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.     

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.     

双对置二冲程柴油机不同扫气口结构对燃烧过程的影响

压燃式内燃机的燃烧过程主要受喷油策略和缸内气流运动的影响,而对于双对置二冲程柴油机来说,缸内气流运动的强弱主要受扫气口角度的影响。我们利用软件建立了双对置二冲程柴油机的整个工作循环,仿真分析了两种AVL-FIRE不同的扫气口角度对燃烧过程的影响,得出了两种方案在整个工作过程中的p-V曲线。结果表明,增加扫气口角度可在一定程度上加快喷油雾化过程,并使得可燃混合气在缸内分布更加均匀,而燃烧所爆发的压力与温度更大,且爆发相位更接近于活塞上止点位置。     

正庚烷/生物柴油双燃料的部分均质压燃燃烧

研究了气口喷射正庚烷、缸内直喷生物柴油的部分均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的燃烧特性和排放特性.研究表明,整个燃烧过程旱现三阶段放热模式.随着正庚烷预混合比例的增加,第一阶段和第二阶段最大放热率呈线性增加,从而导致生物柴油着火时的温度和压力明显上升.预混合正庚烷的引入使得放热中心时刻和放热结束时刻明显提前,燃烧持续时间缩短.至于排放方面,预混合比例的增加会引起CO和HC排放的增加,并且增加幅度逐渐减小;在中小当量比下,预混合比例增加会使得NOx排放线性降低,但是对碳烟排放却几乎没有影响;在较大当量比下,预混合比例增加可以使得NOx和碳烟排放同时大幅度下降,并且在20%～25%之间可以得到最佳的NOx和碳烟降低效果.     

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。     

预喷策略对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

通过一台6缸直喷、高压共轨柴油机改装成的柴油引燃天然气发动机.试验研究预喷正时和预喷油量对燃烧参数和性能参数的影响,结果表明:相对单次喷射,较晚的预喷正时(30°CA BTDC)能提高发动机有效热效率(BTE),降低HC、CO排放,但NOx排放恶化,而较早的预喷正时(60°CA BTDC)能够在提高发动机BTE的同时,降低HC、CO排放,并且NOx排放基本保持不变;当预喷正时为60°CA BTDC,预喷油量适当增多(3~5 mg/cyc)能进一步提高发动机BTE,降低HC、CO和NOx排放;预喷油量进一步增加(6~7 mg/cyc),NOx排放恶化,并且由于着火相位波动导致燃烧稳定性变差.改善双燃料发动机燃烧和排放特性一方面要增加预喷柴油在可燃混合气中的分布,增大柴油与可燃混合气混合的时间,改善混合气的活性,进而提高燃烧速率;另一方面要强化主喷柴油喷射对着火相位的控制,防止着火相位不一致而恶化燃烧稳定性.     

对置二冲程柴油机扫气口参数对扫气过程的影响

通过分析扫气口高度、圆周利用率、气口径向倾角等参数对对置二冲程柴油机扫气过程的影响,建立了基于GT-Power的一维仿真模型,研究分析了扫气口高度、圆周利用率变化对发动机扫气过程的影响;同时建立基于AVL-FIRE的对置二冲程柴油机扫气过程CFD仿真模型,研究了气口径向倾角变化对发动机扫气过程的影响。研究结果表明:扫气过程中,扫气流量主要受扫气口开启面积大小的影响,并随着扫气口开启面积的增大而增大;适当的扫气口倾角能促进扫气过程中的新鲜充量和废气的分层,但是扫气倾角太大容易导致气缸中心空气密度低,残余废气易聚集难以排出气缸;当扫气倾角为20°时扫气效率最大。     

柴油引燃天然气发动机不同喷射时刻和引燃油量下的燃烧和颗粒排放特性研究

在一台改装的柴油引燃天然气发动机上对不同的柴油喷射时刻和引燃油量(喷射油量)下的燃烧和颗粒排放进行了试验研究,并对相关的燃烧和颗粒排放特性进行分析。研究结果表明:随着喷射时刻和引燃油量的变化,柴油引燃天然气发动机的颗粒排放呈现单峰分布,其粒径分布无太大的变化,峰值粒径出现在29nm附近。随着喷射时刻的提前,纳米级颗粒数量浓度显著增加,颗粒的质量浓度呈现先减小后增加的趋势,滞燃期逐渐推迟,总燃烧持续期先减小后缓慢增加,相应的放热率曲线型心在逐渐靠近上止点后逐渐远离;随着引燃油量的增加,柴油引燃天然气发动机滞燃期和总燃烧持续期持续减小,放热率曲线型心逐渐靠近上止点,发动机排放颗粒的数量浓度明显减小,但其颗粒的质量浓度逐渐增加。     

预混合二甲氧基甲烷对生物柴油发动机燃烧与排放的影响

在单缸发动机上研究了气口喷射低沸点、高含氧量的二甲氧基甲烷(DMM)对生物柴油发动机的燃烧和排放特性的影响.研究表明:在直喷生物柴油当量比不变的条件下增加预混合DMM的量,整个燃烧的着火时刻和放热中心时刻提前,但是扩散燃烧时间延长,放热结束时刻拖后;在预混合DMM当量比不变时,减小直喷生物柴油的当量比会使得着火延迟.此外,当预混合比例增加到某一值后会使得最大缸内燃烧压力和最大压力升高率显著增加.在排放方面,预混合DMM会使得cO和HC排放明显上升,在某一比例达到最大值,之后却随着预混合比例的增加而大幅度降低;碳烟排放总是随着预混合比例增加而显著降低,最大可以降低35%-55%;NOx的排放规律有明显不同,在各种当量下,预混合比例在20%左右可以将NOx降低35%左右,继续增加预混合比例会使得NOx降低幅度减小.     

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。     

喷雾引导分层燃烧部分负荷喷油点火策略研究

在一台中置多孔喷油器的直喷汽油机上进行试验,研究了喷雾引导分层燃烧技术在部分负荷(n=2 000r/min、BMEP=0.2MPa)下,喷油点火策略对发动机油耗和排放的影响。研究结果表明:点火(IGN)时刻处于喷油结束(EOI)时刻附近时,可以实现稳定的分层稀薄燃烧。在IGN时刻与EOI时刻等高线图中,THC排放与NOx排放呈现矛盾折中关系,CO排放随EOI时刻的推迟而逐渐降低。有效燃油消耗率受到燃烧效率和燃烧相位两个矛盾因素的共同影响,在EOI为上止点前34°的曲轴转角而IGN为上止点前35°的曲轴转角时获得最低值(329g/(kW·h))。采用两次喷射策略时,小的喷射间隔下,喷射比例对分层燃烧的燃烧稳定性和排放影响较小。     

不同点火时刻下天然气掺氢缸内直喷发动机燃烧与排放特性

在缸内直喷火花点火发动机上开展了天然气掺混0％-18％氢气的混合燃料不同点火时刻下的试验研究。结果表明：对于给定的喷射时刻和喷射持续期,点火时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响,喷射结束时刻与点火时刻的间隔对直喷天然气发动机极为重要,喷射结束时刻与点火时刻的间隔缩短时,混合气分层程度高,燃烧速率快,热效率高。最大放热率等燃烧特征参数随点火时刻的提前而增加。HC排放随点火时刻的提前而下降,CO2和NOx排放随点火时刻的提前而增加,NOx排放的增加在大点火提前角下更明显。掺氢可降低HC排放,对CO和CO2排放影响不大。掺氢量大于10％时可提高天然气发动机热效率。     

天然气直喷燃烧的可视化研究

利用高速摄影装置开展了天然气直喷燃烧的可视化研究。研究结果表明:缸内形成的分层充量分布与喷射方式有关,双点平行喷射和单点喷射将比双点对向喷射形成的充量分层强。双点平行喷射和单点喷射时火焰将向燃料喷流的下流区发展,而双点对向喷射时火焰显示出由燃烧室中心向外围方向发展的特征。天然气直喷燃烧呈现出湍流燃烧特征的皱褶火焰前锋面。通过优化喷射正时形成的可燃分层充量可实现直喷天然气超稀燃烧。     

喷射参数对柴油机燃烧与排放特性的影响

在一台共轨柴油机上进行了喷射压力、喷射定时、后喷量及后/主间隔角等喷射参数影响作用的试验研究,利用FIRE软件数值模拟获取微观场变化信息,综合分析了喷射参数对缸内燃烧与有害排放物生成的影响机理及规律.结果表明,提高喷射压力和提前喷射定时有利于改善燃油经济性及碳烟排放,但在喷射压力较高(120～130,MPa),喷射定时提前到上止点前2°CA时,再提前喷射定时对碳烟的影响不大,而NOx的生成量显著增加,同时会引起燃烧粗暴.当后/主间隔角一定(15°CA),后喷量为1.5～2.0,mg时,烟度值达到最低,降幅为28%左右;后喷量为1.5,mg时,后/主间隔角在25,oCA附近,烟度达到最低,降幅达到20%.因此,引入后喷时需要选取适当的后/主间隔角和后喷油量,既要增强后喷燃油对缸内流场的扰动效果,使得更多的氧气进入主喷的燃烧产物区,加速碳烟的氧化又要避免进入高温缺氧区域内的后喷燃油量过多以及燃烧过于拖后等负面影响.     

对置活塞二冲程汽油机燃烧特性试验

通过对置活塞二冲程缸内直喷汽油机进行原理样机燃烧特性试验,研究了对置活塞运动相位差、扫气压力、点火正时和点火方式等对燃烧过程和整机性能的影响规律.对置活塞二冲程汽油机缸内放热规律试验结果与传统汽油机一致,可分为火焰发展期、快速燃烧期和燃烧后期.对置活塞运动相位差过小会导致缸内扫气效率较低、残余废气量较高,不利于燃烧过程的组织;同时,对置活塞相对运动速度过快会导致内止点过后气缸工作容积变化率较大,缸内压力和温度下降较快.对置活塞运动相位差为15°,CA时,可有效改善扫气过程和燃烧组织.随着转速的升高,需要提高扫气压力,在提高扫气效率的同时增加混合气质量,提高燃烧速率.扫气压力为0.12,MPa时可兼顾中、高转速下缸内扫气过程和燃烧组织.对置活塞采用平顶结构时,需要配合双火花塞对置点火且点火提前角为20°,CA,可保证中、高负荷具有最高的指示热效率.     

油嘴喷射锥角对柴油可控预混压燃燃烧特性的影响

进行了在柴油可控预混压燃燃烧模式下,油嘴喷射锥角对燃烧与排放的影响研究.实验结果表明,采用155°和125°喷射锥角的油嘴,改变多脉冲喷射定时可控制预混燃烧放热幅度,影响NOx与HC和CO排放的折衷关系.在3次和6次多脉冲喷射条件下,采用125°油嘴能获得更低的NOx和HC排放.特别是采用6次脉冲喷射模式,即使在较早的喷射定时(130°CA BTDC)下,仍能保证较低的HC和CO排放.研究表明,通过减小油嘴喷射锥角、增加脉冲喷射次数和大幅度提前喷射定时,能够在获得低NOx排放的可控预混燃烧过程的同时,保证HC和CO排放只有小幅增加.     

不同喷射时刻缸内直喷天然气燃烧特性

利用快速压缩装置研究不同喷射沓刻缸内直喷天然气燃烧特性。结果表明，天然气直喷燃烧可实现快速燃烧，缩短喷射时刻与点火时刻的时间差可明显缩短燃烧期。与均匀混合气燃烧相比，碳氢的排放增加，缩短喷射时刻与点火时刻的时间差可达到均匀混合气燃烧时相同的排放量。在很宽的当量比范围内，NOx增加，而CO仍维持很低数值，且不受喷射时刻的影响，直喷天然气燃烧可实现较高的压力升高值，且其数值不受喷射时刻的影响，所达到的高燃烧效率也不受喷射时刻的影响。     

不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性

开展了天然气高压缸内直喷发动机不同喷射时刻时的燃烧特性研究。研究结果表明：燃料喷射时刻对发动机性能及排放有较大影响,喷射太迟会导致天然气和空气混合时间短,混合效果差,燃烧持续期长,放热速率慢。喷射过早会导致充量系数下降,燃料容易进入燃烧室狭缝间隙处,造成较高的HC排放。对于给定转速,发动机存在一个最佳燃料喷射提前角,此时缸内最高压力值最大,最大压力升高率和最大放热率最大,放热速率快,燃烧过程等容度好,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期短,发动机热效率高,HC、CO排放也维持较低水平。     

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。     

GDI发动机冷怠速工况缸内混合气形成模拟研究

采用三维CFD仿真建立了缸内直喷发动机冷怠速工况缸内混合气形成过程仿真模型,并与光学发动机台架测量结果进行了对比,验证了仿真模型的准确性。基于仿真模型研究了冷怠速工况两次喷油正时与喷射比率对缸内混合气形成、燃油碰壁的影响。研究结果表明:进气行程喷油过早会导致活塞顶油膜增加,过晚喷射则会导致缸套壁面油膜增加,进气行程喷油正时对缸内混合气分布有一定的影响,但压缩上止点附近火花塞附近浓区形成与保持主要由压缩行程喷射来实现;压缩行程喷油过早,在点火时刻缸内会形成相对均质的混合气分布,过迟则会导致活塞顶油膜量急剧增加;两次燃油喷射量比率对火花塞附近浓区的形成影响相对较小,但压缩行程喷射量过多会导致活塞顶油膜量明显增加。