四气门发动机缸内空气运动的试验和多维数值模拟计算

在倒拖工况下对一台四气门火花点火式发动机缸内流场进行了试验研究。试验采用加长活塞结构及透明活塞顶,利用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）,对气缸轴线的速度分布进行了测量。结果表明：在进气过程中,气缸内产生了双涡结构;在压缩过程初期,由于从进气门经过排气门流入气缸的气流产生的涡旋逐渐增强,而从进气门侧缸壁直接流入气缸的气流形成的反向涡旋逐渐减弱,最后演变成了单一大尺度的滚动涡流;在压缩过程中后期,滚流经历了发展、衰减、畸变和破碎的过程。为了进一步理解滚流形成、发展及演变过程,对缸内流动过程进行了多维数值模拟计算,计算结果与实测分析结果基本一致     

天然气发动机进气及压缩过程三维仿真分析

为研究天然气发动机缸内气流运动及天然气混合规律,利用Hypermesh和AVL Fire软件对发动机的进气和压缩过程进行三维仿真,计算进气与压缩过程的流线分布和天然气质量分数分布。结果表明：进气过程中,滚流主要沿气缸纵向变化,随着高速气流流入,在气门下方生成2个滚流区,进气道一侧的滚流较远离进气道一侧的大,在活塞运行到下止点时滚流能量耗散,被涡流吸收;进气过程中,涡流主要沿气缸横向变化,在气缸顶部形成众多无规则的小尺度涡流,气缸下部气流趋于稳定,形成稳定的大尺度涡流;压缩过程中主要产生是滚流、挤流和湍流,活塞上移,涡流运动加强,形成较大尺度的滚流,活塞顶部接近气缸顶部时,产生挤流,挤流运动可以增加上止点附近的湍动能。     

四气门天然气发动机缸内瞬态流场数值模拟

采用K-ε双方程模型对四气门天然气发动机进气道及缸内的瞬态流场进行数值模拟,模拟了发动机进气、压缩及燃烧过程。结果表明：四气门发动机缸内涡流由外向内形成;缸内平均湍动能强度在进气冲程中总体呈先增大后减小的趋势,压缩冲程中耗散作用使湍动能降低,但挤流作用使气缸中部的湍动能升高;进气过程中存在流动分层,为改善小负荷时发动机性能,天然气应尽可能在进气冲程中、后期进入气缸;缸内涡流中心的位置和气流速度梯度对火焰径向传播的均匀性有很大影响。     

气门盘锥面探讨

0 引言 气门是发动机工况条件最恶劣、工作温度最高的零件。它的功能是通过配气机构,按照气缸间的发火顺序和活塞等零件在气缸中所进行的工作过程,适时地开启和关闭,相应地保证气缸填充新鲜充量并使气缸内的废气排除。而气门盘锥面又是气门的关键部位。在各种刊物上很少单独进行讨论,现在提出对其进行讨论很有必要。     

提高四气门汽油机缸内滚流强度的研究

在四气门汽油机中,运用滚流运动组织快速燃烧过程或混合气分层稀燃过程,都需要提高滚流强度。作者在一台单缸四气门汽油机上,通过 Ｌ Ｄ Ａ 测量,研究了滚流的形成过程,提出了提高滚流强度的机理,并对进气道结构、燃烧室内进气门出口侧壁屏蔽对滚流运动强度的影响进行了初步研究。研究结果表明,在滚流形成过程中,缸内首先出现双涡旋结构,以后演变成为单涡旋结构的滚流运动。增加流经排气门侧的进气气流或抑制直接沿进气门侧缸壁流入气缸的气流,都能提高滚流强度。     

太阳能斯特林发动机气缸系统振源特性分析

以38 kW 4缸双作用斜盘式太阳能斯特林发动机为例,构建了其实体结构模型,针对气缸系统内部工质与活塞组件振源,应用Fluent软件对发动机气缸内工质的三维流动特性及脉动参数的时域和频域特性,活塞组件的往复运动惯性力、惯性力矩及其端面所受的气体力特性等进行了研究。结果表明:与吸热器相邻气缸内的工质压力脉动显著,且其脉动频率范围为10~50 Hz,而气缸内工质的流量脉动频率则主要在10~50 Hz和200~250 Hz两个范围内;活塞端面所受的气体力在工质的压缩与膨胀转换过程中大小、方向都会发生突变,引起活塞组件的振动冲击;单缸活塞组件的往复运动惯性力与惯性力矩均呈正弦规律变化,且相邻两缸之间相差90°相位角,整个气缸系统活塞组件的往复惯性力能自行抵消,而惯性力矩则需要通过合理设计平衡块质量及其与旋转轴心的距离才能达到平衡。     

可变燃烧室(VCC)活塞设计及其动力学特性

介绍了可变燃烧室(VVC)活塞的主要设计特性,包括钢珠-型面结构和连杆复位凸轮。采用VCC活塞的动力学仿真和发动机性能仿真的耦合迭代计算,预测了VCC活塞的动态响应特性;分析了影响VCC活塞动力学特性的关键控制参数及其它们之间的相互关系。研究结果表明:VCC活塞具有控制工作循环内气缸压力的快速动态响应,能有效控制5000r/min范围内100%负荷工况时过高的气缸压力;VCC活塞发动机能够在部分负荷工况保持较高的气缸压力,50%以下负荷工况的气缸压力与压缩比12.0的发动机几乎相同;钢珠-型面设计能够将弹簧变形量放大3倍,有效增加燃烧室容积变化;实际的动态预紧力远大于静态预紧力,适当减小碟簧预紧力可改善VCC活塞的动态特性。     

应用PDA研究ω燃烧室的气缸内紊流场

介绍了应用三维粒子动态分析对两种ω燃烧室的气缸内紊流场的测量结果，给出了在进气和压缩过程气缸内相平均速度和紊流强度的分布，分析燃烧室结构和偏心，气门偏置及转速对气缸内紊流场的分布和变化规律的影响。     

二冲程发动机主要零部件的设计

3·1 气缸和气缸盖的设计发动机气缸是影响发动机性能的重要零件。从材质方面考虑,分为铸铁气缸、铸入铸铁缸套的铝气缸和内表面镀铬的铸铝气缸,决定采用哪种气缸要根据用途和价格而定。在风冷发动机上,如图31所示,在气缸外周必须具有散热片、设有进气口、扫气口和排气口。图中:L—实际压缩行程(从排气口E_x关闭时开始); p——实际压缩比; V——实际工作容积; V_0——压缩后的燃烧室容积; V_1——气缸盖上的燃烧室容积; V_2——气缸垫容积; V_3——活塞顶体积。     

柴油机进气-压缩过程的三维瞬态数值模拟研究

应用动网格技术,对某柴油机在进气和压缩过程中气道-气门-气缸内的瞬态流场进行了数值模拟。模拟结果表明：在进气过程初期,缸内气流运动是紊乱的;随后,逐渐形成多个小涡流;到进气过程中后期,单一大尺度进气涡流形成并逐步得到发展、稳定和加强。而压缩过程初期,在进气涡流继续保持的同时,压缩涡流形成;到压缩过程后期,挤压涡流出现,气流以螺旋方式从气缸进入燃烧室,同时缸内的滚流逐渐加强。压缩过程中缸内气体的平均湍动能随曲轴转角的增大呈先减小后增大再减小的趋势。压缩上止点附近气缸边缘的湍动能很弱,而气缸中部挤流区域的湍动能则相对很强。水平方向的涡流、轴线方向的滚流以及湍动能的这种分布特性都有利于燃油的雾化以及与空气的混合。     

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。     

四气门汽油机缸内滚流运动的LDA实验研究

为了研究丰田 8A汽油机缸内气流运动状况 ,将一台Cagiva3 5 0单缸四气门汽油机重新设计改造成为与之相近的且可以进行激光诊断测试的试验样机 ,选取二氧化钛为示踪粒子 ,采用激光多普勒测速法 (LDA)研究了该样机在进气和压缩冲程缸内流场的变化情况 .研究结果发现 ,滚流在进气过程中就开始形成 ,并在实验所能实测的曲轴转角范围内一直保持 ,接近上止点时旋涡虽严重畸变 ,但仍未破碎为小尺度的湍流 .     

超高滚流对高热效率汽油机燃烧过程影响研究

以某自然吸气高压缩比直喷汽油机为研究对象,利用一维软件和三维软件对汽油机的工作过程进行了数值模拟,探究了超高滚流进气系统在高热效率燃烧系统中对燃烧性能的趋势性影响。研究中设计了三款不同滚流比气道和四种计算方案,对不同计算方案的瞬态滚流比、瞬态湍动能、缸内速度场、当量比分布、放热率和缸内平均压力等进行了对比分析。研究结果表明:滚流比的大小影响缸内混合气的分布和湍动能的强度,较强的滚流比可以将更多能量保留到上止点附近,提高点火时刻缸内平均湍动能,从而影响缸内燃烧,进而影响发动机的性能;带凹坑的活塞形状设计可以使湍动能在不同滚流比下都保持在相对中心位置,使火花塞处在湍动能较高区域,有利于点火之后火焰的迅速传播;在此燃烧系统中,滚流比增大到一定程度后,缸内的平均压力峰值难再提高,对性能的增益已接近极限,过高的滚流比对发动机性能的提升已无明显作用。     

高滚流Atkinson循环燃烧系统研究

为进一步提高发动机热效率,提出高滚流Atkinson循环燃烧系统概念。其特征是采用高滚流气道和活塞组合,配合Atkinson循环和废气再循环(EGR)技术,提高缸内的滚流和湍流水平,加快燃烧速度,同时降低汽油机爆震倾向。利用GT-Power和AVL FIRE软件针对某型汽油机进行了一维整机工作过程和三维计算流体动力学(CFD)模拟分析。结果表明:高滚流气道有利于促进缸内滚流运动,滚流比由原机的0.5提高到2.6;配合高滚流活塞后,使进气过程中产生的缸内初始滚流和压缩过程中的滚流维持作用都比原机有所增强,湍动能水平提升6.3%,瞬时放热率与原机相比平均提高15%;在此基础上,采用进气门晚关的方式实现Atkinson循环,并增加EGR系统,降低高压缩比带来的爆震倾向,比油耗在整个万有特性中均呈下降趋势,最低比油耗区明显变大,最低比油耗相比原机下降11.3g/(kW·h)。     

汽油机可变滚流进气系统瞬态模拟研究

运用动态网格技术对直喷汽油机在不同转速下缸内气体运动进行瞬态模拟研究,分析可变滚流进气系统中滚流调节阀工作状态对进气流动、喷雾及油气混合特性以及缸内燃烧特性的影响。模拟结果显示,滚流阀开启和关闭对缸内燃油分布有着显著的影响。通过关闭滚流阀提高滚流强度,可加快缸内燃油雾化速度,有助于点火时刻在缸内形成浓度均匀的混合气并提高燃烧效率;在低转速下关闭滚流阀,增加缸内滚流比,可以显著提高缸内燃烧压力,增加点火时刻的湍动能,配合较晚的点火时刻形成稳定而快速的燃烧。模拟结果有利于分析和评价不同参数对可变滚流直喷汽油机混合气形成及燃烧特性的影响规律,为可变滚流进气系统的整机开发提供理论依据。     

可变滚流GDI发动机缸内气体流动特性模拟研究

在一台可变滚流比直喷汽油机(GDI)上对不同滚流强度下缸内冷态湍流流场进行了数值模拟研究,并通过PIV结果进行了实验验证。研究结果表明:进气翻板关闭将显著提高缸内滚流强度并产生较强的湍流,尤其在气门升程最大时刻,其滚流比约为翻板开启时的5倍,湍动能为后者的4倍左右;缸内流场在高滚流比工况时较早地形成单一大尺度涡,同时涡心更明显,流场更加规则,流速相对较高,在进气下止点时平均流速为20m/s;在压缩过程中,高滚流比工况湍流的黏性耗散较大,湍动能衰减较快;但在压缩末期缸内湍动能较低滚流比工况高,同时分布更加均匀。     

4气门发动机单气门工作时罐内滚流运动的稳态测量研究

在稳流气道试验台上用叶片风速仪测量了4气门发动机单气门工作时缸内的滚流运动。确定了最大滚流矢量的位置;用热线风速仪研究了罐内滚流的形成过程,发现滚流轴线与水平面的夹角随气门升程的增大而增大。此时形成的“滚流”并非纯粹的滚流,而是斜轴涡流。     

二气门汽油机缸内滚流运动湍流特性的LDA试验研究

在一台具有较强滚流比的二气门汽油机上用二维 Ｌ Ｄ Ａ测量了燃烧室内沿气缸直径方向各测点处气流运动的规律。在考虑压缩过程中缸内滚流运动会受到影响的情况下对流场进行的分析表明，压缩过程初期和中期缸内滚流仍存在，只是到了压缩末期滚流才畸变破碎。通过相关分析和谱分析，说明了这一过程的发展变化复杂。作者建议使用有效平均速度的概念来计算湍流的积分长度尺度。