电增压及EGR共同作用下对降低汽油机燃油消耗率的试验研究

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火（turbulent jet ignition, TJI）的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。     

不同预燃室结构对甲烷湍流射流点火燃烧的影响

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。     

预燃室射流点火技术对汽油机性能影响的研究

在一款增压直喷小型强化废气涡轮增压汽油机上,进行了加装预燃室与传统点火在低速外特性、中转速负荷特性的燃烧特性、经济性和排放特性对比试验,分析了预燃室火焰射流点火过程与传统点火对汽油机性能影响的规律。研究结果表明,在1500r/min、平均有效压力为2MPa工况,采用预燃室点火后缸内燃烧等容度提高,最高燃烧压力增大,燃烧相位提前7.1°,有效燃油消耗率下降约24g/（kW·h）;在2000r/min负荷特性的试验工况,相比于传统点火,预燃室点火燃烧循环变动均获得改善,燃烧持续期缩短,低负荷时燃烧相位不变而比油耗略微上升,高负荷时燃烧相位大幅提前,比油耗改善约7g/（kW·h）,且最高有效热效率由36.9%上升至37.5%。就气体排放物而言,预燃室点火加速燃烧使NOx排放最高上升约15%,HC排放最多下降约36%,而CO排放低负荷时基本维持不变,在高负荷时略有下降。     

预燃室火焰射流点火对汽油机性能影响的研究

在一款增压直喷小型强化废气涡轮增压汽油机上,进行了加装预燃室与传统点火在低速外特性、中转速负荷特性的燃烧特性、经济性和排放特性对比试验,分析了预燃室火焰射流点火过程与传统点火对汽油机性能影响的规律。研究结果表明,在1 500r/min、平均有效压力为2MPa工况,采用预燃室点火后缸内燃烧等容度提高,最高燃烧压力增大,燃烧相位提前7.1°,有效燃油消耗率下降约24g/(kW·h);在2 000r/min负荷特性的试验工况,相比于传统点火,预燃室点火燃烧循环变动均获得改善,燃烧持续期缩短,低负荷时燃烧相位不变而比油耗略微上升,高负荷时燃烧相位大幅提前,比油耗改善约7g/(kW·h),且最高有效热效率由36.9%上升至37.5%。就气体排放物而言,预燃室点火加速燃烧使NO_x排放最高上升约15%,HC排放最多下降约36%,而CO排放低负荷时基本维持不变,在高负荷时略有下降。     

被动预燃室汽油机当量燃烧特性的数值分析

对一台被动预燃室增压直喷汽油机的燃烧过程进行了三维数值模拟分析,研究了预燃室的不同设计参数如预燃室容积、射流孔数量、射流孔直径、射流孔结构等对当量燃烧时燃烧特性的影响。结果表明,预燃室射流点火优于常规火花塞点火的重要原因是主燃烧室内着火点增多,同时点火后预燃室内产生的高速冲击射流会提升主燃室内的湍流强度,从而加快湍流火焰的传播。在2 000 r/min转速和1.2 MPa平均指示有效压力工况下预燃室发动机的50%燃烧角相对火花塞发动机提前约8.5°。不同结构参数的预燃室模拟分析表明燃烧初期预燃室喷入主燃室射流的动量越大,对主燃室湍流强度的提升效果会越大,燃烧相位也会更优,在上述工况下不同结构预燃室50%燃烧角的差异最高可达约5.8°。变更预燃室结构造成的燃烧相位差异主要体现在燃烧前中期,随着转速和负荷升高,该差异有降低的趋势。     

火花点火式稀薄燃气发动机

<正> 1 引言在预燃室稀薄天然气发动机上进行了燃烧过程详细研究。这种发动机引入主燃烧室的燃气非常稀薄(通常50％～100％的过量空气),而预燃室引入少量较浓燃气。压缩之后,预燃室燃气浓度达到化学当量混合比。预燃室内燃气一旦被火花塞点火引燃,燃烧迅速发生,仅在曲轴转角几度之后火焰射流进入主燃烧室,火焰射流能量比原来火花能量大几个数量级。事实上预燃室在这里起一个“能量放大器”作用,放大后的能量用来引燃主燃烧室的稀薄燃气。     

柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验

为了实现重型柴油机大负荷工况下的高效清洁燃烧,设计了一种应用于重载柴油机的预燃室射流扰动燃烧系统,旨在利用预燃室产生的射流动量促进柴油机大负荷工况下的油、气混合过程,提高扩散燃烧的速度,增大燃烧等容度,从而提高发动机的指示热效率．建立预燃室仿真模型,研究预燃室射流的作用位置、持续时间、动量大小及作用相位对油、气混合与燃烧过程的影响,以缩短发动机燃烧持续期、提高指示热效率为目标,对预燃室的结构进行优化．基于仿真结果,搭建了预燃室射流扰动燃烧系统的试验平台并进行试验．结果表明：在没有明显提高排放的前提下,采用预燃室射流扰动燃烧系统可以有效缩短大负荷工况下的燃烧持续期,提高指示热效率．在转速为1 200 r/min、平均指示有效压力(IMEP)为2.54 MPa、进气压力为0.36 MPa、预燃室喷油量为6 mg且主燃室喷油量为194 mg时,原机指示热效率可从48.18%提升至48.65%.     

基于深度学习的甲烷高压射流湍流燃烧火焰图像处理方法研究

基于定容弹开展了高压天然气（甲烷）射流燃烧光学测试,并分别运用深度学习方法和边缘检测算法进行了图像处理。对比结果表明,由于图像中存在射流、火焰差异大的图像识别目标,边缘检测算法无法较好识别射流和火焰,该算法适合于单一目标的火焰图像处理。深度学习方法可识别射流湍流燃烧火焰轮廓,有效地获得射流湍流燃烧火焰前锋面发展位移及火焰传播速度,该方法适用于多个目标的火焰图像处理。根据深度学习图像处理结果表明：当高压甲烷射流接触预燃球形火焰时,火焰由稳定层流速度（<3 m/s）快速上升,最大火焰传播速度高达300 m/s,形成湍流火焰,火焰沿射流方向快速向前发展,火焰面积增加。随着射流和点火时间间隔的增加,最大火焰传播速度线性下降。     

热裂解生物质气发动机燃烧特性试验

利用农林废弃物可控热裂解产生的生物质气作为火花点火发动机的燃料,测最火花点火生物质气发动机的示功图,分析了生物质气的燃烧放热特性.试验结果表明:发动机怠速点火性能较好,小功率时放热速度较慢,大功率时燃烧速度较快,燃烧较充分;火焰发展期随点火提前角的增大而变长,燃烧相位角随点火提前角、负荷的增大而提前,速燃期随负荷的增加、点火提前角的增大逐渐缩短;生物质气中的氢含量加快了生物质气发动机的燃烧速度.     

用光学纹影摄影术观察分析定容燃烧室内氢燃料的燃烧过程

论述了采用纹影摄影术和高速摄影法观察分析氢气和空气预混合燃料在定容燃烧室内的火花点火燃烧过程,定性地分析了预混合氢气燃料的火焰形态和变化过程,以及燃烧室内的初始压力和空燃比对火焰传播速度及其燃烧压力的影响,通过采用纹影摄影术方法,初步揭示了预混合氢气燃料在定容燃烧室内燃烧时火焰初期紊流产生的机理,以及由开始的层流状火焰发展到湍流状火焰的过程,研究结果表明,预混合氢气燃料燃烧的火焰传播速度及燃烧压力明显地受燃烧室内的初始压力和空燃比的影响。     

大空间尺度下预燃室射流火焰发展历程的光学诊断和模拟研究

基于定容燃烧弹,在与大型低速预燃室式双燃料船机相似的空间和热力学条件下,采用相似的点火过程,对主燃烧室内的射流火焰发展和引燃预混火焰的扩展历程进行光学测试;提出一种基于全网格映射,分阶段采用不同的燃烧模型的方法模拟不同燃烧阶段的火焰发展过程。基于定容装置试验数据验证了模型对燃烧火焰扩展速度预测的适用性和准确性。研究结果表明：预燃室燃油喷射量直接影响射流火焰的最大贯穿距离和火焰强度;主燃烧室内的混合气需要达到一定浓度才能被引燃。对燃烧过程的模拟,第一阶段燃烧采用均质搅拌反应器（well-stirred reactor, WSR）模型可以较为准确地模拟不同燃油喷射量下的射流发展速度和火焰射流的最大贯穿距离;第二阶段燃烧采用G方程可以较为准确地模拟火焰在各方向上的扩展速度。采用Mapping方法连接的两个模型对燃烧两个阶段的火焰扩展的整体速度具有较高的预测精度。     

预燃室射流点火对汽油发动机性能影响

基于一台单缸汽油发动机,设计了主动预燃室系统,试验了预燃室混合气状态对燃烧及排放的影响,通过对比不同点火能量的火花塞点火和预燃室点火,明确预燃室射流点火对燃烧过程影响机理．结果表明：随着预燃室内喷油量的增加,颗粒物数量(PN)排放增加;预燃室内浓混合气能改善燃烧相位、加快燃烧速度,提高点火性能,但预燃室内当量比附近的混合气有更大的节油潜力．当全局过量空气系数φglobal小于1.4时,预燃室点火燃油消耗率恶化;当φglobal大于1.4时,预燃室改善热效率的能力开始凸显．当预燃室中燃油量占总循环油量的分数为2%时,预燃室点火能将稀燃极限扩展至φglobal为2.1,在φglobal为1.8时总指示热效率达到48.5%的最大值．     

预燃室式LPG发动机的试验研究

在不改变原柴油机缸盖结构的前提下，将小型直喷式柴油机改造成预燃室式火花点火LPG发动机。在此基础上，对预燃室喷嘴直径进行了优化试验研究。试验结果表明，这种预燃烧系统作为主室的点火能量放大器和扰动源，可提高燃烧速度，缩短燃烧持续期，达到了稀气快燃的目的，可获得较好的动力性和改善排放，尤其怠速工况下NO排放非常理想。为CNG或LPG发动机的改造、理论研究和应用提供借鉴。     

不同过量空气系数下射流点火发动机燃烧、排放和爆震特性的试验研究

基于单缸试验机研究了过量空气系数对射流点火发动机性能的影响。通过分析发动机性能曲线、缸内燃烧情况及爆震特性探究射流点火最佳运行区间,并与火花点火燃烧方式进行对比。结果表明,射流点火可以有效提升瞬时放热率并拓展发动机稀燃极限,缩短缸内混合气滞燃期与燃烧持续期,同时燃油经济性有一定提升。在稀燃条件下氮氧化物排放极低。爆震方面,随着点火提前角增大,射流火焰的多点点火效应会在缸内产生明显压力震荡,继续增大点火提前角会诱导末端混合气自燃。因此射流点火爆震缸压表现为两阶段压力震荡,爆震因子集中性高。提升过量空气系数可以降低射流点火爆震因子幅值,使发动机工作在轻微爆震或无爆震状态。     

预燃室式天然气掺氢发动机燃烧及排放模拟

为探索掺氢对预燃室式大功率中速天然气发动机燃烧和排放的影响,采用计算流体动力学耦合化学动力学方法,在一台6ACD320型天然气发动机上,对氢气体积分数为0~30%的天然气-氢气混合燃料的燃烧过程进行了数值模拟.结果表明:在天然气中掺氢促使缸内产生了更多的O、OH等活性自由基,从而加速了缸内火焰传播,发动机的指示燃气消耗率下降、指示热效率提高,CO、THC和非甲烷碳氢化合物(NHMC)排放下降,NOx排放上升.对于预燃室式发动机,掺氢增加缸内火焰传播速率的效应主要体现在燃烧过程的后半段,而前半段燃烧过程中,预燃室射流对缸内混合气的湍流激扰效应对缸内湍流燃烧速率起着主导性的作用.综合比较,采用10%的掺氢比对发动机性能和排放较为有利.     

船用低速双燃料发动机预燃室引燃火焰的模拟研究北大核心CSCD

以RT-flex50DF船用低速二冲程双燃料发动机为研究对象,通过对模型的仿真计算分析了引燃火焰的流速及火焰面积在燃烧过程中的影响,总结了该低压喷射双燃料发动机引燃火焰的特点及燃烧过程。通过对比预燃室通道直径的方案发现,增大通道直径可以增加缸内的着火面积,加速燃料燃烧;减小通道直径可以达到增强缸内涡流的效果,提高火焰传播速度,但通道直径过大或过小都会对缸内燃烧产生不利影响。预燃室出口结构的方案通过保持出口截面积不变而增大火焰射流的表面积来加快缸内燃烧,避免孔径对缸内的湍流等参数产生影响,结果表明在该方案中合适的小孔尺寸可以提高缸内放热率的峰值,并缩短燃烧持续时间。     

预燃室氢射流火焰引燃氨预混气火焰发展及着火特性数值研究

基于计算流体平台CONVERGE，对化学当量比下H2射流火焰引燃NH3、空气预混气过程中射流火焰的发展历程、射流特性及主/预燃室物质场分布进行了数值仿真。结果表明：射流火焰发展历程可分为射流阶段、过渡阶段和热射流阶段三个阶段；射流火焰的前锋面移动距离的增长率受NH3火焰传播速度的制约而逐渐下降；随着射流引燃的进行，射流火焰温度场和物质浓度场呈现明显分层现象，NH2高浓度区经分离后分布在射流头部的NH3燃烧区及射流尾部的H2射流火焰区。     

喷油对二冲程汽油机混合燃烧模式影响的模拟

利用三维数值模拟,研究了小负荷时两次喷油策略对气门式二冲程直喷汽油机缸内混合气形成和火花点火形成的火焰诱发自燃的混合燃烧(SFI)特性的影响.结果表明:缸内燃油和温度的分层形式是影响混合气自燃特性的重要因素.在固定循环喷油量下,随着第二次喷油比例的增大,火花点火时火花塞周围燃空当量比增大,从气缸中心区到外围区的燃油浓度减小,着火时刻先略有提前然后逐步推迟,同时燃烧持续期先减小后增加,而平均指示压力、最大压力升高率和最大气缸压力均呈先增加后降低的趋势.与单次喷油相比,两次喷油更容易实现SFI燃烧.其中,第二次喷油比例为30%,时,火焰传播速度最快、自燃持续期最短.第二次喷油比例大于70%,时,气缸周围的偏稀混合气在火焰传播过程中难以自燃,缸内以火焰传播为主.     

具有扫气预燃室的单缸分层给气发动机的研究

本文叙述扫气预燃室式单缸分层给气发动机的基础研究。特别注意排放物与燃油消耗之间的关系,除火花点火发动机典型的运转参数空燃比和点火定时等以外并研究了通过辅助进气门的燃油和质量流量的影响,燃烧室的几何形状是燃烧过程中的主要的附加参数。介绍了无量钢参数如预燃室通道尺寸和预燃室通气系数。以便以更一般的形式给出其结果,与一般火花点火发动机得出的结果进行了比较。     

稀薄燃烧结合高能点火对高压缩比汽油机小负荷工况燃油经济性的影响

汽油机小负荷工况由于泵气损失较大,燃油经济性较差.针对这一问题,基于一台压缩比16的直喷汽油机,结合自主研制的高能点火系统将稀燃极限从1.5拓宽到1.65,最大相对热效率提升22%,其中稀薄燃烧贡献了17%,高能点火贡献了5%.一维数值模拟结果表明,稀薄燃烧可以提高比热比,降低泵气损失和传热损失,高能点火的作用在于加快燃烧初期的湍流火焰速度,增大火焰面积以及生成更多促进燃烧的中间产物,从而缩短滞燃期和燃烧持续期,拓宽稀燃极限.