized combustion systems, lumped zone models (utilizing well-stirred reactor and plug flow regions) for gas turbine and furnace systems, locally homogeneous turbulent models, and two-phase models. The review highlights the need for improved injector characterization methods, more information of droplet transport characteristics in turbulent flow and continued development of more complete two-phase turbulent models.     

火花塞对缸内汽油直喷增压发动机油气混合影响研究

针对三种不同火花塞,利用STAR-CD软件对某缸内汽油直喷(GDI)增压发动机在1 500 r/min全负荷工况下缸内的油气混合进行了CFD分析,得到发动机在点火时刻气缸内及火花塞附近混合气的空燃比及流场分布,并评价了缸内滚流、湍动能及油气均匀性参数。分析结果表明,在点火时刻,三种火花塞周围湍动能和缸内油气场特性略有差异。但总体上来说,对点火性能影响不大,为GDI发动机的火花塞设计和使用提供了理论依据。     

A joint scalar PDF study of nonpremixed hydrogen ignition

A two-step process was adopted to model turbulent ignition that takes advantage of the possibility of decoupling the mechanical flow from chemical reaction due to the small amount of heat release before ignition. In the first step, a Reynolds stress model is employed to calculate a chemically frozen, turbulent counterflow. The second step models the ignition event by solving a joint scalar PDF equation using a Monte Carlo technique. The frozen velocity field is used to initialize the PDF model and to govern its evolution. As observed in previous DNS calculations, ignition occurs at a “most reactive” mixture fraction. The present calculations indicated that turbulence intensity had little effect on ignition temperatures, which were about 30 K higher than, but parallel to, laminar ignition temperatures. Similar results were found for both the IEM and modified Curl's mixing model. Turbulent ignition temperatures were similar to laminar ones when the mixing model was modified to account for preferential diffusion. These results are different from turbulent ignition experiments since the experiments did indicate a turbulent intensity effect on ignition of up to 35 K. These discrepancies were attributed to shortcomings in the molecular mixing models in the flows of interest where the turbulent Reynolds numbers are low. A potential source of this problem was identified as the representation of the scalar mixing frequency as a constant ratio of the scalar to flow time.     

火花点火发动机准维湍流卷吸燃烧模型的适用性研究（1）

本文在分析火花点火发动机湍流涡结构及缸内湍流特性参数的基础上，提出了适用于火花点火发动机燃烧计算的准维湍流卷吸模型，通过建立相应的子模型及求解方程，实现了燃烧过程的计算；对压缩比为１０的紧凑型燃烧室，在改变发动机转速、负荷、空燃比以及点火正时的情况下，计算得到的压力示功图、质量燃烧率等与实测值一致，从而证实了该模型的合理性。     

气道和燃烧室形状对汽油机缸内流场影响的计算研究

为探究气道及燃烧室形状对汽油机缸内流场的影响,以某1.4L多点进气道喷射(MPI)汽油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件对原机进气道形状进行稳态数值模拟计算,并对原汽油机在2 800r/min最低比油耗工况点进气及燃烧过程进行瞬态数值模拟计算。基于计算结果对进气道及燃烧室形状进行优化设计,提出4种计算方案,对优化前后各计算方案的缸内速度场、湍动能场、火焰前锋面密度和瞬时放热率进行对比分析。结果显示:改进气道的滚流比明显高于原机气道;结合改进气道,进气侧凸起活塞能够更好地维持滚流;在点火时刻,改进气道结合进气侧凸起活塞这一计算方案的缸内湍流分布及湍动能优于改进气道结合大曲率凹坑活塞、原机气道结合原机活塞(压缩比12)与原机计算方案,点火后火焰传播速度最大,燃烧速度最快。优化进气道及燃烧室形状能够加强缸内气流运动,提高点火时刻缸内湍流强度,加速火焰传播,改善燃烧过程。     

汽油机燃烧过程模拟计算及爆震预测

将计算焰前反应的化学反应动力学模型与燃烧模型及湍流火焰传播模型相结合,建立了含有碳氢燃料焰前反应的简易化学动力学模型的汽油机双区燃烧模型。用该模型能较好地模拟汽油机燃烧过程,并能实现爆震预测,研究影响爆震发生的诸多因素。采用此模型对４９２ Ｑ Ａ 汽油机进行模拟计算的结果与试验结果能较好地吻合,证明了该模型的可行性。     

柴油机多维燃烧模拟程序及其参数灵敏性研究

在一个模拟直喷式柴油机燃烧过程的二维模型的基础上,开发了可在微机上运行的二维计算程序,程序名为ＲＥＳＤ－２Ｄ。程序中采用了亚网格尺度（ＳＧＳ）湍流模型、蒸发性液体射流喷雾模型、着火延迟期模型,燃烧和排放的计算采用部分平衡流方法。随后对该模拟程序中与计算参数、燃油喷射、混合、燃烧等相关参数的灵敏性进行了研究,所得到的结论对于ＲＥＳＤ－２Ｄ程序走向实用化有指导意义。还应用该程序针对１２１５０Ｌ柴油机进行了计算,给出了计算结果     

Improving burning speed by using hydrogen enrichment and turbulent jet ignition system in a rotary engine

Low flame speed restrains engine efficiency and increases HC emissions in rotary engines. Hydrogen addition and turbulent jet ignition have a great potential in increasing engine performance as they increase fuel burning speed. In this study, the classical R13b-Renesis Wankel engine and a modified one with a turbulent jet ignition configuration are numerically investigated by using hydrogen as a supplement. Eccentric motion of the rotor was generated by using User Defined Function in ANSYS-Fluent software. Pure methane and methane blended with 3% and 6% hydrogen energy fractions were used as fuels in the calculations. Combustion was modeled by using reduced mechanism of hydrogen-methane combustion having 22 species and 104 reactions. The Wankel engine was simulated at 2000 rpm speed and partial load conditions. At first, classical engine configuration having two spark plugs was simulated with pure methane. Then, hydrogen blended methane simulations were conducted to investigate the benefits of the hydrogen addition. Similar procedure was applied for the turbulent jet ignition application. The results show that both approaches are effective on increasing the burning speed of the fuel. It is revealed that hydrogen addition increases the indicated mean effective pressure (IMEP) by 1.8% and 5.2% for 3% and 6% hydrogen fraction cases respectively in the classical engine. Turbulent jet ignition with pure methane increases IMEP by 4.7% compared to the classical engine. Hydrogen addition only in pre-chamber is effective as much as 6% hydrogen fraction of classical engine. As the burning speed is increased by the application of these methods, CO and HC emissions are reduced and NO emission is increased. It is concluded that benefits of hydrogen addition and turbulent jet ignition applications can be optimized for both reducing harmful emissions and increasing engine performance.     

柴油引燃天然气发动机燃烧过程的研究

对柴油引燃天然气发动机的着火过程、燃烧过程进行研究,提出了相应的数学模型,并进行了试验验证。着火模型的基本框架仍然采用Shell模型,但考虑到CH4对柴油着火过程的影响,修正了Shell模型。对CH4的均质燃烧过程,以简单的一步表观反应动力学概念的阿伦纽斯(Arrhenius)公式为基础,综合湍流脉动对化学动力学的影响,提出了一个新的燃烧模型。模拟计算借助了KIVA-3软件,修正的Shell模型和燃烧模型作为独立子程序与KIVA-3进行了耦合。研究表明,讨论的模型能够较好模拟柴油引燃天然气发动机的着火和燃烧过程。     

进气道和燃烧室形状对大缸径天然气发动机缸内流动和燃烧的影响

为了提升采用当量燃烧的大缸径天然气发动机的指示热效率,提出了组织弱涡流、强滚流、高湍流强度的缸内气流运动的理念,据此设计了不同形状的进气道和燃烧室,并采用三维数值模拟的方法研究了进气道和燃烧室形状对缸内流动和燃烧的影响。研究发现:与原机相比,当将原螺旋进气道改为直进气道并配合原缩口型、新的直口型、敞口型和半球型燃烧室时,缸内涡流运动显著减弱,滚流运动明显增强,在压缩冲程中最大滚流比分别可达0.76、0.83、1.03和1.71;点火时刻缸内平均湍动能分别增加了35.27%、36.26%、50.33%和135.99%,燃烧速率逐渐加快,指示热效率逐渐增加。综上,半球型燃烧室配合直进气道更有利于缸内强滚流的形成和点火时刻湍流强度的提高,指示热效率也由原机的39.51%提高到42.14%。