Optimizing Spray and Combustion in Diesel Engine by Multidimensional Numerical Simulation

The calculation of spray and combustion in diesel engines is described by using the softwares FIRE and BOOST. The application of the resulting computational method to the simulation of fuel spray and breakup, mixture formation and combustion in a heavy duty diesel is presented. According to detailed insight into the governing processes provided by the simulation results, various aspects of the dependence of the spray propagation and combustion on the chamber geometry and spray angle are discussed. Then, global cylinderaveraged pressure traces are extracted from the space and time resolved field quantities and compared to incylinder pressure measurements. Finally, an optimized configuration of the chamber geometry and spray angle with a new injection rate of higher injection pressure is proposed.     

高压喷射的高速直喷柴油机混合气形成及燃烧过程

为了有效组织燃烧室内气流特性,改进了车用缩口直喷高速柴油机燃烧室结构,并在此基础上基于CFD商用软件FIRE对匹配不同轨压的喷雾特性时燃烧室内气液混合流的速度场、浓度场和温度场的动态分布特性进行了仿真计算分析。研究了高速直喷柴油机的混合气形成规律,并通过试验研究了这种混合气形成特性对燃烧过程及排放特性的影响。结果表明:通过对缩口直喷燃烧室内气流特性和轨压的优化匹配,可以有效地控制燃烧过程的滞燃期、预混合燃烧比例和扩散燃烧过程,从而控制高温燃烧持续期,在保证经济性的前提下,可以有效地降低NOx和烟度排放。     

浅形缩口直喷式柴油机燃烧室结构特点及其对排放特性的影响

利用AVL公司的FIRE软件对重型车用柴油机缩口直喷式燃烧室内的气体流动特性进行了数值模拟计算。引入涡流强度保持性的概念 ,计算分析了不同缩口直径对燃烧室内涡流强度保持性的影响。在此基础上 ,对不同缩口直径燃烧室进行了喷射系统参数的优化匹配试验研究。结果表明 :采用缩口直喷式燃烧室结构可有效组织燃烧室内的气流运动 ,并能与喷射系统参数进行优化匹配 ,在保持动力性和经济性基本不变的条件下有效地改善柴油机的排放特性     

浅形缩口直喷式柴油机燃烧室结构特点及其对排放特性的影响

利用AVL公司的FIRE软件对重型车用柴油机缩口直喷式燃烧室内的气体流动特性进行了数值模拟计算。引入涡流强度保持性的概念，计算分析了不同缩口直径对燃烧室内涡流强度保持性的影响。在此基础上，对不同缩口直径燃烧室进行了喷射系统参数的优化匹配试验研究。结果表明：采用缩口直喷式燃烧室结构可有效组织燃烧室内的气流运动，苷能与喷射系统参数进行优化匹配，在保持动力性和经济性基本不变的条件下有效地改善柴油机的排放特性。     

车用柴油机低排放缩口燃烧系统的优化

为了定量评价低排放缩口燃烧室内的气流特性,引入了涡流强度保持性的概念。采用FIRE软件对车用直喷式柴油机低排放缩口型燃烧室内气流的空间分布及其变化规律进行了数值计算,利用计算结果并结合MATLAB软件计算了不同缩口直径燃烧室内的瞬态涡流强度保持性大小,由此评价这种燃烧室的气流特性,并分析不同缩口直径对燃烧室内气流特性及其涡流强度保持性的影响。在此基础上,通过台架试验对比分析燃烧室内的这种涡流强度保持性与喷射系统参数和进气涡流匹配时对柴油机性能的影响。结果表明,采用适当的低排放缩口型直喷式燃烧室结构可有效地组织和控制燃烧室内气流分布规律及其强度,而且对于这种燃烧室结构存在着最佳的喷射位置和进气涡流比,从而在动力性和经济性基本保持不变的条件下可有效地改善柴油机的排放特性。     

高压共轨直喷柴油机缩口燃烧室内混合气形成的多维数值研究

改进设计了高压共轨直喷式柴油机缩口型燃烧室,利用FIRE软件针对不同燃烧室结构对燃烧室内气流特性的影响进行了多维数值模拟。研究了高压共轨喷射系统与缩口直喷式燃烧室匹配时不同喷射参数对燃烧室内流场、浓度场和温度场分布特性的影响,以及混合气形成过程的微观特性。研究结果表明:改进后的缩口直喷式燃烧室能够合理地利用喷雾的动能,提高燃烧室内的气流强度及其保持性,从而加强燃烧开始后燃油与空气的混合能力,促进扩散燃烧过程。因此,合理的燃烧室形状配合喷射时刻和压力的有效控制能在提高发动机性能的同时降低排放,是高压共轨直喷式柴油机实现高效率低排放的有效途径。     

缩口燃烧室中气流特性与燃油喷雾匹配对柴油机燃烧及排放的影响

利用三维数值仿真软件FIRE,对缩口直喷燃烧室内气流特性与燃油喷雾以不同喷射时刻匹配时对缸内速度场、浓度场和温度场分布特性的影响进行了仿真分析.研究了燃油喷雾与不同燃烧室空间气流特性匹配时的混合气形成特点和燃烧过程,并对混合气形成特点对发动机性能的影响进行了试验研究.结果表明,缩口燃烧室内气流特性与燃油喷雾以不同喷油正...     

柴油机燃烧过程模拟分析

为了解柴油机燃烧的微观情况,利用商用计算软件STAR-CD对增压中冷柴油机进行了燃烧模拟分析。在试验台架上调整供油提前角,针对烟度及NOx排放性能进行了试验,为模拟计算获取了温度、压力等初始条件。对试验工况进行了燃烧模拟,结果表明,喷油过程会形成喷注头部,在喷油后期喷注尾部又从喷注整体上脱落;未来得及燃烧的燃油撞壁后,其小部分向上运动逐渐进入余隙狭缝之中,大部分向下沿ω形壁面形成滚流运动;着火首先发生在油束外缘区域,并且随着燃烧的进行,高温区一直出现在燃油蒸汽的外层。     

近后喷对高压共轨柴油机燃烧过程影响的数值计算

应用CFD模拟软件FIRE针对车用增压共轨柴油机在高负荷工况下采用近后喷策略的缸内工作过程进行了数值计算。分析了后喷量和主/后间隔角对燃烧过程的影响。研究结果表明,随着后喷量和主/后间隔角度的增加,缸内燃烧压力、放热规律及缸内温度曲线的峰值降低,燃烧重心推迟,燃烧噪音和NOx生成量减少,但经济性有所恶化。同时,增大后喷量一方面可使后喷燃油的贯穿距增大,在壁面附近高温缺氧区域内形成的燃油蒸汽增多,增加了后喷燃油的Soot的生成量,另一方面增强了对缸内流场的扰动效果,使得更多的氧气进入燃烧产物区,加速了Soot的氧化,因此选取适当的后喷量可以获得较低的Soot的生成量。后喷间隔过大时,Soot排放有明显增加的趋势。     

直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型

以燃料与空气分布状态控制可燃混合气的形成和燃烧过程为基本思路,建立直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型及碳粒预测子模型,较好地预测了柴油机火焰温度和碳粒浓度,为柴油机气缸内热辐射研究提供一定的依据。     

喷油器特性参数对YC4F50柴油机排放特性的影响

通过对玉柴YC4F50自然吸气式柴油机的8工况(EPA)排放特性的试验研究,分析喷油器的孔数、孔径、伞状喷雾锥角以及油线落点高度对排放特性的影响。实验表明:在喷射压力不变的条件下,伞状喷雾锥角为155°时的落点标准方差较150°的小,油线沿燃烧室周向等弧长均匀分布程度较好,8工况排放特性好;适当增大喷油器的孔径可提高油气混合均匀程度,提高燃烧效率,降低PM、HC、CO排放值;6孔喷嘴较之5孔喷嘴有着较低的PM、HC、CO排放,NO_x有所上升,比油耗基本不变。通过试验最终确定采用6×0.17-155°的喷嘴匹配YC4F50柴油机,获得了良好的排放与经济性能。       

柴油机燃烧室内喷雾的高速摄影装置及着壁前喷雾贯穿度的探讨

本文介绍了一种研究柴油机燃烧室内喷雾特性的高速摄影装置,并用该装置对柴油机燃烧室内燃料喷雾进行了研究;文中还探讨了某些参数对喷雾贯穿度的影响。     

新型多种燃料高速直喷柴油机的结构和性能研究

传统直喷式高速柴油机对燃油的各项性能有较高的要求。本文在分析了燃油特性与柴油机相互适应性的基础上,对一种新型燃烧多种燃油的高速直喷柴油机的结构特点和性能进行了研究,研究结果表明:该柴油机采用轴针式喷油器、铰接式铸铁活塞、高温机油局部冷却、双热区燃烧模式、废气涡轮增压中冷等结构,能有效地燃烧多种燃料。燃烧植物油时获得了与燃烧柴油时同样好的综合性能指标。     

不同工作条件对柴油机尾气污染物排放特性的影响综述

柴油内燃机的尾气排放是空气污染的重要来源之一,其中污染物主要包括颗粒物、氮氧化物、碳氢化合物、碳氧化合物等,这些物质在不同工作条件下的排放特征具有较大差异.对近5年来关于柴油机尾气污染物排放以及减排措施的研究进行搜集、整理和总结,主要讨论柴油机尾气污染物在不同工作条件(海拔高度、车速、发动机转速和负荷)下的排放特征.结...     

F912Q柴油机喷油、燃烧、排放的多维仿真研究

利用KIVA-3V程序对F912Q风冷、直喷柴油机进行了仿真研究.仿真计算采用三维网络结构,计算区域包括进气道、进气阀、气缸、排气阀、排气道.仿真计算得到的缸内压力-时间曲线和排气污染物各成份分别与试验数据进行了对比,结果表明仿真计算可以较好地再现实际的发动机工作过程.在此基础上,利用KIVA-3V程序研究了涡流强度以及喷雾锥角对燃油喷射、蒸发和油气混合过程的影响.仿真结果表明:通过适当加大涡流比可以显著促进燃油蒸发和油气混合过程;喷雾锥角对发动机蒸发和燃烧过程有显著的影响,存在一个最佳的喷雾锥角使上述过程达到最优.     

Optical investigation on polyoxymethylene dimethyl ethers spray flame at different oxygen levels in a constant volume vessel

In this paper, high-speed imaging and spectrometry diagnostics were used to study the spray flame structures and emission spectra of polyoxymethylene dimethyl ethers(PODE) in an optical constant volume vessel. The effects of oxygen volume fraction(15% to 80%) on some typical combustion characteristics such as spatially integrated natural intensity, flame propagation speed, lift-off length and the distribution of flame emission spectra were investigated. The results show that the PODE spray flame mainly exhibits blue chemiluminescence, which is different from the diesel yellow diffusion flame dominated by soot radiation. As the oxygen concentration increases, the flame natural luminosity and propagation speed increases, the position of lift-off region and flame tip move towards the injector nozzle, and the flame width becomes narrower. According to the spectral results, the blue chemiluminescence generated by carbon monoxide oxidation dominates the PODE flame luminescence,suggesting that no soot is formed. The increase in oxygen concentration leads to enlarged intensity and gradient of PODE flame radiation. In summary, the combination of PODE and oxygen-enriched combustion shows no soot formation and promotes the oxidation of carbon monoxide and unburned hydrocarbon. This study can provide more insights into PODE spray combustion,and offer guidelines for achieving efficient and clean combustion.     

柴油机起动测控系统的开发及初步应用

开发了基于循环的柴油机起动过程燃烧、排放测控系统。对一台单缸直喷式柴油机进行了改造,匹配了电控燃油喷射系统,能够实现燃油喷射量及喷油定时的调节。利用瞬时转速、缸压分析了起动过程燃烧组织的优劣,利用单循环采样系统研究起动过程中气体排放物的变化历程。试验结果表明:该系统能够满足柴油机起动过程研究的需要,为研究柴油机起动过程提供了一种有效的测试手段。     

柴油机缸内过程的三维数值模拟

以不稳定性理论为基础为描述油滴破碎过程,以粘附、反弹／粘附和飞溅／附壁射流3个相互重叠的过程来描述喷雾碰壁,建立了燃油喷雾模型。将燃烧划分为低温着火、高温预混燃烧和相关火焰微元扩散燃烧3阶段建立了燃烧模型。开发了微机化三维模拟计算程序,在微机上对涡流室式柴油机的空气运动、喷雾和燃烧全过程进行了数值模拟。     

燃烧室形状对天然气发动机缸内流动和燃烧过程的影响

结合4102低排放天然气发动机的开发,应用FIRE软件对4102发动机原燃烧室和2种新的燃烧室设计方案(楔形和弧形燃烧室)进行了建模和仿真计算,对比分析了燃烧室形状对缸内流动和燃烧过程的影响。结果表明,弧形燃烧室效果最好,与原燃烧室相比,在点火时火花塞附近气流速度低,初期火焰核心稳定,火焰传播速度快,燃烧持续期短,缸内最高压力比原始燃烧室提高12.7%,有利于提高天然气发动机性能。     

The measurement of internal surface characteristics of fuel nozzle orifices using the synchrotron X-ray micro CT technology

The design of fuel nozzle orifices at micrometer scales is crucial for generating desired fuel spray patterns, and consequently optimizing fuel combustion and emission in internal combustion engines. Although there have been several recent advancements in the characterization of orifice internal geometries, quantitative studies on the orifice internal wall surface characteristics are still challeges due to the lack of effective measuring methods. A new method for quantifying the internal wall surface characteristics of fuel nozzle micro-orifices is presented in this study to achieve a better understanding and prediction of spray characteristics: Firstly, by using the synchrotron X-ray micro CT technology, a three-dimensional digital model of the fuel nozzle tip was constructed. Secondly, a data post-processing technique was then applied to unfold the orifice internal wall surface to a flat base plane. Finally, the conventional surface characteristic quantification techniques can be used to evaluate the wall surface characteristics. Two diesel nozzles with identical orifice geometry design but different hydraulic grinding time were measured using this method. One nozzle was hydro-ground for 2 s while the other was not. The internal wall surfaces of the two orifices were successfully unfolded to base planes and their surface characteristics were respectively analyzed. The surface fluctuation data were perfectly reproduced by a Gaussian distribution function. The standard deviations of the distribution demonstrate the fluctuation range and the distribution of the entire surface fluctuation profiles. As an effective parameter to evaluate the hydraulic grinding process and the spray behaviors, the standard deviation was considered feasible for the analysis of the orifice internal wall surface characteristics.