大缸径气体机缸内流动燃烧的仿真研究

采用STAR-CD软件对大缸径气体机的三维流动、燃烧进行仿真分析,通过与文献中的放热率曲线的对比,验证了三维仿真分析的合理性;得到了大缸径气体机缸内流场分布的详细信息,为后续优化奠定了基础,并为结构计算提供了热力学边界条件。在此基础上分析了连接通道个数对气体机性能的影响。结果表明:对于所研究的大缸径气体机,预燃室容积相同时,6个连接通道的燃烧效果好于4个通道的。     

预燃室式火花塞在大缸径气体机上的试验研究

为解决大缸径气体机燃烧不稳定问题,在大缸径气体机上进行普通火花塞、预燃室式火花塞性能对比试验,及3种预燃室式火花塞对气体机性能影响的对比试验。结果表明：采用预燃室式火花塞可以拓展气体机稀燃极限,大幅提高发动机燃烧稳定性,平均指示压力波动率和最大缸内爆发压力波动率降低约45%,缸内燃烧速度加快,热效率提高约0.5%,涡前排气温度降低约15℃;预燃室式火花塞喷孔直径和数量对气体机燃烧的滞燃期影响较大,较小的喷孔直径更有利于缩短滞燃期,增大喷孔直径导致失火率上升,喷孔数量对失火率影响较小,喷孔直径和数量对燃烧持续期、燃气消耗率和NO_x排放影响较小。     

基于CONVERGE的船用气体机仿真分析

为解决某大型气体燃料发动机燃烧不稳定、燃烧速率慢、热效率下降甚至失火等问题,采用预燃室式燃烧系统并以预燃室混合气加浓的方式实现点火燃烧。应用三维CFD软件CONVERGE对该发动机的排气、进气、压缩和燃烧过程进行了三维CFD数值模拟分析,得到了燃烧室压力、温度、放热率曲线及温度场变化过程等参数;并比较分析了不同点火时刻对燃烧性能的影响。     

天然气发动机预燃室内混合气形成对点火射流的影响

针对船用天然气发动机预燃室内的混合气形成及射流点火特性进行了研究。基于试验标定和验证的喷雾燃烧模型,对预燃室内的柴油雾化–混合–着火过程进行了仿真计算,获得了混合气形成对点火射流特性的影响规律。结果表明,在同时考虑预燃室内燃油湿壁量与雾化质量时,存在一个最佳喷射压力匹配区间,且在相同喷射压力下采用两段喷射可以减少预燃室的燃油湿壁量;增大预燃室内混合气浓度分层并缩短初始着火点与射流孔的距离,可减小燃料损失,增长放热持续期,提高点火能力。     

预混点燃式天然气发动机燃烧过程CFD研究(一)

采用AVL三维CFD软件FIRE对一台预混点燃式天然气发动机的燃烧过程进行了CFD研究。通过模拟仿真得到了发动机缸内气体的压力场、流场、温度场及湍动能等信息,并详细分析了压缩及燃烧过程气体的流动、温度的分布以及湍动能对火焰传播的影响。在此基础上对点火提前角、燃空当量比对燃烧过程的影响进行了模拟研究,为该天然气发动机燃烧过程的设计优化提供了理论性指导。     

预混点燃式天然气发动机燃烧过程CFD研究(二)

采用AVL三维CFD软件FIRE对一台预混点燃式天然气发动机的燃烧过程进行了CFD研究。通过模拟仿真得到了发动机缸内气体的压力场、流场、温度场及湍动能等信息,并详细分析了压缩及燃烧过程气体的流动、温度的分布以及湍动能对火焰传播的影响。在此基础上对点火提前角、燃空当量比对燃烧过程的影响进行了模拟研究,为该天然气发动机燃烧过程的设计优化提供了理论性指导。     

点燃型预燃室在大缸径甲醇发动机上的应用

通过计算流体动力学数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径(320mm)甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NO_x排放很低,SO_x排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织TierⅢ排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、声响强度和NO_x排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、声响强度、指示热效率逐渐下降,NO_x排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略:在平均有效压力低于1.8MPa时控制缸内过量空气系数为2.4并匹配较早的点火正时,在平均有效压力高于1.8MPa时控制过量空气系数为2.1并匹配较晚的点火正时。采用该策略可使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。     

点燃型预燃室在大缸径甲醇发动机上应用

通过计算流体动力学数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径（320mm）甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NOx排放很低,SOx排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织Tier Ⅲ排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、声响强度和NOx排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、声响强度、指示热效率逐渐下降,NOx排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略：在平均有效压力低于1.8MPa时控制缸内过量空气系数为2.4并匹配较早的点火正时,在平均有效压力高于1.8MPa时控制过量空气系数为2.1并匹配较晚的点火正时。采用该策略可使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。     

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．     

高涡流比对低速双燃料船舶发动机天然气/空气混合及燃烧性能的影响

以X92DF超大缸径低速二冲程双燃料船用发动机为研究对象,基于三维数值计算分析了天然气和空气混合过程及燃烧特性,并研究了扫气和燃烧过程中缸内涡流强度对混合质量和火焰传播的影响。结果表明：由于上止点前缸内天然气和空气的混合气浓度分布不均,造成局部高浓度区域出现燃烧异常现象,导致缸内压力振荡幅度增大。通过分析不同涡流强度对缸内天然气/空气的混合质量的影响可以得出,随着扫气过程中涡流强度的增大,上止点前缸内天然气高浓度区域面积明显减小,表明天然气和空气的混合质量得到明显提高。同时,随着缸内涡流比的增加,加快了预燃室射流火焰在主燃烧室内的传播速度和缸内天然气的燃烧速度。进一步研究得出缸内混合质量的提高可以有效地避免局部异常燃烧现象和降低压力振荡。最后,提出一种改善缸内混合质量和减小压力振荡的策略,为液态天然气在船机上的普及提供了一定了理论基础。     

缸内直喷汽油机喷雾、混合气形成和燃烧过程的三维数值模拟

建立了带进排气道的缸内直喷(GDI)汽油机三维数值模型,并对喷雾模型和燃烧模型进行了实验标定,进而模拟了GDI发动机化学当量比条件下均质混合气和分层混合气两种模式从进气-喷雾-混合气形成-燃烧的全过程.模拟结果表明,GDI发动机高压多孔喷嘴喷雾雾化明显,贯穿距离较长,进气过程中缸内形成强滚流促进燃油蒸发和油气混合;进气冲程单次喷射可在缸内点火之前形成较为均匀的混合气,进气和压缩冲程中进行两次喷射可在缸内点火之前形成火花塞附近较浓、周围较稀的分层混合气;在化学当量比条件下适当采用分层混合气燃烧,与均质混合气相比可以降低燃烧速度,从而减小最大爆发压力和压力升高率.计算结果有助于深入理解GDI发动机的工作过程,并为后续研究GDI燃烧控制策略提供了模拟计算平台.     

船用中速天然气发动机起动过程的控制策略

船用天然气发动机起动过程预燃室过量空气系数受转速影响大.针对ACD320型船用中速天然气发动机台架试验出现的起动困难问题,通过计算分析获得发动机起动过程预燃室过量空气系数随主燃气喷射量、转速的变化规律.采用AVL Fire软件模拟发动机主燃室和预燃室在不同过量空气系数下的缸内燃烧和动力特性,并据此制定起动过程的控制策略,经发动机台架试验验证,证实了起动控制策略的有效性,从而为解决船用中速天然气发动机起动困难的技术问题提供参考.     

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0、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...     

湍流射流点火对天然气发动机燃烧特性影响的试验研究

湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition,TJI）是一种有效的燃烧增强技术,可提供更高的点火能量,使发动机稳定着火,且可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现发动机稀薄燃烧的有效手段。基于一台带有预燃室的点燃式单缸试验机,开展了TJI模式下天然气发动机性能的试验研究。首先,研究了不同过量空气系数下TJI对天然气发动机动力性能、排放性能及燃烧特性的影响,并与火花塞点火（Spark Ignition,SI）模式进行对比;其次,在稀燃条件下分别探究了进气增压和预燃室喷氢对天然气发动机动力性、经济性及燃烧过程的优化作用。结果表明：TJI的使用可有效拓展天然气发动机的稀燃极限,且燃烧滞燃期和燃烧持续期均更短,放热率更高;过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且可实现氮氧化物近零排放;此外,采用进气增压的方式可以提高TJI发动机在高负荷下的经济性;TJI模式下,相较于预燃室喷甲烷,预燃室喷氢气可进一步缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。     

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。     

火花点火式天然气发动机燃烧系统的研究

本介绍了天然气发动机预燃室燃烧系统的研制过程，新设计的燃烧系统工作可靠、性能优良。试验结果表明：预燃室内混合气着火稳定、火焰传播迅速；主燃室燃烧速度高、持续期短、无后燃现象，整机性能比原机有较大的提高。     

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。     

船用预燃室式天然气发动机稀薄燃烧特性试验

以船用预燃室式天然气发动机为研究对象，以点火正时(SOI)和过量空气系数(φ_a)为变量开展缸内稀薄燃烧特性影响规律的研究．在此基础上对试验数据开展主效应和帕累托分析，得出量化的规律性结果．结果表明：一方面，影响着火延迟和燃烧放热速率权重较大的为SOI，通过优化可以将滞燃期缩短至12°CA以内，将燃烧重心控制在14°CA ATDC以前；而对于燃烧持续期，影响权重较大的为φ_a，将各工况下φ_a控制为1.66～1.84，可以将燃烧持续期控制在28°CA以内；另一方面，φ_a的运行范围已经达到并超过了车用重载的稀薄极限．由于采用了独立供气的预燃室形式，船用预燃室式天然气发动机可在缸径较大、平均有效压力(BMEP)较高的前提下实现比重载天然气发动机更加稀薄的燃烧组织，从而有利于实现较高的热效率，同时更好的兼顾NO_x排放．     

燃气预喷对高压直喷天然气船机的影响研究

针对高压直喷(HPDI)天然气双燃料低速船机的燃料喷射系统,研究了不同的天然气预喷策略对发动机燃烧特性及性能的影响,探究了适用于低速船机燃烧系统的天然气喷气规律。利用计算流体力学(CFD)软件Converge建立了HPDI天然气双燃料的单缸机仿真模型,与试验数据进行标定后,计算得到了不同预喷间隔及预喷比例下发动机燃烧性能和排放数据。分析计算结果表明,预喷策略的采用影响了燃烧过程中预混燃烧的比例,从而影响了燃烧放热相位及燃烧等容度。预喷比例相比预喷间隔对燃烧过程的影响更显著,后者在较大预喷比例下才会明显影响缸内燃烧放热过程。合理优化预喷策略可控制预混燃烧程度,从而同时改善NOx排放和油耗。不同的预喷策略使得缸内碳烟分布区域不同;与无预喷算例相比,采用预喷策略的算例最终碳烟排放量偏高。     

增压发动机被动预燃室的仿真分析

用CONVERGE软件对预燃室燃烧系统模型进行网格划分，设置关键参数以研究预燃室喷孔数对湍流比、湍动能、空燃比、缸内混合气流速的影响。结果表明：进气行程结束前，预燃室喷孔数对湍流比无影响；气门关闭时，预燃室喷孔数为偶数对湍流比无影响，奇数则对湍流比影响较大；预燃室喷孔数对湍动能影响较小；预燃室喷孔数对主燃室空燃比影响不大；预燃室喷孔数减少，可以提升缸内混合气流速。