耦合动力学的微发动机燃烧过程研究

基于丙烷燃烧化学动力学机理并考虑传热、漏气过程对微型自由活塞发动机均质充量压缩燃烧(HC-CI)过程进行数值模拟研究,结合Star-CD/Kinetics软件实现了自由活塞运动与燃烧过程耦合的计算方法,在此基础上,详细研究了不同参数下微型发动机燃烧过程压力、温度的变化规律,探讨了微发动机循环过程中传热损失和混合气泄漏对微尺度燃烧过程的影响,研究结果表明:当量比、压缩比和自由活塞频率显著影响微发动机燃烧过程,传热损失对微HCCI自由活塞发动机燃烧过程的影响不大,而混合气泄漏损失的影响比较明显.     

混合气初始状态对微型燃烧室内HCCI燃烧的影响

基于微型燃烧室内自由活塞单次压缩实现均质充量压燃(homogeneous charge compress ignition,HCCI)燃烧的可视化试验,结合甲烷的详细化学反应动力学机理及动网格技术,建立了三维动网格模型,将自由活塞运动与燃烧过程相耦合,对不同初始状态下微型燃烧室内HCCI燃烧特性进行了数值模拟,得到了不同初始温度、初始压力、当量比及混合气泄漏下的燃烧特性及动力特性的变化规律。研究结果表明:初始温度、初始压力及当量比对微型燃烧室内HCCI燃烧影响较大,随着初始温度的升高,微型燃烧室内HCCI压缩着火范围扩大,但随着初始压力的增大,压缩比降低,压缩着火范围减小,当量比的变化显著影响微型燃烧室内HCCI压缩燃烧的最高温度和最高压力,混合气泄漏主要影响膨胀过程,对动力性能影响非常显著。     

微动力装置均质催化压燃过程的模拟

基于甲烷气相反应化学动力学机理,耦合甲烷在铂(Pt)表面催化反应机理对微型自由活塞式动力装置带有催化燃烧的均质充量压缩燃烧(HCCI)过程进行数值模拟研究,实现了自由活塞运动与燃烧过程耦合的计算方法.在此基础上对微燃烧室底部添加催化剂的模型与未添加催化剂的模型模拟结果进行了对比.根据H2O2质量分数变化曲线定义了微自由活塞动力装置开始着火时段.通过数值模拟发现,催化燃烧可以使着火时刻提前,压缩比减小,滞燃期缩短,燃料燃烧产生能量的使用效率提高,拓宽微自由活塞压缩均质混合气着火界限;而且得到了催化作用对微燃烧室内温度、压力等因素的影响情况.结果表明:催化作用可以降低微燃烧室内最高燃烧压力及最大压力升高率,从而降低微自由活塞动力装置运行粗暴性,使工作过程平稳.     

微型动力装置燃烧过程及做功能力评价

为研究微型动力装置燃烧室内燃烧特性及动力性能,对微燃烧室内燃烧过程进行可视化试验,分析了微燃烧过程中混合气的燃烧特性及不同自由活塞初速度对微燃烧室内压力及做功能力的影响.结果表明:二甲醚/氧气混合气体在微均质充量压缩着火(HCCI)燃烧过程中存在两阶段着火特性,随着自由活塞初速度的增加,微燃烧室内峰值压力增加,压力升高率峰值增大,平均指示压力增大,指示热效率提高.当微燃烧室直径为3,mm、体积为0.26,cm3、自由活塞初速度为22.5,m/s和平均指示压力为3.4,MPa时,微型动力装置可产生70,W的功率,功率密度为269,MW/m3,具有较大功率密度优势.     

液压自由活塞柴油机控制参数影响特性试验

在研制的单活塞式液压自由活塞柴油机上开展了控制参数影响特性、启动特性及运行特性等规律性试验.结果表明:改变压缩压力可以实现压缩比的控制,随着压缩压力的增大压缩比将增大;循环喷油量、喷油正时和排气门正时等参数对自由活塞发动机的膨胀行程、压缩比和下止点位置等具有决定作用;频率控制阀信号脉宽影响发动机的启动过程,脉宽较小时会导致活塞运动速度减慢甚至启动困难.对其特性的研究结果表明:活塞运动规律呈明显的非对称性,膨胀行程用时较压缩行程短;缸内燃烧过程呈近等容燃烧;液压输出能量受单向阀响应性影响会损失掉一部分高压能.     

高压缩比活塞顶形状对湍流动能和缸内气流的影响

基于一台排量1.0L的小型涡轮增压直喷汽油机,研究了压缩比、活塞形状和结构尺寸对缸内气流和湍流动能的影响。结果显示,随着压缩比的提高,缸内滚流在压缩过程中减弱,压缩末期的湍流动能减小,压缩比16.0的活塞在压缩末期的湍流动能大约为压缩比9.6活塞的27%。而对于活塞形状来说,较大尺寸的球面凹坑形状有利于压缩末期湍流动能的保持,而不规则的活塞会使得压缩末期的湍流动能下降41%。凹坑的尺寸存在一个最佳值,凹坑深度过浅或过深都会降低缸内湍流动能。选择压缩比为12.0且湍流动能最高的活塞加工并试验,基于4种不同形状的活塞和最佳油耗的工况分析燃烧特性,结果显示随着工况的改变,缸内湍流动能的峰值和相位会改变,但结构对湍流动能影响的优劣基本不变。火焰扩散方向为缸内湍流动能较大的位置,缸内平均湍流动能越大,火焰传播越快,燃烧特性越好。     

压缩比对均质充量压缩燃烧发动机燃烧特性影响的研究

在一台改装TY1100单缸发动机上试验研究了10．7和14两种压缩比对均质压燃二甲醚发动机的燃烧特性的影响。研究结臬表明：两种压缩比均能使发动机稳定工作,实现近“零”NOx排放和无烟燃烧;压缩比为10．7时,均质压燃的两阶段燃烧特性明显,燃烧始点由缸内压缩温度决定,燃烧始点随负荷无明显变化;压缩比为14时,缸内压缩温度提高,燃烧始点随负荷增大相对曲轴转角提前,燃烧始点与负荷（混合气浓度）密切相关;两种压缩比下燃烧持续期均随负荷增大而缩短。     

微自由活塞动力装置中混合气泄漏对燃烧过程的影响

利用数值模拟计算软件,结合甲烷详细化学反应动力学机理及动网格技术,对微自由活塞动力装置中自由活塞与微燃烧壁面之间不同间隙条件下压缩着火过程进行模拟计算。计算结果表明:相同条件下,随着间隙的增大,单次压缩着火周期增长,工作频率变小,但着火时刻点基本不变;间隙大小相同的条件下,活塞初速度越大,压缩比越大,动力输出性能越差。同时,对临界压缩比随着间隙大小的变化规律进行计算,分析得出在无泄漏条件下临界压缩比值为48,微动力装置压缩比大于临界压缩比时,混合气体才能压缩着火,且随着泄漏间隙的增大,临界压缩比值也随之增大。     

对置活塞二冲程汽油机活塞运动相位差的匹配

通过对对置活塞二冲程缸内直喷汽油机的活塞运动规律、扫气过程及缸内工作过程进行数值模拟,研究了对置活塞运动相位差对扫气过程、混合气的形成和燃烧过程及整机性能的影响。研究结果表明:活塞运动相位差影响活塞相对运动规律的同时,直接影响扫气正时和有效压缩比进而影响扫气过程、缸内工作过程和整机性能及对置活塞非对称做功特性。随着活塞运动相位差的增大,扫气效率增大,火焰发展期和快速燃烧期增大,循环指示功先增大后减小,在相位差为15°曲轴转角时达到最大值。综合相位差对扫气和缸内工作过程的影响,在15kW、6 000r/min、全负荷工况时最佳活塞运动相位差为15°曲轴转角。     

通过快速压缩膨胀装置来研究火花点火液化石油发动机以提高其性能

为了模拟研究桑塔纳JV481Q柴油机改装成汽油／LPG两用燃烧发动机后的燃烧，在快速压缩膨胀装置上采取改变点火时刻，混合气浓度、压缩比以及燃烧室形状等措施研究LPG燃烧特性，然后将研究得出的改进措施应用在该两用燃烧发动机的改装上。台架试验结果表明，采取上述措施后，发动机的输出功率得到了提高，排放性能得到了改善。     

SI燃烧过程优化途径的试验和仿真研究

在快速压缩-膨胀机上通过试验和仿真手段,研究了火花塞数目、活塞运动规律、压缩比对单次循环指示功和爆震倾向的影响。研究表明:使用多火花塞点火能缩短燃烧持续期和提高指示功,但是爆震倾向明显增加;提高活塞运动速度,减少活塞在上止点附近的停留时间,可以减少爆震倾向,但是相同条件下指示功有所降低;综合使用多火花塞点火,提高活塞运行速度和采用高达17.5的压缩比,可以提高指示功并抑制爆震,使SI燃烧过程得到优化。     

二甲醚均质充量压燃发动机排放特性的试验研究

试验研究了压缩比为10．7的二甲醚均质充量压缩点燃燃烧发动机的排放特性。试验结果表明，采用DME HCCI燃烧方式可以有效控制发动机的氮氧化合物排放，使其接近于零，实现无烟燃烧。在一定的负荷范围内，发动机的碳氢和一氧化碳排放与柴油机相当；低负荷时混合气过稀，则碳氢和一氧化碳排放偏高，而高负荷混合气过浓时，又有可能导致敲缸。发动机稳定运转的条件是一定的空燃比必须对应一定的发动机转速和负荷。     

通过快速压缩膨胀装置来研究火花点火液化石油气发动机以提高其性能

为了模拟研究桑塔纳 JV4 81Q汽油机改装成汽油 / L PG两用燃料发动机后的燃烧 ,在快速压缩膨胀装置上采取改变点火时刻、混合气浓度、压缩比以及燃烧室形状等措施研究 L PG燃烧特性 ,然后将研究得出的改进措施应用在该两用燃料发动机的改装上。台架试验结果表明 ,采取上述措施后 ,发动机的输出功率得到了提高 ,排放性能得到了改善。     

自由活塞发动机活塞环密封特性研究

为获得自由活塞发动机活塞环密封特性,基于热力学方程和一维等熵流动方程建立了工作过程活塞环密封数学模型,对比发动机静态密封试验数据对模型进行了修正。运用所建密封模型和已有工作过程计算模型分析了自由活塞发动机和传统发动机活塞环密封特性之间的差异,并研究了相关参数对自由活塞发动机漏气损失的影响规律。研究发现:一个循环时间内,自由活塞发动机活塞环密封工作的时间较传统发动机长,但缸内气体泄漏质量较少;压缩过程中,自由活塞发动机缸内气体泄漏质量较多,但燃烧过程和膨胀过程泄漏的质量较少;选取适当的压缩比、活塞环间距和电磁负载有助于减小漏气损失。     

火花点火式液压自由活塞发动机的模拟试验研究

使用液压快速压缩-膨胀机(RCEM)对火花点火式液压自由活塞发动机(SI-HFPE)的单次工作过程进行了模拟试验研究,研究了在使用甲醇燃料的情况下,液压源压力、点火提前相位、混合气浓度等因素对SI-HFPE活塞运动规律、放热率及指示效率的影响,提出了使用双火花塞同时点火方案。研究结果表明:SI-HFPE的实际压缩比主要受液压源压力和点火提前相位的影响,液压源压力越高或点火提前相位越小,则实际压缩比越大。在10MPa的驱动液压力下,使用双火花塞同时点火,调整合适的点火提前相位,指示效率可以大于45%,此时的实际压缩比达到18。     

射流燃烧技术在车用汽油机上的应用研究

本介绍了射流燃烧室在车用汽油机上的应用研究。汽油机射流燃烧室具有独特的结构，在压缩和燃烧过程中燃烧室内能形成强烈的微涡流，因此它可以有效地抑制发动机的爆震，且在燃用相同辛烷值燃料时能提高发动机的压缩比，并形成快速燃烧和稀混合气燃烧。这种燃烧系统在几种常用汽油机上的应用表明，发动机性能得到了明显的改善，特别是燃料消耗率和排气污染显降低。     

四冲程自由活塞天然气发动机原理样机的试验研究与分析

在单缸四冲程自由活塞汽油机(free piston engine,FPE)原理样机试验基础上,为验证FPE多燃料可行性和仿真模型可靠性,并探索气体燃料在FPE中燃烧特性,设计了天然气供气系统,对FPE进行了多循环对比试验研究。结果表明:缸内峰值压力随压缩比增大而增大;输出功率随膨胀比增大而增大;FPE通过增大压缩比和膨胀比在由汽油改用天然气后动力性不再降低;与天然气在传统发动机中燃烧相比,FPE适当推迟点火定时可减小压缩负功;受初始设计活塞最大行程所限,一代原理样机试验性能未达最优,有较大提升空间。     

利用快速压缩膨胀机研究火花点火LPG发动机的燃烧过程

利用快速压缩膨胀机对火花点火LPG发动机的燃烧过程进行了模拟与测量，分析了混合气浓度，点火提前角，压缩比以及燃烧室形状等对LPG燃烧过程的影响，可供汽油机改装成汽油／LPG双燃料发动机的参考。     

燃烧室偏心距对大功率气体机缸内混合气影响规律研究

本文采用3维流体动力学分析软件FIRE对大功率气体机缸内混合气形成过程进行分析。设计了3种不同偏心距的浅盆形活塞,并通过数值解析对比了不同偏心距活塞对缸内混合气形成的影响规律。研究结果表明,相对于其它方案,第三种的活塞缸内湍动能最大,缸内整体混合气形成质量最好,接近压缩上止点时,火花塞附近混合气更为均匀,有利于点火燃烧。通过对不同方案缸内流场分析发现,方案4缸内滚流作用明显,有利的提升了缸内混合气的形成质量。     

用于高速汽油机的一种新型燃烧室(Ⅰ)

开发了一种新型燃烧室,解决小型高速汽油机燃烧时间短、燃烧过程不充分的难题.它利用在活塞顶面的火花塞的远端和近端处设计的与缸盖形状相吻合的特殊突起,可在发动机压缩和膨胀过程中产生强烈的挤气旋流.将它应用在高速汽油机中,可提高混合气的燃烧速率和火焰传播速率,从而全面改善内燃机的性能.实验研究表明,在空燃比和压缩比优化条件下使用该燃烧室,与原机相比发动机的输出功率和转矩分别提高了3.8% 和 1%,燃油消耗率节省19.3%,HC排放降低50%以上.