活塞形状对直喷汽油机工作影响的数值模拟

通过三维CFD软件AVL-FIRE模拟了直喷汽油机的进气、喷油和燃烧等工作过程,对比并分析了4种活塞形状对混合气形成及燃烧过程的影响.计算结果表明:活塞形状对进气量影响不大;对于缸内正滚流和使用多孔高压喷油器的直喷汽油机,"平顶+凹坑"的活塞顶设计更有利于维持缸内湍流强度,并在点火时刻在火花塞附近形成可供稳定点火的可燃混合气;平滑的活塞顶使点火时刻缸内湍动能更强烈,有利于加速燃烧过程,缸内温度和压力峰值更高,动力性更好;较高的缸内温度和压力会增加NO的产量,但会减少碳烟排放.     

缸内直喷CNG发动机喷射方式对火焰传播特性及性能的影响

火焰传播是点燃式发动机的主要燃烧方式,为了有效控制缸内直喷CNG发动机更稳定的稀薄燃烧过程,以实现高效率低排放,利用试验用单缸光学发动机,采用双喷射器缸内直喷CNG方式,在双火花塞点火的条件下,分析研究了不同喷射方式对火焰形成及传播特性以及发动机性能的影响.结果表明,双点点火时,缸内气流对首先形成的火焰具有"牵引"作用,而两个火焰由于形成时刻不同传播方式就有区别,且两个火焰之间具有"挤压或推动"作用,由此影响整体火焰传播速度;缸内火花塞附近混合气浓度越浓或不均匀性越大,循环波动越小,燃烧更稳定,但随混合气浓度分布不均匀性的增加,NOx排放也增加,表明基于混合气浓度不均匀性分布特性的燃烧过程中,NOx的生成机理不仅与高温富氧条件有关,而且还与浓度场分布特性有直接的关系.     

对置活塞二冲程汽油机多点点火燃烧特性研究

由于取消了气缸盖,对置活塞二冲程(OP2S)汽油机的火花塞只能布置于气缸侧壁。因此在单火花塞点火时,缸内火焰传播不对称,导致OP2S汽油机具有较明显的爆震倾向。为了有效地抑制爆震的发生,利用三维CFD软件对OP2S直喷汽油机在不同火花塞数目下缸内的燃烧过程进行了数值仿真,并结合试验研究了火花塞数目对混合气燃烧特性的影响,分析了不同火花塞数目对缸内燃烧压力、燃烧持续期及燃烧放热率的影响规律。研究结果表明,增加火花塞数量可以有效改善缸内的燃烧情况,而对侧布置双火花塞的布置形式为最佳方案。     

生物柴油碳烟特性的可视化研究

在1台光学可视化发动机上,采用高速摄影法,对不同掺混比例的柴油/生物柴油混合燃料进行研究,获取缸内燃烧火焰图像,通过双色法得到表征缸内碳烟总体分布的KL因子,分析了生物柴油对缸内燃烧过程和碳烟生成特性的影响.研究结果表明,随着生物柴油掺入比例的增加,最高燃烧压力逐渐降低,滞燃期相对延长,燃烧持续期缩短,火焰的亮度和分布面积都随之下降.KL因子的最高浓度降低,碳烟较浓的分布区域减小,碳烟的氧化进程加快.     

基于激光诱导炽光法的柴油喷雾燃烧碳烟生成特性

采用激光诱导炽光法(LII),对高温高压定容燃烧弹内柴油喷雾燃烧火焰及碳烟生成的二维分布图像进行了测量分析,研究了在不同定容室环境温度、环境压力和喷射压力下燃烧火焰和油气混合特性对碳烟生成与分布的影响规律.结果表明:柴油燃料滞燃期会随环境温度和环境压力的升高而缩短;扩散燃烧火焰的浮起长度内空气卷吸量是影响碳烟形成过程的一个重要因素,高的环境温度和环境压力,以及低的喷油压力会产生较短的柴油火焰浮起长度;高的柴油喷射压力、低的环境压力和温度所产生的LII信号强度较弱,即此时激光片光内的碳烟体积分数较小.在喷雾混合中自然形成的混合气浓度分层和温度分层,既影响到混合气的着火和燃烧过程,又诱发碳烟颗粒的产生,研究结果对优化燃烧系统设计,验证燃烧模型提供了有价值的依据.     

缸内直接喷射式汽油机点火稳定性的数值分析

缸内直接喷射式汽油机的一个显著特点是依靠火花塞点燃喷入缸内的汽油油束。由于缸内混合气浓度极不均匀，所以其点火及火焰传播过程与普通均质燃烧式发动机有很大的不同。火焰核心的稳定形成及初始火焰发展对缸内的整个燃烧过程有极其重要的影响。本文利用二维两相混合模型模拟喷雾过程，利用一个详细的准维模型模拟火花塞的点火过程，并采用特殊处理方法使两个子模型相匹配，计算了缸内直接喷射式汽油机从喷雾到形成稳定火核的全过程，分析了多种因素对点火稳定性的影响，尤其是对涡流比、点火时刻和喷油定时之间的适当配合进行了模拟分析。计算结果对优化实验有明显的指导作用。     

海拔对柴油喷雾和附壁燃烧过程的影响

随着海拔升高,缸内气体密度减小,喷雾液相长度增加,高海拔环境下液态喷雾油滴会直接撞击活塞表面,形成柴油的附壁燃烧.结合具体的发动机参数,利用定容燃烧弹模拟发动机缸内喷雾和燃烧过程,通过高速摄像研究海拔对喷雾撞壁和燃油附壁燃烧过程的影响.结果表明:随着海拔升高,3000 m以上会出现较明显的液态燃油撞壁,并发生燃油的附壁着火燃烧;海拔越高,附壁油雾面积越大,滞燃期越长,着火核心距离壁面越近.燃烧前期,在低海拔下,温度较低的壁面主要对碳烟氧化阶段起到了冷却作用;而在高海拔下,此冷却效果主要作用于滞燃期之前的蒸发和焰前反应过程.燃烧中期,壁面被喷雾火焰加热,冷却作用减弱;低海拔环境下的喷雾和燃烧过程在壁面附近不再形成低温碳烟层;高海拔环境下的喷雾过程则由于壁面附近的过浓混合气燃烧产生大量低温低亮度碳烟,且海拔越高,低亮度碳烟层越厚.燃烧后期,海拔的升高会导致壁面附近火焰的厚度和铺展范围增加,燃烧放热重心后移,对柴油机做功和热效率产生不利影响.     

柴油温度对燃烧火焰温度和碳烟生成的影响

通过定容燃烧弹,采用双色法研究不同柴油温度对冷起动过程中燃烧火焰温度和碳烟生成特性的影响,获取缸内燃烧火焰温度分布和表征碳烟分布的KL因子.结果表明:在喷油后3.5 ～ 6.0 ms的燃烧稳定时期,柴油温度为40℃的火焰中大于2 200 K的区域约占60％,柴油温度为20℃的火焰中大于2 200 K的区域约占55％,柴...     

乙烯预混火焰中乙醇添加对碳烟生长的影响

基于颗粒群平衡理论,构建了详细的碳烟模型,采用Monte-Carlo算法进行数值求解,结合详细的化学反应机理,对乙烯/乙醇/空气层流预混火焰中碳烟的生成进行了研究.通过计算对比了不同比例乙醇(0、10%、20%和30%)添加对碳烟颗粒生成过程的影响,获得了不同火焰高度下碳烟体积分数和尺寸分布等信息.结果表明:乙醇的添加增强了火焰中碳烟前驱物和碳烟颗粒的氧化反应,有效抑制了碳烟的生成;随着乙醇添加量的增加,颗粒尺寸分布的双峰结构越不明显,第2峰值往前推移.     

预喷对重载柴油机燃烧与排放影响的试验

基于内窥镜测量技术,在一台6缸高压共轨重载柴油机上研究了预喷正时、预喷油量与EGR率等对燃烧放热、排放物生成的影响作用.对柴油机缸内燃烧过程中的火焰图像进行了采集,并且通过双色法计算得到了碳烟颗粒场分布图像.结果表明:随预喷正时延迟,缸内峰值压力升高,预喷燃烧的两阶段放热现象消失,预喷燃烧的火焰亮度加强,NOx和碳烟排放均降低;随预喷油量增加,预喷燃烧的放热率和火焰亮度升高,NOx和HC排放增大,而碳烟和CO排放降低;随EGR率提高,预混燃烧强度变弱并且开始呈现两阶段放热现象,主燃烧始点滞后,NOx排放显著降低,但碳烟、HC和CO排放升高.采用内窥镜测量可以更方便准确地了解发动机实际运行工况下缸内燃烧特性.     

LNG发动机缸内气体流动及其对燃烧过程影响的数值分析

应用STAR-CD软件对缸内直喷LNG发动机建立工作过程的计算模型,分析了缸内流场的运动及对发动机燃烧过程的影响.模拟结果表明:进气过程所产生的涡流运动能够维持到压缩上止点附近,压缩行程后期缸内的滚流破裂成众多小尺度的涡,湍流强度增大,可以提高火焰传播速率;压缩冲程接近终了时,缸内混合气呈明显分层现象,在火花塞及LNG喷嘴附近聚集较浓的可燃混合气,利于实现天然气发动机的稀薄燃烧.     

基于详细模型汽油替代燃料碳烟生成特性分析

基于矩方法算法和预混火焰程序,实现一维预混火焰中汽油替代燃料燃烧生成碳烟的详细数值模拟.其中气相详细模型为包含多环芳烃(PAHs)生成机理的多组分汽油替代燃料反应动力学模型,详细碳烟颗粒相模型包含成核、凝并、PAHs表面沉积、表面生长和表面氧化过程.结果表明:燃烧过程中苯(C6H6)分子摩尔分数是影响PAHs生成的直接原因,决定了汽油替代燃料生成PAHs摩尔分数的大小;芘(C16H10)分子摩尔分数直接影响碳烟的生成过程,决定汽油替代燃料碳烟排放水平;可依据汽油替代燃料的组成评价燃烧生成PAHs和碳烟的水平,汽油替代燃料中甲苯/二异丁烯总含量越高,其生成PAHs和碳烟量越大,反之亦然.     

丁醇柴油喷雾火焰碳烟颗粒采样与形貌分析

在定容燃烧弹内,实现纯柴油与体积比为30%,的丁醇柴油燃料的喷雾燃烧,研究了燃烧火焰的基本特征,设计了定容弹内喷雾燃烧火焰中碳烟颗粒物直接采样台架,利用高分辨透射电镜(HRTEM)对这两种燃料燃烧生成的碳烟颗粒样本进行观测、统计和分析,研究掺混丁醇对喷雾火焰和碳烟生成的影响.研究结果表明:掺混丁醇延长了喷雾火焰的滞燃期,缩短了燃烧持续期,丁醇柴油混合燃料(B30)的碳烟数密度和质量明显小于纯柴油(B00),在柴油中掺混丁醇,能够抑制碳烟生成,降低碳烟排放,同时降低了碳烟的基本颗粒粒径和平均直径,使排放碳烟颗粒物更加细微化;B00与B30的碳烟基本颗粒内部结构以无序的不定形碳为主,表面晶化不明显.     

汽油机双火花塞燃烧室点火控制策略的测试分析

为分析158FMI汽油机双火花塞燃烧室对发动机缸内燃烧放热速率、循环变动和爆震燃烧等的影响,设计了五种不同的单/双火花塞点火控制策略。燃烧测试诊断证明:双火花塞可有效促进缸内燃烧过程,其最高燃烧压力和压力升高率均大幅升高,最高燃烧压力对应曲轴转角提前,燃烧持续期缩短,循环变动率降低;在低负荷工况,双火花塞加速缸内燃烧、缩短燃烧持续期、提高燃烧稳定性和降低循环变动率的效果更加显著。测试数据的分析揭示如下现象:全负荷工况双火花塞加速缸内燃烧的总体效应主要体现在已燃质量分数10%~50%的前期燃烧阶段,双火花塞比单火花塞更易出现爆震燃烧,双火花塞提升发动机动力性和燃油经济性的潜力很大程度取决于点火提前角的匹配优化;而双火花塞同相点火和非同相点火对缸内燃烧特性的影响并不明显。基于点火控制策略的优化,158FMI双火花塞汽油机通过热力学循环效率的提高获得5%~6%的动力性提升。     

基于缸内流动的甲醇发动机燃烧室选型

结合某甲醇发动机开发,应用CFD仿真分析技术,得到了不同燃烧室形状对缸内流动的影响。结果表明,方案2的燃烧室效果最好。与原燃烧室相比,在点火时刻火花塞附近气流速度低,湍动能大,有利于火核形成及火焰传播;良好的缸内气流运动,有利于油气混合,改善燃烧。     

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。     

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.     

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.     

正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析

提出了一个新的包括多环芳香烃(PAH)生成的正庚烷/甲苯混合物燃烧化学动力学简化机理.该机理包括64种物质,120个反应,与激波管内滞燃期实验结果吻合较好.在不同进气氧体积分数下,使用该机理对柴油机缸内燃烧过程进行了计算,其结果与缸内的实验结果吻合良好.通过机理的敏感性分析发现,PAH的重要前驱物乙炔主要是由甲苯反应路径中的C6H5及C6H4O2生成,说明在正庚烷中加入甲苯会对模拟柴油的燃烧特别是碳烟的生成有很大的影响;过氧化氢自由基HO2和羟自由基OH在甲苯、正庚烷的分解反应及小分子烃的裂解和氧化反应中都起着非常重要的作用.     

基于CFD耦合现象学碳烟模型研究温度对碳烟生成的影响

基于9步法现象学碳烟模型,根据4种情况考虑了碳烟表面氧化对碳烟数密度的影响,并将改进后的模型耦合到KIVA-3V Release 2程序中.应用该模型,对柴油在定容弹中不同初始温度(800、900和1,000,K)下的燃烧和碳烟生成进行了多维数值模拟,并通过对应的试验结果进行校准.结果表明:各工况下预测的碳烟生成过程与试验值能定性地吻合.随着初始温度降低,点火时刻推迟,燃烧持续期缩短,燃烧模式由扩散燃烧向预混燃烧转变,碳烟生成降低.低初始温度下,碳烟的生成和氧化机理均受到抑制,然而局部燃烧温度峰值的降低和高温区域的缩减并不明显,碳烟的降低主要由于高燃油当量比区域的缩减.