MULINBUMP复合燃烧系统多次脉冲喷油控制参数的优化研究Ⅱ:5次脉冲喷油控制参数的优化

利用基于微种群遗传算法和改进的KIVA程序搭建的发动机多参数优化模拟平台,开展了MULIN-BUMP复合燃烧系统多次脉冲喷油控制参数的优化研究.主要对5次脉冲喷射的喷油压力、喷油定时、各脉冲油量和脉冲间隔等11个参数进行优化.优化后发动机的油耗降低了25.4%,而NO<,x>和碳烟排放值限制在预先规定的范围内,这说明微种群遗传算法非常适合发动机多参数优化问题的求解.分析优化结果发现,提高喷油压力联合递增式的喷油规律能够显著减少燃烧室内油滴数密度和缸套"湿壁"油量,促进均匀混合气的形成;精确控制后期脉冲喷油时刻,使后期喷油落在燃烧室内,可以充分利用燃烧室凹坑内的新鲜空气,提高燃烧效率.     

微种群遗传算法在电控柴油机控制参数优化中的应用

针对电控柴油机控制参数虚拟优化中传统优化算法存在的一些问题,利用一种全局智能寻优方法--微种群遗传算法,并结合改进的发动机三维数值模拟程序KIVA3V,建立起一个发动机多参数优化软件平台.在该软件平台上,对带有BUMP燃烧室的电控柴油机的喷油时刻和喷油压力进行优化.结果显示,在平均有效压力为0.79MPa时,优化后的发动机排放与原机相比,NOx由4.11g/(kW·h)降低到2.5lg/(kW·h),碳烟由0.267g/(kW·h)降低到0.240g/(kW·h),优化结果与优化试验数据基本吻合,说明微种群遗传算法非常适合发动机多参数优化问题的求解,优化结果可为实际燃烧过程的优化控制提供参考方案.     

直喷柴油机喷油系统对燃烧和排放影响的三维模拟研究

直喷柴油机的喷油过程影响燃烧过程、影响发动机性能和污染物排放。为了研究喷油特性(如不同的喷油压力、喷油定时和喷孔直径等)对燃烧性能的影响,利用三维数值模拟软件K IVA-3代码,对喷油过程、燃烧过程和发动机性能进行了数值模拟。计算结果显示了不同喷油特性下的NO和碳烟排放的变化趋势。     

喷雾锥角对柴油机燃烧过程影响的数值模拟

柴油机燃烧过程中喷雾内部的物理化学过程非常复杂,传热、蒸发、扩散、流动等物理过程控制着化学反应,影响着火和燃烧过程,进而决定着发动机的动力性、经济性以及排放性能。利用CFD分析软件FIRE对一台直列6缸增压柴油机的喷雾与燃烧过程进行模拟。研究了喷雾锥角对燃烧过程的影响规律以及喷雾锥角对碳烟和NOx生成的影响。     

喷油策略对伞喷柴油机工作过程影响的数值模拟研究

对一种新型柴油机喷嘴进行了可视化试验与模拟计算.应用三维CFD（Computational Fluid Dynamic）软件模拟了两种喷雾形式下不同喷油参数对柴油机混合气形成、燃烧及排放的影响,得到了最佳的喷油策略.结果表明,相对于复合喷雾,伞形喷雾在混合气形成方面存在一定的优势,对燃烧和排放有较大改善;混和气形成较好,燃烧效率高,指示油耗较低,碳烟二次氧化迅速.并且伞形喷雾中,采用小的索特平均直径,高的喷射速度,能够使发动机性能得到较大地改善.     

基于改进的详细碳烟模型的柴油燃烧碳烟颗粒物的生成特性

采用改进的详细碳烟模型,耦合了由正庚烷和甲苯组成的混合燃料的简化反应机理.在碳烟模型中,考虑了反应中生成的乙炔类异构体和多环芳香烃前驱物对碳烟颗粒成长过程的影响作用,分别以可视化发动机和单缸柴油机台架试验的结果,对详细碳烟模型预测柴油机碳炯生成和氧化过程的准确性和有效性进行了验证.结果表明,模拟得到的缸内压力、放热率曲线以及着火时刻和试验结果吻合较好,得到的碳烟浓度瞬态二维分布与采用双色法得到的试验结果较为接近,碳烟排放量的模拟值与试验值的变化趋势基本一致,因而本文的详细碳烟模型可较好地预测不同工况条件下柴油机碳烟颗粒排放的变化趋势.同时,采用提出的详细碳烟模型对柴油机内碳烟颗粒数密度和平均尺寸进行数值模拟,研究其在柴油机缸内的变化情况,结果表明,碳烟颗粒的直径在预混燃烧期和急燃期急剧增加,在缓燃期以及燃烧后期收敛于某一稳定值.     

柴油机部分均质预混燃烧模式下混合与化学控制参数对指示热效率的影响

基于部分均质预混燃烧(PPC)的柴油机研究开发和优化了一种混合燃烧控制策略,在平均指示压力(IMEP)高达1.1,MPa的负荷范围内实现了高的指示热效率以及超低排放.燃烧过程中的混合与化学控制参数包括了喷油定时、喷油模式(如多脉冲喷射)、增压压力、EGR率以及进气气门关闭定时等,通过优化耦合以上控制参数可以优化控制当量比与温度的变化路径,从而避开NOx与碳烟(Soot)生成区.基于热力学第一定律,通过能量平衡的分析方法研究了混合与化学控制参数对热效率的影响.研究表明,相对于排放而言,热效率受控制参数的影响更加敏感.     

不同喷油提前角对缸内碳烟生成影响的计算与分析

应用计算流体动力学对某小型高速增压直喷式柴油机缸内燃烧过程进行了数值计算,得出了不同喷油提前角下增压直喷式柴油机缸内混合气、温度和碳烟的分布情况,分析了不同喷油提前角下,上止点前后的喷油量的比例对碳烟排放的影响,并通过实际工况下的碳烟排放试验进行了验证。为增压柴油机性能与排放优化提供了参考。     

正丁醇/柴油发动机燃烧排放特性及喷油、燃烧室形状影响

针对某型号直喷柴油机,建立了该柴油机中单缸完整燃烧室及气道三维模型,使用三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)分析软件CONVERGE对其进行模拟计算,研究了正丁醇掺混比例对柴油机燃烧排放的影响。结果表明:随着正丁醇掺混比例的提高,峰值缸压、滞燃期和燃烧速度均呈递增趋势,碳烟及CO排放量逐渐减少,NO_x排放量小幅增加。为了进一步改善缸内燃烧情况和降低污染物排放,对正丁醇掺混时喷油策略、燃烧室几何形状的综合影响进行了研究,结果表明:掺混时多次喷油及采用合适的燃烧室模型可以有效改善掺混后缸内油气混合情况,增加缸内湍动能强度,进一步降低碳烟排放量。与纯柴油工况对比,掺混并采用多次喷油策略后碳烟排放明显下降,且通过掺混能够有效简化喷油策略,但弱化了燃烧室形状对碳烟排放量的影响。     

电喷柴油机优化燃烧和排放的数值模拟

应用三维CFD模拟软件FIRE,对1台6106柴油机在不同预喷油量,主预喷定时和主预喷间隔的条件下的喷雾与燃烧过程进行了数值模拟。通过分析缸内压力和温度变化以及燃烧产物的质量分数,研究了预喷射参数对燃烧过程及NOx和碳烟的影响。结果表明:采用不同预喷射策略,可有效降低缸内燃烧压力,优化柴油机的排放。随着预喷油量的增加,NOx变化不大,烟度(Soot)逐渐增加;随着预喷定时的提前,Soot生成量变化不大,NOx排放逐渐增加。     

Effects of injection strategies and fuel injector configuration on combustion and emission characteristics of a D.I. diesel engine fueled by bio-diesel

A multi-dimensional computational fluid dynamics (CFD) modeling was conducted on a D.I. (Direct Injection) diesel engine fueled by bio-diesel based on KIVA4 code. Comprehensive chemistry prediction of bio-diesel fuel was taken into account by enhancing the combustion model of the default KIVA4 code. An advanced multi-component fuel combustion model was applied to accurately predict the oxidation of saturated and unsaturated agents of the bio-diesel fuel using a reduced chemical kinetics mechanism. In order to accurately model spray, atomization and evaporation of the bio-diesel fuel, detailed thermophysical properties of fuel components were predicted and tabulated in the fuel routine of the KIVA4 code. After the validation for cylinder pressure and heat release rate at engine mid load with experimental engine tests, further numerical studies were performed to investigate effects of injection strategies such as double and triple injection pulses and axial location of injector nozzle. It has been found that cylinder peak pressure was increased by applying double and triple injections and some enhancements on output power was also observed. Moreover, it was found that nozzle axial location has considerable effect on combustion of the bio-diesel fuel where wall impingement of the liquid bio-diesel fuel resulted in lower evaporation and higher unburnt hydro carbon (UHC) emission.     

柴油/天然气发动机燃烧系统协同优化方法

采用KIVA-3V软件耦合多目标遗传优化算法NSGA-3,开展了柴油/天然气双燃料发动机的引燃柴油喷射参数、运行参数和燃烧室结构参数的协同优化研究.将湍流火焰速度封闭模型(TFSC)与PaSR燃烧模型耦合,建立柴油/天然气双燃料发动机复合燃烧模型.结果表明:复合燃烧模型能较好地模拟柴油/天然气发动机的燃烧过程;采用KIVA3V-NSGA3程序进行了双燃料发动机运行参数、喷射参数等多目标参数的协同优化;多目标参数优化结果的数据对比分析揭示了设计参数对目标参数的影响规律;涡流比和喷射参数的变化会对燃烧室内温度、NOx和CH4的分布产生较大影响.     

KIVA程序在固体火箭发动机内流场数值模拟中的应用

本文以ＫＩＶＡ程序为研究起点，结合固体火箭发动机燃烧室内流场的特点，新增了边界种类和推进剂燃烧反应模型，用非正交的计算网格实现了对推进剂燃面的动态跟踪，采用ＡＬＥ法求解气相流场。算例为三维短管型装药的燃烧室内轴对称可压流场。数值模拟的结果揭示了燃烧室内瞬态流动的细节，为固体火箭发动机的跨音速内流场仿真提供了一个直接求解的新思路     

运用波动方程计算内燃机爆震燃烧时的热声耦合性质

分析热声耦合领域和内燃机爆震的研究现状,给出根据KIVA燃烧模型推导出的三维波动方程,将之与KIVA相耦合,对一台内燃机爆震燃烧时的声波进行计算.结果显示,燃烧室内声学波动频率很高,且爆震时其幅值可达数个兆帕.对比实测爆震气缸压力高频信号可知,该波动方程可正确计算爆震时燃烧室内声波.对比高速摄影实验结果.声场计算结果和气体获得声功的分布图可知,声场的振荡比火焰传播更快、更复杂;内燃机燃烧的热声振荡没有特定部位稳定声功的输出或输入.最后,总结了常规热声机和内燃机热声耦合性质的异同.     

A KIVA code with Reynolds-stress model for engine flow simulation

To properly simulate the highly anisotropic turbulent engine flows, higher order turbulence model should be used to correctly reproduce flow physics inside the engine. The popular KIVA computer code has been modified to include the Reynolds-stress turbulence model (RSTM) for this purpose. The objective of this paper is to present our recent research on the use of RSTM and the KIVA code for engine flow simulation, which include gas turbine combustors and IC engines.     

二甲醚柴油各组分含量数值模拟研究

为了实现发动杌的清洁、高效燃烧,二甲基醚作为压燃式发动机的代用燃料已经引起了国内外的广泛关注.本文在KIVA源程序中向燃料库添加液态DME的各种物性参数数据模块等以建立二甲醚燃料库,针对二甲醚燃料建立了油束模型和燃烧模型,并把这些数学模型耦合入KIVA后形成子程序并建立了二甲醚燃烧数值仿真计算平台.利用建立的平台计算了燃烧二甲醚柴油时的各组分含量.数值模拟表明:仿真结果与试验结果相同,所建立的二甲醚燃烧过程数值模拟平台具有一定的实用性.结果表明:燃用二甲醚的发动机与燃用柴油比较,缸内组分CO、CO2量较少.     

EGR与富氧进气控制柴油机排放的机理探讨

通过试验研究，考察了废气再循环加富氧进气同时控制ＮＯＸ和碳烟排放的可行性。试验中通过逐步增加ＣＯ２及Ｏ２流量，查明了进气成份变化对ＮＯＸ，碳烟，ＣＯ，ＨＣ等有害排放物以及有效燃油消耗率ｂｃ，平均有效压力ｐｃ，滞燃期，绝热指数的影响，然后用ＫＩＶＡ程序对燃烧火焰温度和ＮＯ浓度进行了模拟计算。     

三分支排气管三维定常流计算中的几个问题

为了以ＫＩＶＡ程序为基础来计算分支排气管内的气体流动,对ＫＩＶＡ程序作了若干改进,如增加了处理进、出口边界的功能,以适应开口热力系统流动的计算;在压力亚循环阶段和对流通量计算过程中,引入面中心速度求解动量方程,使流场解的特性得到很大的改善;采用分块耦合方法生成三分支排气管三维贴体网格;利用时间相关法设置定常流动收敛准则等。最后,采用改进的ＫＩＶＡ求解分支排气管定常三维流场,计算结果与试验结果吻合良好,说明ＫＩＶＡ的改进是成功的。改进的ＫＩＶＡ具有较高的模拟精度和较强的通用性,可以用于具有复杂形状的开口系统的流动计算