基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场计算方法

为了提高发动机缸盖、缸体金属温度场分析的准确度,提出了一种基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场分析方法。首先,基于发动机的标定信息,进行了缸内的燃烧分析,研究了各部分边界上的对流传热量;其次,进行了水套的流动分析,对其传热系数进行了评估;再次,考虑了活塞环与缸壁的摩擦换热及活塞与缸壁的热传导;最后,基于上述的热边界条件进行了金属温度场的计算,并与试验进行了验证。结果表明:采用该算法,缸盖、缸体金属温度场分布比较合理,监测点温度与试验比较吻合。     

柴油机瞬态工况烟度排放特性及分析

为了研究车用柴油机瞬态工况中,燃烧边界条件对燃烧过程的影响,在试验台上针对增压中冷柴油机在恒转速增转矩瞬态工况下的烟度排放特性进行了试验,并用商业计算软件STAR-CD对此瞬态工况下柴油机的燃烧过程进行了数值模拟分析。针对增压柴油机低转速大负荷排烟较差的特点,试验中发动机转速定为1000r／min,以3种不同的转矩变化率来考察柴油机瞬态工况下的排烟特性。结果表明,柴油机瞬态工况下和稳态工况下的燃烧边界条件有很大的差别,这种差别导致了柴油机瞬态工况下的烟度排放值要明显高于其相应的稳态工况。计算结果表明,随着转矩变化率的升高,最大初始放热率升高及燃烧持续期延长,这些差异同样导致排气烟度值增加。     

活塞环摩擦热对燃烧室部件耦合系统的传热影响模拟研究

在内燃机传热全仿真模拟研究中考虑了环组摩擦热的影响,建立了一整套有关环组摩擦热处理子模型：1）活塞环－气缸厌的混合润滑模型;2）摩擦热计算模型;3）摩擦热在活塞组和气缸厌间的分配模型;4）摩擦热在活塞组和气缸套上的分布模型。利用这些模型,模拟了125风冷柴油机环组摩擦热对活塞组－气缸套耦合系统的传热影响。     

活塞环-气缸套润滑摩擦研究

活塞环与气缸套间的润滑、摩擦直接影响到内燃机的动力性、经济性和可靠性。在内燃机实际运行过程中,缸内工作过程循环变动及活塞气缸套间动接触导热直接影响到润滑油膜的状态,因而活塞环在缸套中的不同位置时的摩擦、润滑状态各不相同。在传统的活塞环组稳态热混合润滑的基础上,考虑到活塞组一气缸套动接触系统瞬态传热,建立了活塞环组的非稳态热混合润滑、摩擦数理模型及数值方法。运用该方法可模拟出活塞环组润滑、摩擦特性,并可预测出不同瞬时润滑油膜的温度场、压力分布、油膜厚度、摩擦功和摩擦热等重要参数。     

流固耦合仿真技术在发动机稳态传热计算中的应用

为解决发动机传热研究中冷却水与缸套、机体之间的流动与传热问题,将有限元软件中提供的流固耦合仿真技术应用到发动机稳态传热计算中。建立了发动机活塞组-缸套-冷却水-机体流固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。同时,零件之间的传热边界条件也变得既简单又合理。以某型号柴油机为例进行了有限元仿真计算,并与活塞和缸套的温度场测量数据进行了对比分析。结果表明：仿真结果与试验测量数据误差较小,应用流固耦合仿真方法可以较好的模拟发动机稳态传热状态。     

ω型柴油机活塞温度特性计算机模拟

活塞作为内燃机最重要的受热零部件之一,长期处于恶劣的工作环境中,承受着很高的热负荷,容易形成热疲劳而损坏.本文在相同的稳态边界条件下,研究柴油机ω型活塞三种不同的设计方案:方案1,对活塞内腔做喷油冷却;方案2,给活塞加内冷却油道强迫冷却;方案3,给第一道环槽镶中空环槽镶圈.利用有限元ANSYS软件分别对三种方案进行模拟仿真,获得其温度特性,由此可为该型活塞的结构优化提供参考依据.     

基于润滑分析的气缸套二维磨损过程数值模拟及试验研究

活塞环-气缸套摩擦副的工作状况对内燃机的正常工作有重大作用。气缸套在使用过程中的磨损影响到活塞环-气缸套摩擦副的润滑状态和密封性,并进一步影响到内燃机的经济性、动力性和排放特性。为了解活塞环-气缸套摩擦副的磨损特性,在活塞环-气缸套2维润滑特性分析的基础上,建立了适合于工程实际应用的磨损模型,计算了气缸套的2维磨损量分布,研究了内燃机运行时间、润滑油温度、粘度、活塞环-气缸套表面粗糙度等因素对活塞环—气缸套摩擦副磨损特性的影响,对气缸套的寿命做了预测,并以试验对理论分析做了验证。     

活塞受热状况的具体分析

描述了活塞的温度分布情况,分析了活塞直径、厚度、裙部结构、顶部构型、与缸套的配合间隙和第一环槽结构对活塞受热状况的影响及相应的改进措施,并从活塞材料的具体成分、制造工艺和隔离技术等角度加以解释,最后比较了不同的冷却方式对活塞的冷却效果。     

基于传热系数反求法的船用柴油机组合活塞热分析

建立了柴油机组合活塞的2D有限元模型,并利用传热系数反求法对该模型进行热分析。在仿真分析中,将活塞头部外表面传热系数定义为设计参数,实测温度与仿真温度的差值定义为目标函数。通过仿真计算得到了活塞头部外表面传热系数的分布,并利用反求法得到的传热系数对有限元模型进行热分析,仿真结果与实测温度吻合;传热系数反求法收敛迅速,可以有效用于活塞及其他内燃机零部件的温度分布和热负荷分析。     

高原环境重型车用柴油机热负荷性能分析

以高原修正的广安博之喷雾模型为基础,建立具有环境适应性的某特种车辆柴油机缸内燃烧与冷却系统传热耦合模型。海拔3 700m的实车试验表明:模型最大误差在4.3%以内。在不改变发动机部件的前提下,通过调整柴油机供油提前角和最大循环供油量,可改善高原运行时特种车辆柴油机的热负荷。试验结果表明:在海拔4 000m时,供油提前角提前4°CA可使涡前温度最高下降30℃,活塞表面温度最高下降15℃,且表面温度场分布稍有改善,但缸内温度峰值上升20℃;在满足任务工况功率需求的基础上,供油量调整螺钉拧入角度为255°时,热负荷参数满足发动机控制参数要求。     

用耦合法分析研究发动机的稳态传热

利用FLUENT分析软件对发动机的稳态传热进行了仿真模拟。以所建立的某柴油机耦合传热系统为例进行了仿真计算,得到了耦合系统(活塞、缸套、冷却水套)的温度场等相关信息。计算结果表明,用耦合法模拟柴油机活塞组、缸套和冷却水之间的稳态传热是可行的。     

Effects of diesel/water emulsion on heat flow and thermal loading in a precombustion chamber diesel engine

An experimental investigation has been carried out to study the effects of using water/diesel emulsion fuel in an indirect injection diesel engine on the heat flux crossing liner and cylinder head, thermal loading and metal temperature distribution. A single cylinder precombustion chamber diesel engine has been used in the present work. The engine was instrumented for performance, metal temperature and heat flux measurements. The pure gas oil fuel and different ratios of water/diesel emulsion were used and their effects on the heat flux level and the injector tip temperature are studied. Two correlation were found for the heat flux crossing the liner and the cylinder head at various water/diesel emulsion ratios, fuelling rate and thermocouple probe locations. It was found that the addition of water to diesel fuel, to control the nitrogen oxides emissions, has great influence on reducing the heat flux, the metal temperatures and thermal loading of combustion chamber components.     

用耦合分析法研究内燃机活塞环-气缸套传热润滑摩擦问题

在以往对活塞环-气缸套润滑摩擦性能的研究中,大都忽略了活塞组-气缸套间的导热,或者将导热过程简化,这与该摩擦副的实际润滑摩擦状况相去甚远.把柴油机缸内燃气、活塞、活塞环、润滑油膜、气缸套、冷却介质作为一个耦合体,考虑各部件间及相应物理场间的耦合关系,采用耦合分析法建立了活塞环-气缸套的三维非稳态热混合润滑摩擦模型.该模型以三维瞬态热传导模型、动压润滑模型和润滑油膜传热模型为基础,并考虑了润滑油的黏温变化、燃烧室燃气泄漏、表面粗糙度、油膜破裂位置以及气缸套圆周方向上的非轴对称性等影响因素.采用上述模型,对6110型柴油机活塞环-气缸套摩擦副进行了传热、润滑、摩擦耦合分析,得到了活塞组-气缸套的温度场,并用试验证实了耦合模型的正确性;与此同时,得出了润滑油膜的温度、黏度、最小油膜厚度和摩擦热随曲轴转角和活塞环周向高度的分布曲线.     

气道和燃烧室形状对汽油机缸内流场影响的计算研究

为探究气道及燃烧室形状对汽油机缸内流场的影响,以某1.4L多点进气道喷射(MPI)汽油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件对原机进气道形状进行稳态数值模拟计算,并对原汽油机在2 800r/min最低比油耗工况点进气及燃烧过程进行瞬态数值模拟计算。基于计算结果对进气道及燃烧室形状进行优化设计,提出4种计算方案,对优化前后各计算方案的缸内速度场、湍动能场、火焰前锋面密度和瞬时放热率进行对比分析。结果显示:改进气道的滚流比明显高于原机气道;结合改进气道,进气侧凸起活塞能够更好地维持滚流;在点火时刻,改进气道结合进气侧凸起活塞这一计算方案的缸内湍流分布及湍动能优于改进气道结合大曲率凹坑活塞、原机气道结合原机活塞(压缩比12)与原机计算方案,点火后火焰传播速度最大,燃烧速度最快。优化进气道及燃烧室形状能够加强缸内气流运动,提高点火时刻缸内湍流强度,加速火焰传播,改善燃烧过程。     

活塞组-气缸套耦合传热模拟

将柴油机缸内燃气、活塞组-气缸套、冷却介质作为一个耦合体,考虑相应的物理场及各部件间的耦合传热关系,建立了活塞组-气缸套的耦合传热模型。并用该模型实机模拟了6110型柴油机活塞组-气缸套的耦合传热过程．预测出活塞组润滑油膜-气缸套的耦合传热过程。实验表明数值结果合理可信。     

燃烧室部件耦合系统过渡工况传热全仿真模拟研究

内燃机的起动、停车、加载等运行工况发生急剧变化（过渡工况）过程中,其燃烧室部位外于强烈地被加热或被冷却状态。这种热冲击增加了部件的动态疲劳热应力,给内燃机的可靠性带来严重恶果,是导致燃烧室部位破裂的主要原因之一。燃烧室部件的传热研究是热负荷计算和评定的基础,对内燃机的可靠性设计具有重要意义。作对燃烧室部件活塞组气缸套耦合系统在过渡工况下的耦合传热关系进行了较深入的研究,建立了描述这一传热过程的数学模型;并利用该模型,模拟了125风冷柴油机在各种过渡工况下的传热情况。     

发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真

为解决发动机传热计算时冷却水与缸套、机体之间的流动与传热耦合边界问题，建立了发动机活塞组-缸套-冷却水-机体三维流固耦合系统，并利用有限元分析软件的流固耦合计算功能，把单个零件的传热外边界条件处理成内边界，使得传热仿真更合理更简单。以某增压柴油机为例，用有限元分析软件ANSYS对建立的三维流固耦合模型进行了稳态传热数值仿真，得到了耦合系统的温度场和流场云图。与标定工况下活塞和缸套的温度场测量数据进行了对比分析，结果表明：仿真结果与实测数据吻合较好，误差控制在8％以内。由此说明应用流固耦合仿真方法可以较好地模拟发动机稳态传热。     

Numerical analysis of two-stroke free piston engine operating on HCCI combustion

An opposed-piston hydraulic free piston engine operating with homogenous charge compression ignition (HCCI) combustion, has been proposed by State Key Laboratory of Engines as a means of significantly improving the IC engine’s cycle thermal efficiency and lowering exhaust emissions. Single and multi-zone Chemkin model with detailed chemical kinetics, and unique piston dynamics extracted from one dimensional gas dynamic model, have been used to analyze the combustion characteristics and engine performance. Intake heating, variable compression ratio and internal EGR are utilized to control the combustion phasing and duration in the cycle simulations, revealing the critical factors and possible limits of performance improvement relative to conventional crank engines. Furthermore, real engine effects such as heat transfer with air swirl, residual mass fraction, thermal stratification, and heat loss fraction between zones are considered in the sequential CFD/multi-zone method to approach the realistic engine performance at an acceptable knock level.     

Effect of hydrogen addition on the operating characteristics of a free piston linear engine

A free piston linear engine (FPLE) with glow plug ignition was designed and manufactured. This paper investigated effects of hydrogen addition on the FPLE performance and emission characteristics. Experimental results showed that the FPLE can be started manually and then steady FPLE operating state is achieved. Compared with the crankshaft model engine, the FPLE has a greater speed around the top dead centre. The peak acceleration of the FPLE (4100 m/s²) is more than three times greater than that of the crankshaft model engine. Results also showed that the FPLE performance including the indicated power, indicated thermal efficiency and indicated mean effective pressure improves remarkably with hydrogen addition. The optimal FPLE performance is achieved when the hydrogen volume fraction is 4%. However, the engine performance cannot be further improved when the hydrogen volume fraction continues to increase due to the occurrence of over-advanced combustion phasing. Moreover, the FPLE operating range is significantly broaden and the operating stability is improved with hydrogen addition since the fast burning speed and wide flammability of hydrogen. Besides, the heat release rate, in-cylinder peak pressure and pressure rise rate are also obviously enhanced. The high-speed flame images showed the flame color becomes lighter and the yellow area is smaller compared with that of pure methane condition, indicating that the hydrogen addition to the fuel contributes to burn completely and reduce the soot formation.     

一种改进的活塞燃气侧换热边界修正方法

提出了一种活塞燃气侧换热边界修正方法。在传统经验公式基础上,该方法基于能量守恒定律修正活塞燃气侧换热边界,并以某柴油机活塞为例进行了验证。结果表明:该方法计算的活塞燃气侧换热边界比传统公式法精确,比三维燃烧过程仿真分析获得换热边界的方法高效,适用于柴油机设计阶段活塞温度场快速评估。