后喷间隔角对柴油机燃烧过程中颗粒物数密度、粒径分布及质量的影响

基于全气缸取样平台,在一台高压共轨直喷柴油机上,研究了不同后喷间隔角对柴油机燃烧过程中颗粒物的数密度、粒径分布以及质量的影响.结果表明:单次喷射工况,颗粒物数密度随曲轴转角呈单峰分布,峰值出现在11~14°,CA ATDC,排气颗粒物数密度比缸内颗粒物的峰值数密度减少75%,以上;引入后喷,随着后喷间隔角的增大,缸内颗粒物数密度呈先升高后降低的趋势.颗粒物粒径分布在单次喷射工况呈类似对数正态分布,主要分布范围在6.04~339,nm之间,其峰值粒径主要分布在69.8~93.1,nm之间;引入后喷,缸内颗粒物的峰值粒径先减小后增大,并在排气阶段峰值粒径达到最大,且随着后喷间隔角的增大,缸内颗粒物峰值粒径呈增大的趋势.单次喷射工况下缸内颗粒物的质量随着曲轴转角呈单峰分布;引入后喷,缸内颗粒物质量峰值随后喷间隔角的增大呈先增大后减小的趋势.后喷对碳烟质量的影响规律与其对颗粒物质量的影响规律基本相同.     

柴油机燃烧中多环芳香烃及碳烟的形成与演化的研究

参考与柴油组分接近的正十四烷(C14H30)燃料的详细化学反应机理(由230个化学反应、92个化学成分组成),建立了化学成分的焓值计算程序,研究计算了柴油机缸内燃烧过程中诱发碳烟颗粒先导物生成的单环及多环芳香烃(PAHs)的形成与演化过程,应用Belar-dini碳烟模型计算了缸内碳烟颗粒的质量,分析了PAHs对碳烟生成的影响。结果表明:缸内温度达到着火温度时,燃料在燃烧室凹坑挤流区域首先着火燃烧,并随着扩散燃烧扩展到缸内的其他位置,此时缸内PAHs的质量急剧上升,在急燃期后PAHs组分由于成长和氧化反应消耗而下降,在燃烧后期PAHs的质量基本稳定。多环芳香烃中苯、菲、苯乙炔、萘的排放量较大,对碳烟质量生成的影响也较大。     

进气状态对正丁醇-柴油低温燃烧PAHs生成的影响

以正庚烷-正丁醇-多环芳香烃-甲苯简化机理作为正丁醇-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理,应用AVL-FIRE软件耦合CHEMKIN建立三维数值模型,研究了进气状态(进气压力、进气温度和进气涡流比)对正丁醇-柴油混合燃料低温燃烧多环芳香烃(PAHs)生成的影响规律.结果表明:随着进气压力和进气温度的提高,PAHs各组分的生成时刻提前,缸内最终生成量增加,尤其是A2(菲)和A4(芘);在燃烧后期,随着进气压力和进气温度的提高,PAHs各组分消耗速率加快;随着涡流比的增加,PAHs各组分生成时刻提前,A1(苯)、A2(菲)和A3(萘)缸内最终生成量增加.当涡流比从1.2变化到1.6时,A4(芘)的缸内最终生成量随涡流比的增加而减少;而当涡流比从1.6变化到2.4时,A4的缸内最终生成量随涡流比的增大而增加.     

柴油机机油老化问题研究

探索机油老化的机理,研究某柴油机开发过程中出现的机油老化问题。采用Fire仿真软件计算评估柴油机缸内油束的落点随曲轴转角变化情况,分析柴油机老化循环各个工况点的喷油持续期,根据仿真计算结果,燃油喷到燃烧室顶面时对应的曲轴转角是22°,燃油喷到气缸壁时对应的曲轴转角是34°。选取喷油器锥角减小7°的喷油器进行柴油机机油老化试验验证,以减少燃油喷到燃烧室顶面尤其是气缸壁上的几率、气缸壁上碳烟生成和未燃柴油进入油底壳,降低机油老化速度。经试验验证,机油的老化情况得到显著改善,满足开发需求。     

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.     

电控高压共轨柴油机排气微粒的测量及数值模拟

利用改进后的全气缸取样系统,对不同工况下高压共轨电控柴油机燃烧过程中的微粒生成历程进行测量.同时,采用三维CFD数值模拟方法分析了微粒的生成机理.结果表明,微粒质量浓度曲线呈单峰状,微粒生成质量随负荷的增大而增加;发动机排出微粒是碳烟粒子生成和氧化这两个过程综合作用的结果.加强缸内的气流运动和合理组织燃烧过程,有助于减少微粒的生成.     

汽油/柴油双燃料不同HPCC燃烧模式的数值模拟

针对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)模式,在总喷油量、主放热时刻(CA50)基本相当的条件下,对柴油早喷(E-HPCC)与柴油晚喷(L-HPCC)情况下的燃烧特性和排放特性进行了数值模拟研究.结果表明,HPCC着火和燃烧过程主要受缸内活性自由基控制,较晚喷射会导致缸内局部正庚烷浓度高、活性较大,造成高温放热提前;较早喷射正庚烷会抑制低温放热,从而增加着火时刻缸内活性自由基的数量,是放热率较高、最大压升率较大的主要原因.L-HPCC模式下,高温放热时刻缸内局部正庚烷浓度较大造成了缸内局部温度较高,促进了NOx生成,相对E-HPCC模式NOx排放较高;虽然L-HPCC局部浓度较高会促进碳烟的生成,但同时较高的燃烧温度加强了碳烟的氧化,因此L-HPCC模式的碳烟排放低于E-HPCC模式.     

高功率密度柴油机的喷油时刻对燃烧排放的研究

运用AVL FIRE软件,建立某台单缸高功率密度柴油机模型,研究喷油时刻对该柴油机燃烧排放的影响规律,并用柴油机台架试验验证模型的合理性。着重仿真分析了不同喷油时刻对柴油机缸内压力、温度、放热率、功率、燃油消耗率以及排放的影响。分析结果表明:喷油时刻每提前3°曲轴转角,缸内压力和温度分别升高6.55%和2.8%;放热速率快,放热相对集中;NO_x排放增加,碳烟排放降低;功率下降,燃油消耗率升高;当喷油时刻为上止点前16°曲轴转角时,NO_x和碳烟排放都能满足排放法规要求,且动力性和经济性能较好。     

正丁醇燃料特性对柴油机低温燃烧影响的机理

在一台单缸柴油机上,将20%体积分数的正庚烷、异辛烷和正丁醇分别与柴油进行掺混燃烧,研究了正丁醇沸点、燃料组分、十六烷值和含氧特性等理化特性对柴油机低温燃烧(LTC)的影响机理.结果表明,十六烷值是影响LTC燃烧特性的主导参数,柴油+正庚烷和柴油+异辛烷的燃烧特性分别与纯柴油和柴油+正丁醇接近.碳烟排放上,柴油+正庚烷与纯柴油差别很小,表明在20%掺混条件下,物理特性和燃料组分对LTC碳烟排放影响较小;柴油+异辛烷的碳烟排放较纯柴油降低明显,表明十六烷值是影响LTC碳烟排放的重要因素;柴油+正丁醇的碳烟排放比柴油+异辛烷有较大降低,表明正丁醇含氧特性对改善LTC碳烟排放具有重要作用.燃料理化特性对NOx、CO和HC等气体污染物排放影响较小.     

引燃柴油喷油正时对LNG-柴油双燃料发动机燃烧特性的影响

以一台涡轮增压六缸柴油机改造的发动机为试验对象,研究引燃柴油喷油正时对LNG-柴油双燃料发动机燃烧特性的影响。研究了不同喷油正时下的双燃料发动机的缸内压力、压力升高率、缸内温度、燃烧放热规律、循环变动等参数。研究结果表明:引燃柴油喷油正时对双燃料发动机燃烧特性影响很大。随引燃柴油喷油正时的增大,最高缸内压力、最高压力升高率、最大燃烧温度和最大瞬时放热率先升高后降低且所对应的曲轴转角减小;峰值压力循环变动系数先降低后增大,峰值压力升高率循环变动系数降低。     

基于FIRE的柴油机燃烧过程的CFD研究

应用三维CFD仿真软件AVL FIRE对CY4102直喷式柴油机的燃烧过程进行了数值模拟计算,再现了缸内流体的运动过程、湍流参数的变化、燃油粒子的空间分布、燃烧过程的进展状况、传热过程以及缸内温度场的分布等,结果表明:随着喷油提前角的增大,滞燃期变长,最高平均温度、压力和放热率峰值均增大,且其对应的曲轴转角均有前移趋势...     

柴油机缸内火焰辐射传热新模型

柴油机缸机的火焰辐射受诸多因素的影响,用理论分析法来确定它是相当困难的,由于柴油机缸内火焰辐射特性依赖于缸内的燃烧过程,而燃烧过程中的实际热力状态又可用示功图来分析,因此借助于火焰辐射与缸内热力参数之间的这种间接关系,建立了一种计算柴油机缸内火焰辐射传热的新模型,利用该模型对一台直喷柴油机缸内火焰辐射热流量随曲轴转角的变化情况进行了计算,将计算结果与实测结果进行了比较,表明该模型能较好预测缸内火焰     

Development and validation of a comprehensive two-zone model for combustion and emissions formation in a DI diesel engine

A two-zone model for the calculation of the closed cycle of a direct injection (DI) diesel engine is presented. The cylinder contents are taken to comprise a non-burning zone of air and another homogeneous zone in which fuel is continuously supplied from the injector holes during injection and burned with entrained air from the air zone. The growth of the fuel spray zone, consisting of a number of fuel–air conical jets equal to the injector nozzle holes, is carefully modelled by incorporating jet mixing to determine the amount of oxygen available for combustion. Application of the mass, energy and state equations in each one of the two zones yields local temperatures and cylinder pressure histories. For calculating the concentration of constituents in the exhaust gases, a chemical equilibrium scheme is adopted for the C–H–O system of the 11 species considered, together with chemical rate equations for the calculation of nitric oxide (NO). A model for the evaluation of soot formation and oxidation rates is incorporated. A comparison is made between the theoretical results from the computer program implementing the analysis, with experimental results from a vast experimental investigation conducted on a fully automated test bed, direct injection, standard ‘Hydra’, diesel engine located at the authors' laboratory, with very good results, following a multi-parametric study of the constants incorporated in the various sub-models. Pressure indicator diagrams and plots of temperature, NO, soot density and of other interesting quantities are presented as a function of crank angle, for various loads and injection timings, elucidating the physical mechanisms governing combustion and pollutants formation. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Measurement of in-cylinder soot particles and their distribution in an optical HSDI diesel engine using time resolved laser induced incandescence (TR-LII)

Soot particles generated during combustion process in a single cylinder optical diesel engine were measured using time-resolved laser induced incandescence technique (TR-LII). Experimentally measured LII data were fitted with theoretically simulated LII data to determine the count median particle diameter and the geometric width of the particle size distribution. TR-LII signals were acquired simultaneously at two different wavelengths for crank angles in the range from 48.4° to 111.4° after top dead centre (aTDC) and for various engine operating conditions. Particle size was found to be dependent on the engine load but no significant change in particle sizes were observed for different fuel injection timings. The average size of the primary particles measured over different crank angles were larger at higher engine loads compared to lower engine loads. A general trend of the soot particle diameter decreasing with crank angle was observed due to oxidation, but towards the end of the expansion stroke a marginal increase in size was noted. For all operating conditions the width of the particle size distribution was found to decrease with crank angle until 61.4°aTDC, and thereafter it increases to reach a well defined size distribution for a given fuel injection quantity despite the differences in the injection timing. The soot particles are randomly transported by the complex fluid motion present within the combustion chamber leading to strong cycle to cycle fluctuations of the measured time resolved LII data. The in-cylinder soot volume fraction derived from TR-LII data revealed that for different fuel injection timings, a relatively higher amount of soot was produced for shorter ignition delay compared to larger ignition delays.     

小缸径直喷式柴油机喷雾,燃烧和碳粒生成过程试验研究

本介绍了作采用同步高速摄影技术和图象分析技术研究柴油机缸内碳粒生成和氧化过程的研究结果。研究结果表明：在柴油机燃烧过程中碳粒最早出现在燃烧室内有空气渗混的富油区；速燃期内高温富碳燃烧区的形状与着火前一时刻喷雾场的形状相吻合；富油区大直径油滴的燃烧裂解和活塞顶隙处外溢燃气的低温燃烧是柴油机产生碳烟微粒排放的主要原因。     

天然气/柴油双燃料转子发动机燃烧过程的数值模拟

针对天然气/柴油双燃料转子发动机的缸内工作过程,基于FLUENT软件建立了耦合正庚烷简化机理的二维计算模型,并利用文献数据进行了验证。在此基础上,研究了纯柴油工况下喷射持续期对燃烧过程的影响,获得了较好的喷射持续期;并在该持续期下对天然气替代率对转子发动机燃烧过程的影响进行了研究。研究结果表明:保持当量比不变,喷射持续期的变化会对燃油浓度分布产生影响,从而影响燃烧过程;采用45℃A喷油持续期可以在保持较高缸内压力的同时减少污染物的生成。天然气替代率的提高会导致初期燃烧速度的减缓和后期燃烧速度的增大;随着天然气替代率的增大,燃烧初期同一偏心轴转角下的缸内压力和温度逐渐降低,燃烧后期则呈相反的趋势。采用50%天然气替代率可以在保持较高缸内压力的同时大大降低CO和Soot生成量,而NO生成量略有升高。     

基于CFD的增压柴油机不同喷油提前角的排放影响分析

在考虑进气涡流比的情况下,对某490增压直喷柴油机不同喷油提前角下的缸内喷雾及燃烧过程进行了三维CFD模拟,给出了4种不同喷油提前角时的缸内火焰、NOx和Soot的时空分布.计算和分析了不同的喷油提前角下,上止点前后喷入缸内的油量比例、着火时刻、上止点温度、最高燃烧温度等对燃烧与排放物的影响.结果表明上止点前后的油量比例对排放有较大影响,对于该机型在喷油提前角较小的情况下,应考虑适当减小喷油锥角以充分利用燃烧室底部的空气.仅靠喷油提前角的变化并不能同时降低NOx和Soot的排量,并通过性能与排放试验进行了验证.     

柴油/汽油反应活性控制压燃发动机喷油协调控制与排放特性研究

对某4缸高压共轨柴油机进气道进行改造,搭建了柴油/汽油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,设计了柴油/汽油双燃料RCCI燃烧汽油喷射控制策略,实现了全工况下汽油与柴油的协调喷射控制,系统地研究了不同运行工况下,不同汽油替代率对柴油机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:采用柴油/汽油双燃料RCCI燃烧控制策略,发动机可在其运行工况范围内实现高效清洁燃烧,随着汽油替代率的增加,发动机缸内最高压力逐渐增大,缸压峰值出现时刻推迟,放热率峰值降低,燃烧持续期延长,燃油消耗率降低,有效热效率升高,全碳氢、CO排放增加,NOx和碳烟排放降低。     

柴油机燃烧多环芳香烃前驱体等物质的化学动力学研究

为了揭示混合气浓度对柴油机排放的影响规律,采用正庚烷氧化详细反应机理及化学动力学分析软件对不同燃空当量比下柴油机燃烧初级碳烟粒子前驱体等重要反应中间产物或自由基的形成及发展历程进行了数值模拟．模拟结果表明,降低混合气浓度可以实现低温燃烧,使燃烧温度远离“碳烟形成温度窗”,大幅度降低柴油机碳烟排放．混合气浓度对反应中间产物或自由基有重要影响,通过改变混合气浓度可以控制燃烧过程中多环芳香烃(PAH)前体物乙炔(C2H2)、炔丙基(C3H3)及其他重要物质羟基(OH)、过氧羟自由基(HO2)、过氧化氢(H2O2)、甲醛(CH2O)和一氧化碳(CO)等的生成量,从而实现控制柴油机排放．     

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。