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。     

内燃机气缸内稳态滚流运动沿气缸圆周分布特性研究

采用内置式滚流测量装置对CA1102发动机的四种气缸盖进行了滚流测量试验,主要测量不同气门升程敢缸内无因次滚流比沿气缸圆周的分布情况,同时采用Ricardo方法计算了进气终了滚流比沿气缸圆周的分布情况。结果表明：要在全升程范围内形成方向稳定的滚流运动,必须对进气流采取适当的导流措施;气缸内气体的滚流运动强度沿气缸圆周基本按余弦或正弦方式分布,并且,不同进气系统结构的气缸盖所产生的气缸内滚流运动矢量方向不同。     

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。     

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     

四气门发动机气缸内气流运动的LDA试验研究

在倒托工况下对四气门发动机气缸内流场进行了实验研究和分析。试验工作是在一台经过改造后的四气门发动机上进行的。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）,分别对气缸轴线以及燃烧 内和气缸上部两条水平直线上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,由于从进气门流向排气门侧的滚动涡旋逐渐增强,而另一侧的反向涡旋逐渐减弱,形成了单一大尺度的滚动涡流;在压缩过程中后期,滚流经历了加强、衰减、变形和破碎的过程。     

基于Kiva3v的柴油机进气和压缩过程模拟

借助专业的网格划分软件,生成带有螺旋进气道的柴油机分块结构化六面体计算网格,基于ki-va3v程序,建立了柴油机的进气压缩仿真模型。计算发动机倒拖的缸内压力,外特性工况点的进气量,并与试验值进行了对比,结果显示吻合较好。分析了缸内的滚流比与涡流比以及缸内的流场变化。缸内涡流比的变化过程对发动机转速的变化不敏感,在压缩上止点达到了最大值。缸内的气流流场在进气压缩过程中变化复杂,产生的涡旋经历了生成、发展和衰减的演变过程。在压缩过程中,缸内的湍流强度在燃烧室区域最强。     

四气门火花点火发动机气缸内的滚流运动

讨论了火花点火发动机气缸内滚流比的预测模型，根据滚流进气系统的稳流试验和拖动工况下缸内流场的LDA测量结果，提出了一个滚流形成的物理过程模型，即在进气冲程早期和活塞到达临界曲轴转角之前，不能有效形成滚流，活塞临界位置与在压缩冲程后期活塞上行、缸内滚流开始畸变、破碎的活塞位置相当，据此建立了缸内滚流比预测模型，并在稳流试验和拖动工况下缸内流动的LDA测量试验中得到验证。     

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.     

四气门柴油机缸内流场的LDA试验研究

在一台经过改装的单缸四气门柴油机上,由电机倒拖,使用LDA测量了缸内上部若干测点的速度信号,使用集总平均法对进气和压缩过程中缸内的流场分析计算了涡流的平均流速和湍流强度。结果表明在压缩过程中,从缸心到缸壁,切向湍流强度值大体相同。在压缩过程的初期和中期,缸内流场的切向速度曲线从缸心到缸壁变化较大,存在尖点;在压缩过程的后期、接近上止点位置时,由于挤流的作用,气缸中心的气体旋转角速度较外围明显增大,气缸中的气体分为燃烧室中心的高速圆柱区域和活塞顶上部的低速环形区域。在单进气道工作方式下,只影响进气和压缩初期的缸内流场。     

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。     

基于PLIF光学测量的排气回流EGR分层效果

利用进气行程排气门二次开启实现排气回流,并通过排气门行为参数和滚流强度的改变对回流废气的缸内分层分布进行主动控制.为探究不同影响因素下回流废气缸内分布的规律性,在一台滚流气道单缸光学发动机上应用平面激光诱导荧光法测量了不同排气门二次开启规律、不同进/排气压差以及增强滚流等条件下回流废气在不同曲轴转角的分布状态.结果表明:排气门二次开启时刻在进气行程中后期时,回流废气会随着缸内已形成滚流运动沿燃烧室外围产生旋转运动,在近点火时刻保持回流废气与新鲜空气的分层分布状态;排气门二次开启时刻在进气行程前期时,由于缸内未形成有效的滚流运动,回流废气过早进入气缸基本形成均匀混合气;进气行程中后期较高的排气门二次开启升程仍能形成良好的EGR分层状态,并且还能起到减缓滚流旋转运动的作用;进/排气压差过大时,回流废气量较大,废气气流运动也较强,不易于产生EGR分层;较强的滚流运动可以加快回流废气缸内旋转速度,相同的曲轴转角内产生更大的转移幅度.     

螺旋进气道-气门-气缸内空气运动的3维数值模拟

对稳流试验中螺旋进气道－气门－气缸内３维流场进行了数值模拟,分析了气道形状、气门偏置对流场特征和涡流比的影响。计算表明：螺旋气道斜坡段产生的气流角动量是气流在气缸内形成旋流的主要原因。气流在螺旋进气道内产生的角动量与气缸内进气射流碰撞气门盘、气门座和气缸壁产生的角动量相结合,在气缸内形成复杂的旋流运动,而气流运动到气缸出口平面时,小旋涡与主旋流融合,形成了单一方向的旋流,因而气道涡流比随着气缸轴向距离的增大而增大。这些结果表明,采用流动数值模拟可以获得稳流试验中难以得到的内部流动信息,从而为气道设计提供更有力的依据。     

4气门汽油机缸内滚流运动的LDA实验研究

４气门汽油机是车用汽油机主要的发展方向，其缸内空气运动的主要形式划滚流，与传统２气门发动机缸内的涡流运动不同，本用ＬＤＡ在一台单缸４气门汽油机上测量了缸内滚流运动，并借助于多维数值模拟计算了滚流的形成和演变规律，研究了规律的湍流特征。研究指出，滚流形成于压缩过程初期，以后随活塞动得以维持和发展；它在压缩末期衰减，畸变和破碎，使燃烧室内湍流强度显增加。     

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。     

涡轮增压直喷汽油机缸内流场、混合气形成和燃烧数值模拟及试验

建立了发动机3D模型,在发动机进气道上采用了一个滚流控制阀片,以控制发动机气流运动。通过计算流体力学(CFD)软件计算缸内流场随曲轴转角的演变和发展过程,评估了缸内的滚流运动和湍动能。模拟了在当量空燃比条件下缸内混合气的浓度场分布,分析了缸内燃烧过程。研究结果表明:采用滚流控制阀在2 000r/min、0.2MPa和1 750r/min全负荷工况下能够有效提升缸内滚流比,并且在压缩行程末期增强了湍动能,有助于提升燃烧速率,改善燃烧。通过设计特殊形式的活塞顶面,对喷雾进行引导,避免了燃油喷雾直接碰撞在缸壁。燃烧模拟的缸内压力曲线与实际发动机台架测试的结果吻合性较好。     

洛伦兹曲线在柴油机CFD分析中的应用

应用洛伦兹曲线理论对柴油机废气再循环(EGR)分层条件下,气缸内气体组分的空间分布及演变规律进行了数值模拟.以CO2代替EGR,借助单一进气道喷射CO2的方法组织缸内分层.研究表明:氧气在气缸中心顶部较浓,进气CO2与缸内残余CO2在燃烧室周围及底部分布较浓;3种气体组分在气缸局部特征截面上的质量分数差均随活塞上行而减小.通过洛伦兹曲线数据对比发现,O2、进气CO2及残留CO2的全局分布不均匀程度均随活塞上行而降低;在压缩上止点附近,进气CO2全局分布不均匀程度低于缸内残余CO2,这说明与单进气道喷射CO2相比,组织缸内残留废气能够获得更显著的缸内CO2分层.     

汽油机气缸中滚动气流运动对发动机性能的影响

本文通过调整导气屏气阀位置产生大范围变化的缸内气流运动形式，用传统的稳流试验台和作者最近研制的测缸内滚流运动的稳流试验台对各种气流运动形式进行稳流试验，用二维激光多普勒测速仪在反拖的发动机缸内紊流运动的发展变化并用着火发动机的性能实验结果来分析各种气流形式的涡流、滚流和紊流特性。试验结果表明，在气缸中产生较强的横轴涡流即滚动或接近滚动气流运动时，燃烧室内的紊流强度可获得较大的提高，性能也有明显的改     

发动机进气门出口稳态流动特性的试验研究

在稳流气道试验台上,用热片风速仪或涡矩仪只能测量进气道产生的总体涡流,不能提供涡流的详细结构信息.试验中已发现压缩上止点时的涡流结构含有进气门关闭时涡流的某些特征,与进气门出口的速度分布密切相关.目前发动机缸内流动的多维模拟计算大多缺乏进气过程中详细、精确的边界条件,为了使缸内流动计算获得满意结果,本文在气道试验台上用热线风速仪测量了CA1102发动机进气门出口速度和紊流强度分布.     

新型VGF系列贫燃天然气发动机

<正> 一种新型的1800r/min系列发动机已经问世,这类发动机基于一种独特原理的燃烧室,其燃烧室的设计旨在产生极强的涡流。这种活塞可以使发动机在稀可燃混合气状态下获得低NOx排放的同时,能稳定地运转,并且燃料经济性非常好。这种新型燃烧室是在平顶活塞上挖下一个偏心非圆的深碗形组成。在活塞顶面一侧挤气面积约占总面积50％,所形成的高速横向气流进入(随后流出)碗中后,在中心安装的火花塞处产生高速径向气流。这些发动机有6、8、12和16缸等,其单缸额定功率为50kW/1800r/min、涡轮增压、中冷。基础部分设计成坚固的结构,它可以承受涡轮增压柴油机的负荷,其余部分则是为火花塞点火的天然气发动机而设计的。气缸盖有4个气阀,进气道能产生高涡流,并增强了气缸盖的冷却,以适应天然气发动机较高的温度。活塞采用高速喷油冷却,所喷     

不同转速下汽油机缸内湍流特性仿真研究

应用计算流体动力学理论,针对一款双气门单缸四冲程汽油机,对其在3500r·min~(-1)和5500r·min~(-1)两种工况下的进气、压缩及燃烧过程进行了数值仿真研究.研究结果表明:高转速时的滚流存在曲轴角度比低转速时长,但到达压缩后期滚流都已破碎,挤流成为湍流的主要表现形式;从进气中期到压缩冲程结束,低转速工况缸内湍流平均时间尺度大于高转速工况,在进气末期至压缩初期尤为突出;压缩中期缸内平均时间尺度变化较为剧烈;压缩上止点前20℃A左右缸内平均时间尺度达到谷值;点火时刻两种工况缸内长度尺度最大值均不超过0.46mm, 小于火花塞击穿放电后瞬间的火核尺寸,且最大尺度均存在于气缸进气门侧.