甲醇喷入时刻对缸内双喷柴油机燃烧与排放影响的数值模拟分析

文章以CY25TQ单缸柴油机为原型,利用AVL-FIRE软件建模,在压缩比为16.9、转速为1 800 r/min、甲醇质量分数为40%、引燃油喷油时刻为20°CA BTDC的工况下,分别在130,70,40,10°CA BTDC 4个时刻喷入甲醇,研究不同甲醇喷入时刻对缸内双喷柴油/甲醇发动机燃烧与排放的影响。研究结果表明:当甲醇喷入时刻为130,70,40°CA BTDC时,缸内以预混合燃烧为主,且甲醇喷入时刻为70°CA BTDC时,缸内预混合气的浓度梯度较合理,燃烧等容度更好,CO和SOOT的排放量降低,NOx的排放量增加,但增加幅度不大;甲醇喷入时刻为40°CA BTDC时,甲醇会在上止点前着火,在压缩冲程做负功,发动机的热效率降低;甲醇喷入时刻为10°CA BTDC时,缸内以扩散燃烧为主,缸内温度较低,甲醇燃烧不充分,排放较差。     

增程式电动汽车用LPG直喷发动机燃烧过程的数值解析

提出一种以LPG为燃料的适用于增程式电动汽车发电机组的二冲程缸内直喷发动机喷雾-壁面复合引导式燃烧系统。在采用纹影实验法对计算方法的可行性进行验证的基础上,分别对不同喷油时刻、不同曲轴转角的缸内混合气形成及燃烧情况进行了数值解析。结果表明:在起动-过渡运转工况(2 000 r/min、20%负荷)下,喷油开始时刻为45°CA ABDC、曲轴转到20°CA BTDC时,缸内能形成较为稳定的均质混合气。在20°CA BTDC时点火,放热率峰值最高,且峰值一般出现在上止点附近,燃烧特性最好。     

喷油时刻对缸内直喷汽油机颗粒物排放的影响

缸内直喷汽油机因其良好的节能性能,近几年来成为车用汽油机研究的重点,但也带来了颗粒物排放的问题.针对一款缸内直喷发动机,采用CFD数值模拟和发动机台架试验相结合的方法,研究了不同的喷射时刻对直喷汽油机混合气形成和颗粒物排放的影响.结果表明:缸内直喷汽油喷雾碰壁形成油膜与颗粒物排放有着直接的关系;在小负荷和中等负荷工况下,喷射时刻的优化能够有效地降低颗粒物数量排放.对于典型进气侧置喷油器缸内直喷汽油机,中小负荷工况优化的喷油策略为喷射时刻在进气冲程中期(约270,°,CA BTDC).     

汽油/乙醇双燃料复合喷射对发动机排放性能的影响

通过在一台汽油气道喷射(GPI)的单缸、四冲程发动机上增加一套乙醇缸内直喷(EDI)系统,将其改装成为双喷射发动机,研究了汽油/乙醇复合喷射对发动机排放性能的影响,并建立了发动机计算流体动力学(CFD)模型,详细分析了缸内各区域的温度和组分分布特点.结果表明:加入乙醇直喷可以有效降低CO、NOx和soot排放,提高乙醇能量占比后,CO、HC和soot排放又有所增加;点火时刻提前,缸内整体温度和压力逐渐增加,NOx排放显著上升,soot排放有所下降,由于局部混合气质量变差,燃料不完全燃烧导致CO和HC排放有所增加,同时受过冷壁面淬熄效应的影响,作为未燃碳氢(UHC)排出的燃料也会提高HC排放;乙醇喷射时刻提前,燃料有更充分的时间进行蒸发混合,缸内燃烧状况得到优化,CO和soot排放减少,NOx排放呈上升趋势,间隙效应和壁面油膜吸附作用的增强导致HC排放呈上升趋势.     

缸内直喷二冲程汽油机均质燃烧过程的数值模拟

缸内直喷二冲程发动机实现均质燃烧的主要问题是在过早喷油时会导致燃油逃逸的现象发生,因此本文采用旋流喷油器,配合高转速,利用AVL-FIRE软件模拟形成近化学计量比的混合气实现均质燃烧。模拟了均质燃烧过程中混合气形成及不同点火时刻燃烧放热率、缸温缸压等随曲轴的变化,结果表明:高转速大负荷下,在ABDC15°CA喷射,BTDC15°CA点火,可以实现均质燃烧模式,从而达到提高发动机热效率和降低排放的目的。     

喷雾-壁面复合引导直喷汽油机燃烧过程的数值解析

采用分层稀薄燃烧技术的缸内直喷汽油机因其显著的节油效果,成为当前研究的热点。缸内直喷汽油机实现分层稀薄燃烧的主要问题在于混合气浓度场分布不合理造成局部燃烧恶化进而影响发动机的燃烧效率和排放水平。因此本文采用本课题组提出的喷雾-壁面复合引导燃烧系统,使用AVL-FIRE软件对直喷汽油机的分层稀薄燃烧过程进行了数值解析。结果表明:部分负荷工况下喷射提前角在40°CA BTDC时,在20°CA BTDC缸内可形成较好的分层混合气;在696°CA点火放热率峰值最大,而CO和NO的排放随着点火提前角的减小而减小。     

进气组分耦合喷油定时对柴油机工作过程的影响机理

通过一台共轨柴油机,基于正庚烷/甲苯/正己烯混合物简化动力学机理耦合三维CFD数值模型,模拟不同进气组分(O_2、H_2和CO_2)耦合喷油时刻对发动机工作过程的影响机理.研究表明:不同进气组分下,随喷油时刻提前,缸内活性自由基(OH、O)质量分数及其分布区域增大,NO生成量增多.但随喷油时刻过度提前,燃烧始点反而推迟,燃烧放热速率、缸内燃烧压力与温度峰值降低,NO也相应减少;相比其他进气组分,进气掺O_2时缸内O自由基质量分数增大,碳烟(Soot)降低且喷油时刻对其影响较小;进气掺H_2时,缸内燃烧压力和温度峰值最高,OH自由基质量分数及分布区域最大,Soot随喷油定时提前大幅降低;进气掺CO_2时,缸内燃烧压力与温度峰值最低,OH和O活性自由基最少,当喷油时刻提前超过24°CA BTDC时,燃油逐渐喷射到压缩余隙容积形成局部过浓区,C_2H_2和多环芳香烃芘(A_4)生成量增多,Soot排放随喷油定时进一步提前明显升高.     

汽油/柴油混合燃料发动机小负荷工况的燃烧及排放特性仿真研究

针对汽油/柴油混合燃料发动机,在均质压燃(HCCI)模式,利用缸径100 mm单缸柴油机,控制喷油量在每循环9.4 mg,转速在2 000 r/min,进气压力在0.2 MPa时,选取不同汽油/柴油比例掺烧、在不同喷油时刻进行数值模拟研究,结果表明,汽油/柴油混合燃料随汽油比例增大,喷油时刻提前,缸内平均压力呈先增后减,燃料燃烧速度先减后增,缸内平均温度呈上升趋势,喷油时刻提前,可大幅度降低CO,NO,喷油时刻在止点后-30°曲轴转角(CA)到-40°CA之间时,增大汽油比例能有效降低碳烟(Soot);G50燃料会随喷油时刻提前,燃油混合气雾化效果变好,CO,NO会进一步降低,而Soot排放呈先减后增规律,整体排放降低的最优喷油时刻在上止点后-35°CA。     

柴油机TR燃烧系统实现低温预混合燃烧的研究

为了验证TR燃烧系统降低发动机排放、实现低温预混合燃烧的能力,在一台经过改造的单缸135柴油机上进行了降低压缩比、燃用柴油-乙醇混合燃料和推迟供油的试验研究.结果表明,压缩比ε降低后,着火推迟,最大放热率增加,缸内最高压力和最高温度降低,NOx排放也降低.但是中高负荷时燃烧速率降低,有效油耗率增加.当燃用乙醇体积含量20%的乙醇-柴油混合燃料时,与燃用柴油燃料相比,着火延迟期延长,烟度大幅度降低.小负荷时缸内最高压力、最高温度、最大放热率和燃烧速率都降低,NOx降低较多;中高负荷时最大放热率高于后者,燃烧速率提高,NOx降低得较少.当供油定时从15°CA BT-DC推迟到13°CA BTDC后,烟度基本不变.     

某GDI发动机二次喷油策略的试验研究

本文研究了某汽油机缸内直喷(Gasoline Direct Injection,GDI)发动机二次喷油策略对自然吸气直喷发动机燃烧性能、经济性和排放性的影响规律,优化了二次喷射比例和时刻,为该类型发动机相关参数优化提供了数据积累和依据.试验工况下,随着二次喷油比例的增加,燃烧质量变差,缸内爆发压力降低,缸内燃烧温度降低...     

增压直喷汽油机喷油策略对低速早燃的影响研究

试验研究了喷油策略对增压直喷汽油机低速早燃的影响。研究结果表明:低速早燃现象在发动机正常运行过程中随机且非连续的发生,发生时最高燃烧压力显著上升并引发强烈的爆震;空燃比加浓(过量空气系数0.75~0.90)可以显著地降低低速早燃的发生频率;单次喷射的喷油开始时刻过于提前(330~300°CA BTDC)或者推后(250~210°CA BTDC)都将增大低速早燃的发生频率;采用高的喷油压力(15MPa)对于低速早燃的发生频率具有抑制的趋势;当第一次喷油开始时刻较为提前(330~300°CA BTDC)时,相比单次喷射策略,二次喷射策略能够较明显地降低低速早燃的发生频率。     

过渡闪沸喷雾对缸内直喷汽油机性能影响研究

利用CONVERGE软件仿真分析了缸内直喷汽油机中速大负荷工况下过渡闪沸喷雾对整机性能的影响规律,对比分析了过渡闪沸喷雾状态和冷态喷雾状态下汽油机的缸内混合气形成、燃烧及排放特性。结果表明：随着燃料温度升高,燃油喷雾液滴粒径减小,喷雾破碎和雾化速度加快,当燃料温度达到380 K时,喷雾在速燃期之前索特平均粒径已降低至0 mm附近。过渡闪沸状态下,发动机缸内平均温度、缸压峰值和放热率峰值均高于冷态喷雾状态。燃料温度为380 K时与360 K时缸压峰值相差不大。过渡闪沸状态下发动机的soot排放低于冷态喷雾,且NO_x排放较高,燃料温度为380 K时相对于360 K时soot排放下降了80%以上,而NO_x排放仅上升8%。在低温冷态喷雾下,燃料温度的提高对发动机缸内混合气形成、缸内燃烧状态以及soot排放生成均有显著影响。过渡闪沸喷雾状态下,缸内气流运动对于缸内混合气形成的影响效果相比于喷雾破碎程度的影响效果更为显著。过渡闪沸喷雾状态下继续提高燃料温度对于发动机混合气形成、燃烧状态和发动机排放改善效果逐渐减弱。     

喷射策略对柴油转子发动机缸内燃烧过程的影响

针对直喷式柴油转子发动机缸内工作过程,基于FLUENT软件建立了耦合正庚烷简化机理的二维计算模型,并利用文献数据验证了模型的可靠性。设定喷射持续期不变,对比分析了单次或二次喷油时喷射时刻对燃烧过程的影响。研究结果表明:单次喷射时,缸内压力和缸内温度随喷射时刻的推迟而逐渐提高;喷油提前角为40°CA时CO生成量较高而NO生成量最低。二次喷射时,设置预喷时刻为-40°CA,随着主喷时刻的推迟缸内压力变化不大,CO生成量逐渐降低;当预喷时刻为-40°CA,主喷时刻-8°CA时,与单次喷射时刻为-40°CA相比,保持了较高的缸内压力,CO生成量降低了25%以上,NO生成量有所升高。     

高压直喷点燃式发动机燃用航空煤油掺混乙醇对燃烧性能优化的试验研究

为提高航空煤油在点燃式发动机中的燃烧热效率,改善发动机爆震及拓宽发动机负荷范围,以3号航空煤油(RP3)为基础燃料,以乙醇为辅助燃料,基于一台单缸水冷、压缩比可调、四冲程点燃式发动机结合高压共轨缸内直喷技术,开展了不同负荷、不同乙醇和航空煤油掺混比、不同喷射压力、不同喷射时刻下航空煤油燃烧特性的试验研究。结果表明,在压缩比为7的条件下,由于爆震的限制,发动机负荷仅能达到原机的72.0%。而乙醇具有较强的抑制爆震的能力,随着乙醇在航空煤油中掺混比例的增加,发动机负荷区间不断拓展,当乙醇的掺混比为10%时发动机可实现全负荷工作。继续增大乙醇的掺混比例,可进一步提升功率并降低油耗。为探究喷油时刻对动力性、经济性的影响,试验测定了5种喷油时刻对燃烧性能的影响。当喷油时刻为压缩上止点前300°时,发动机具有较好的动力性;当喷油时刻为上止点前360°时,发动机具有较好的经济性。     

基于光学发动机的柴油/聚甲氧基二甲醚引燃乙醇对比研究北大核心CSCD

为了改善内燃机燃烧与排放,探究反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧规律,在一台轻型光学发动机上对比了缸内分别直喷柴油和聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)引燃进气道喷射乙醇的燃烧特性。通过调节缸内直喷的喷油时刻和喷油比例,对燃烧过程进行了可视化试验分析。结果表明:随喷油时刻不断推迟,缸内燃烧压力与放热率呈现先增后减的趋势,喷油时刻在上止点前20°时燃烧效果最好。随着缸内直喷燃油比例的增加,每循环燃烧压力峰值和放热率峰值不断增加,燃烧相位提前,燃烧更充分。利用高速成像技术获得的图片结果显示:两种引燃模式下火焰均发生于近壁区域并向四周扩散。火焰亮度最高和面积最大的时刻出现在燃烧始点附近。PODE引燃乙醇时火焰场中无曝光区域而柴油引燃乙醇时存在较多曝光区。PODE/乙醇燃料组合相对于柴油/乙醇燃料组合的缸压和放热率峰值更高,滞燃期和燃烧持续期更短,燃烧效率更高,碳烟生成量更少。     

引燃柴油对中速双燃料发动机燃烧与排放的影响

采用SAGE详细化学反应机理燃烧模型,加入液滴破裂、蒸发、碰撞以及碰壁子模型,建立了ACD320DF船用中速双燃料发动机缸内及进排气道的三维仿真模型。在气体模式下对不同引燃柴油喷射策略下的缸内燃烧特性进行数值模拟分析。分析表明:引燃柴油的喷油时刻与喷油量对发动机的燃烧及排放有重要影响。根据发动机工况合理调整微引燃柴油的喷射策略,则能得到较好的燃烧和排放性能。     

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。     

直喷式汽油机缸内浓度场数值模拟

对直喷式二冲程汽油机缸内浓度场进行了数值模拟,选取两种代表性的发动机工况,采用球顶燃烧室,改变喷油定时和喷雾方向,研究它们对燃烧室内混合气浓度分布的影响。通过仿真分析得到:喷油定时和喷油方向对缸内浓度场分布有很大影响。当喷油器的中心轴线与气缸中心轴线的夹角为15°的喷油方向,喷油定时在低负荷选择95°CA、高负荷选择160°CA时,可以在火花塞附近形成有利于点火的混合气浓度,在整个燃烧室形成有利于分层燃烧的浓度场分布。     

供油提前角对含水乙醇-生物柴油发动机性能的影响

在对含水乙醇和生物柴油互溶性研究的基础上,进行了不同供油提前角下B90A10混合燃料柴油机经济性与排放特性的对比试验研究。试验结果表明:生物柴油和含水乙醇具有良好的互溶性;柴油机原机供油提前角为18°CA BTDC时,B90A10有效燃油消耗率较低,供油提前角增大或减小都使燃油经济性不同程度地恶化;低负荷工况下,16°CA,18°CA,20°CA BTDC供油提前角时的CO排放水平相当;中、高负荷工况下,随着供油提前角的减小,CO排放量依次增大。随着供油提前角的增大,碳烟排放降低,而NOx排放上升,呈现折中(Trade-off)的关系;HC排放对供油提前角的变化不敏感,总体排放量接近。对B90A10混合燃料的台架试验结果分析表明,多组分B90A10混合燃料是一种较为理想的柴油机代用燃料。     

柴油机燃用二元煤基燃料的燃烧和碳烟排放特性

为缓解石油短缺现状并降低柴油机有害物排放,采用二元煤基燃料在1115型单缸柴油机上进行了甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧试验,对比分析了不同F-T柴油供油时刻和引燃量对燃烧和碳烟排放的影响。研究结果表明:随着供油时刻由16°CA BTDC提前至24°CA BTDC,碳烟排放最高降低27%,滞燃期变长,燃烧持续期先减小后增大,放热率中心先靠近后远离上止点;随着引燃量的增加,放热率中心缓慢接近上止点,滞燃期和燃烧持续期变短,中低负荷下,碳烟排放趋于平稳,高负荷下,碳烟排放逐渐变大。通过调整F-T柴油的供油时刻和引燃量可以对燃烧和碳烟排放进行匹配优化。