船用二冲程柴油机扫气过程流场仿真研究

利用三维计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真软件,用数值模拟的方法研究了某型二冲程船用柴油机在不同扫气口仰角与径向倾角下的扫气过程,得到了扫气过程中各时刻气缸内气体的速度矢量图与废气浓度分布图,分析了不同扫气口径向倾角与仰角对扫气过程效果的影响。结果表明：扫气口径向倾角增大时,涡流比增大,气缸中心处废气清扫效果变差,而缸壁附近处废气清扫效果变好;径向倾角较小时情况则与之相反。扫气口仰角增大时,涡流比基本不变,吹扫活塞凹坑处废气效果变差,但整体扫气效率升高。     

对置活塞二冲程汽油机直流扫气系统参数研究

通过进行对置活塞二冲程汽油机直流扫气系统扫气过程的分析,提取了影响扫气过程的关键参数,包括进排气口高度、进排气口圆周率及进气口径向倾角。采用GT-Power软件建立对置活塞二冲程汽油机工作过程一维仿真模型,并通过正交试验设计方法,对进排气口高度和圆周率进行3水平正交试验模拟,优化进排气口流通面积。同时,采用AVL-FIRE软件建立对置活塞二冲程汽油机扫气过程计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真模型,对进气口径向倾角进行优化分析。通过对进排气口高度和圆周率的正交试验分析,得出其对扫气效率和给气比的影响大小和相关系数。研究表明:适当的进气口径向倾角能促进扫气过程中的新鲜充量和废气的分层,但倾角太大导致进气阻力增大,扫气效率降低;当倾角为15°时,扫气效率和捕获率最大。     

直流扫气柴油机扫气流场分析

利用三维流体动力学(CFD)仿真软件FIRE,建立了二冲程柴油机气缸直流扫气三维模型,采用数值模拟的方法,研究了扫气口设计参数对换气过程的影响,对不同的气口设计方案下的气缸内残余废气浓度随曲轴转角的变化过程作了细致的描述,并对扫气口径向倾斜角的变化对换气过程的影响做了更进一步的探讨.     

对置活塞二冲程柴油机扫气系统优化方法研究

分析了对置二冲程柴油机扫气系统参数对发动机工作过程特征参数的影响规律,分别提出了以扫气效率为优化目标和以平均指示压力(IMEP)为优化目标的优化函数。结合正交优化方法,优化计算并对比分析不同优化函数的优缺点。研究结果表明:IMEP可有效地兼顾扫气系统参数对扫气效率与发动机指示热效率的影响,更适合作为对置二冲程柴油机扫气系统优化目标。优化结果显示:扫气口宽度比为0.85,排气口宽度比为0.6,扫气口高度为22mm,排气口高度为29mm,扫气口倾角为10°时发动机IMEP达到最优值。     

二冲程船用柴油机稳态扫气流动特性

设计了一台船用柴油机稳态扫气光学试验装置,用以研究低速二冲程船用柴油机的扫气过程.利用立体粒子图像测速技术对不同参数下的缸内扫气流场进行了研究.结果表明:随着扫气口径向切角的增大,平均涡心位置与气缸轴线的偏离增大,涡流强度有所增强,气流的轴向速度呈现先增大后减小的趋势;随着扫气口开度的减小,涡心附近的轴向速度先有所增大,当扫气口开度降低到25%时,轴向速度大幅度减小,并出现回流现象.为通过流场评估扫气性能,提出了"扫气非均匀性系数".试验发现在扫气口径向切角为15°及20°时扫气性能较好,此外,扫气口开度对扫气性能的影响仅体现在扫气口开度较小时,此时在扫气口附近的轴向速度均匀性差,影响扫气性能.     

对置式液压自由活塞发动机扫气过程的仿真

根据所开发的对置式液压自由活塞发动机样机的基本参数,基于AVL FIRE平台建立了缸内流场的三维仿真模型.分析了扫气口几何参数、活塞下止点停留时间对扫气过程的影响,探讨了利用扫气口几何参数实现缸内混合气分层的方法.结果表明:扫气口径向夹角为5°时,扫气效率和扫气捕获率都达到最大值;随着活塞下止点停留时间的加长,扫气效率呈现先提高再稳定的过程,扫气捕获率则随停留时间的加长而单调下降;采用较大的扫气口径向夹角,可以在压缩上止点附近,实现缸内轴心处废气浓度高、外围废气浓度低的分层分布.     

扫气口角度和涡流比对船用柴油机性能的影响

利用Converge软件建立某大缸径低速二冲程船用柴油机的三维数值仿真模型,仿真研究扫气口水平倾角对柴油机性能的影响,并解耦涡流比的单独影响机理。结果表明：扫气口水平倾角过大或过小均导致缸内产生回流区及新鲜空气过早溢出,降低扫气效率;与原机水平倾角为15°时相比,当扫气口水平倾角为10°时,有效燃油消耗率和NO_x排放均降低;在合理范围内增大涡流比可有效改善油气混合均匀性和燃烧过程;与原机涡流比为4.5时相比,涡流比为20.5时燃油消耗率降低5.09%,燃油经济性明显改善;但涡流比过大对燃油消耗率的改善较小,同时导致壁面传热损失较大,因此涡流比应控制在20.5以下。     

二冲程汽油机扫气过程多维数值模拟及扫气系统优化设计

本文采用多维数值模拟方法对二冲程发动机的扫气过程进行优化。对原型机(小型HS-510航空发动机)的扫气过程数值模拟发现：在缸内存在环流和涡流。环流在贴近气缸附近较强，可以将废气排出气缸；而在气缸中部较弱，难以将废气彻底排出。涡流的存在则降低了发动机的扫气效率。原型机的扫气过程同理想的扫气过程相比有相当大的差距。在原型机扫气过程数值模拟的基础上，改进扫气系统设计，将扫气口由原来的两个增加到五个。对改型机数值模拟发现缸内没有形成涡流。计算和试验结果表明发动机的扫气效率得到了提高，且发动机的功率提高11％。     

新的二冲程发动机扫气模型

至今,对二冲程发动机扫气模型的研究表明,只有一个参量或参量为零的模型的研究结果与试验结果不符。本文推荐一种含有二个参量的模型。这种模型是在本森模型的基础上加上一个所谓废气死区发展而成的。这种模型可以包括所有的试验曲线,而且它能够把各种几何形状的气口同两个不同的扫气质量参数结合起来。这样就可建立一张图谱,把气缸内的新气数量同供气量及气口的几何形状联系起来。文章还列举了一些应用实例。     

双对置二冲程增压柴油机变工况扫气研究

建立基于avl_boost的对置二冲程柴油机一维仿真模型,应用简化增压器模型分析了目标发动机性能的增压,得到不同转速下的进排气压力边界。在一维计算数据的基础上,建立avl_fire三维模型,在不同转速下进行扫气过程仿真,对比进排气压差对该柴油机扫气的影响。结果表明,高速时,进排气压差对扫气过程的影响较大,而低速时,压力差对扫气的影响较小,压力差过大或过小都会降低扫气效率。     

二冲程发动机工作时扫气口气流向量的测量

本文以实验手段研究了小型二冲程发动机工作时扫气口处气流流向的变化。采用LDV光纤系统测定了气缸进口处的二维扫气向量,讨论了发动机不同转速下扫气向量的变化,并测量了不同曲轴转角时排气管压力与气流方向之间的关系。试验表明,在扫气口处扫气速度是不定常的,并且不可能测得其瞬时速度。但是可以由不同的曲轴转角时排气管内压力得知扫气流的特性。由于缸内滞留的废气及高压使扫气流开始扫气的时刻滞后。扫气向量达到峰值时其方向基本保持不变。而当气缸内气体倒流进曲轴箱时该向量倒转并达其最低值,该最低峰值点是由排气管内压力波反射造成的。最后还测量了活塞销和气缸间的气体泄漏量。     

变工况条件对船用二冲程低速柴油机扫气过程的影响

在船用二冲程低速柴油机中,扫气过程的优劣直接关系到发动机的各项特性,在前期研究中主要以扫气口结构为主要研究方向,但发动机循环是一个瞬变的动态过程,因此需要针对扫气过程的不同阶段及不同环境因素开展性能分析,以便在扫气全过程内改善扫气性能.本研究基于扫气流动试验台,通过三维激光粒子测速系统,对不同工况条件下的稳态扫气过程进行了光学实验研究.结果表明:改变扫气压差、扫气口开度以及排气门升程均会对流通能力产生一定影响,但对涡流的影响不大;扫气口开度降低及排气门升程较低均会改善扫气均匀性,利于在一定程度上提升扫气效率,但根本上改善扫气均匀性的因素仍然是扫气口结构.     

二冲程液压自由活塞发动机换气过程影响因素的仿真研究

利用CONVERGE软件建立了二冲程液压自由活塞发动机换气过程的三维计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真模型，并且基于液压自由活塞发动机的独特结构，研究了气口比时面值、扫气箱压缩比、活塞顶倾角和活塞杆直径对换气过程的影响。结果表明：在未发生废气倒流时，扫气效率主要与扫气比时面值有关，增大扫气比时面值有利于提高扫气效率；捕获率主要与排气比时面值有关，减小排气比时面值有利于增大捕获率；提高扫气箱压缩比有利于提高扫气效率，扫气箱压缩比从1.2增加到2.1，扫气效率提升9.8%；适当增大活塞顶倾角有利于扫气效率和捕获率的提高；减小活塞杆直径有利于提升扫气效率，但同时会导致捕获率下降。     

二冲程汽油机气体流动及扫气品质的数值计算

利用非稳定流动的理论,建立了曲轴箱边界、气口边界等模型,建成了适用于曲轴箱扫气式二冲程汽油机性能预测和进、排气系统分析的模型,并针对ＡＸ１００型摩托车二冲程汽油机进行了计算和分析。由于该有较好地分析二冲程发动机进排气系统中的压力波动,并考虑了扫气口回流中新鲜充量和复合扫气模型,计算得到的二冲程发动机的扫气品质与试验数据比较是吻合的。通过研究加深了对二冲程汽油机进、排气系统流动规律及其对发对机性能     

对置活塞二冲程发动机耗气特性研究

针对对置活塞二冲程发动机对扫气效率优化和功率目标匹配的需求,基于试验和理论分析研究了发动机的耗气特性。采用试验数据和数学模型联合得到发动机的等效流量系数,分析了不同进排气参数、气口开启面积等对发动机耗气量的影响规律。研究结果表明:耗气量只由扫气压力、排气压力和绝热效率三个因素决定,与发动机转速无关;该发动机的等效流量系数近似等于0.272;不同曲轴转角所对应的流量系数与气口开启面积有关,当气口开启面积增加到一定值(4 500~4 668mm2),并继续增加时流量系数保持不变。     

OP2S柴油机气口参数的多目标优化研究

通过建立GT-Power仿真模型,分析了不同进、排气口高度及宽度对对置活塞二冲程(OP2S)柴油机动力性和换气性能的影响规律。采用多目标优化方法,在不同转速下优化了OP2S柴油机的平均指示压力、扫气效率和捕获率,并综合评价了OP2S柴油机的动力性和换气性能。研究表明,最优进、排气口高度随着转速的增加而增大,并且与固定气口高度相比,采用可变气口高度可使平均指示压力明显提高,说明在OP2S柴油机中采用可变气口高度技术实现可变配气相位对性能的提高具有重要意义。     

船用低速柴油机扫气口结构对涡流比影响数值模拟与试验研究

船用二冲程柴油机扫气过程中的缸内流场直接影响着燃油的雾化情况,进而也对燃烧过程与排放水平有所影响,涡流比是评价缸内流场湍流强度的一项重要指标。本文首先用数值模拟的方法对某型二冲程船用柴油机进行建模,计算得到不同扫气口结构下的扫气过程的涡流比数据。随后,参考相关测试方法,结合相似准则,设计并进行了扫气口稳流试验。试验结果表明,试验能有效评估不同结构扫气口产生缸内流场涡流的能力,且试验结果与数值模拟结果在趋势上符合程度较好。     

气阀式二冲程柴油机扫气过程仿真

针对气阀式二冲程柴油机扫气过程优化问题,在侧向直气道结构基础上设计了一种顶端入口切向进气道结构,该结构在接近入口区域设计为切向气道,同时在进气道出口处设计一种导气屏结构.该进气道结构可强制新鲜充量沿气缸壁面进入缸内,产生一定强度的逆滚流.通过对3 000 r/min全负荷工况下的二冲程扫气过程进行三维模拟计算,重点研究进气道结构对扫气过程中气流运动、残余废气分布及扫气特性的影响.结果表明:与侧向直气道结构相比,逆滚流气道结构下扫气路线得到优化,进气短路现象得到一定程度的改善,扫气效率提高了10.8%,新鲜充量捕获率提高了9.3%.     

液压自由活塞发动机直流扫气设计及优化研究

基于气门-气口直流扫气方式的设计及自由活塞本身运行特点设计了液压气门的控制策略,通过试验对气门控制策略进行了验证并获取了缸内压力及活塞运行曲线。将获取的部分试验数据作为三维仿真的边界条件,通过AVL FIRE ENGINE PLUS建立的三维仿真模型探讨了排气门正时、气口高度及扫气压力对给气比、捕获率及扫气效率的影响规律。在此基础之上,提出了一种基于给气比、捕获率及扫气效率的优化函数,优化计算结果表明:当扫气压力ps为0.16MPa、扫气口高度hs为26mm、排气门开启角EVO为48mm时,液压自由活塞发动机最大扫气效率ηs可达到84.7%。     

二冲程汽油机的排气分离和有效利用

1.前言在普通的二冲程汽油机中,由扫气口进入气缸内的新鲜混合气约有70%参与燃烧,其余30%混合气随废气由排气口排出。为了增加新鲜充量,正在研究尽量减少新鲜混合气损失的发动机,如偏心形发动机和NiCE 发动机(日本清洁发动机)。不论用那种方法,大幅度地突破上述比率是困难的。可是,过去二冲程发动机的研究目标主要是增加新鲜充量和提高性能,没有把排气分离和有效利用作为研究方向。