天然气/柴油双燃料转子发动机燃烧过程的数值模拟

针对天然气/柴油双燃料转子发动机的缸内工作过程,基于FLUENT软件建立了耦合正庚烷简化机理的二维计算模型,并利用文献数据进行了验证。在此基础上,研究了纯柴油工况下喷射持续期对燃烧过程的影响,获得了较好的喷射持续期;并在该持续期下对天然气替代率对转子发动机燃烧过程的影响进行了研究。研究结果表明:保持当量比不变,喷射持续期的变化会对燃油浓度分布产生影响,从而影响燃烧过程;采用45℃A喷油持续期可以在保持较高缸内压力的同时减少污染物的生成。天然气替代率的提高会导致初期燃烧速度的减缓和后期燃烧速度的增大;随着天然气替代率的增大,燃烧初期同一偏心轴转角下的缸内压力和温度逐渐降低,燃烧后期则呈相反的趋势。采用50%天然气替代率可以在保持较高缸内压力的同时大大降低CO和Soot生成量,而NO生成量略有升高。     

喷射策略对柴油转子发动机缸内燃烧过程的影响

针对直喷式柴油转子发动机缸内工作过程,基于FLUENT软件建立了耦合正庚烷简化机理的二维计算模型,并利用文献数据验证了模型的可靠性。设定喷射持续期不变,对比分析了单次或二次喷油时喷射时刻对燃烧过程的影响。研究结果表明:单次喷射时,缸内压力和缸内温度随喷射时刻的推迟而逐渐提高;喷油提前角为40°CA时CO生成量较高而NO生成量最低。二次喷射时,设置预喷时刻为-40°CA,随着主喷时刻的推迟缸内压力变化不大,CO生成量逐渐降低;当预喷时刻为-40°CA,主喷时刻-8°CA时,与单次喷射时刻为-40°CA相比,保持了较高的缸内压力,CO生成量降低了25%以上,NO生成量有所升高。     

径向密封泄漏作用下喷射策略对柴油转子发动机燃烧过程的影响

为进一步提升柴油转子发动机的性能,对柴油转子发动机缸内燃烧过程进行了研究。此外,考虑到转子发动机在实际工作过程中难以避免的径向泄漏,建立了一种考虑径向密封泄漏的周边进气转子发动机三维动态计算模型,并对模型进行了验证。结合该计算模型,研究了柴油喷射时刻和喷射持续期对燃料分布及燃烧过程的影响。结果表明：当喷射时刻为上止点前80°曲轴转角且喷射持续期为50°曲轴转角时可获得较好的燃烧和排放特性。与原方案相比,缸内峰值压力提升了11.38%,碳烟和CO生成量分别降低了78.71%和92.72%,NO_x和CO₂生成量有所增加。     

柴油/天然气双燃料发动机柴油燃烧策略的研究

基于自主研发的第三代并行式柴油/天然气双燃料发动机电控系统,利用FIRE软件建立柴油/天然气双燃料发动机柴油喷射系统的多次喷射模型。同时,通过进气压力控制过量空气系数,实现柴油/天然气双燃料发动机稀薄燃烧方式。针对高负荷工况,研究了多次喷射策略和稀薄燃烧方式对双燃料发动机最大压力升高率及NOx排放的影响。结果表明:发动机工作在高负荷及柴油替代率为80%时,采用双燃料稀薄燃烧方式能使NOx排放降低,但最大压力升高率仍可能超过安全临界值1MPa/(°)。采用合适的预喷射量与预喷射时刻能降低最大压力升高率。通过多次喷射和稀薄燃烧方式相结合的燃烧策略对缸内燃烧方式进行组织,可以实现双燃料发动机高替代率燃烧,并使高负荷时NOx排放达到或者低于国Ⅴ标准限值。     

多次喷射策略对正戊醇-柴油混合燃料燃烧及有害排放影响的模拟研究

为了揭示含氧燃料与喷油策略耦合对发动机燃烧、性能和排放特性影响的机制,基于三维仿真软件CONVERGE,耦合化学反应动力学机理,研究了正戊醇—柴油混合燃料在不同喷射策略下燃烧与有害排放物的生成过程。结果表明,正戊醇促进了燃烧过程,燃用正戊醇—柴油混合燃料时,缸内最高燃烧压力和燃烧放热峰值增大,发动机平均指示压力（indicated mean effective pressure,IMEP）升高,CO、总碳氢化合物（total hydrocarbons,THC）和碳烟排放降低,但NOx排放升高。采用大比例预喷射策略可以促进主喷燃烧过程,提高缸内温度,增大IMEP,但导致CO及THC排放升高,而小预喷间隔会导致碳烟排放增加。后喷射策略导致发动机IMEP降低,但可以降低NOx排放。在小后喷间隔下碳烟排放显著降低,但在大后喷间隔下碳烟排放明显升高。研究表明,正戊醇柴油混合燃料采用大预喷间隔及小后喷间隔的3次喷油策略,能够获得最高的IMEP及最低的有害物排放。     

预喷射对增压柴油机高负荷燃烧和排放的影响

应用CFD模拟软件FIRE针对车用增压柴油机在高负荷工况下采用预喷射策略的缸内工作过程进行了数值计算,并分析了预喷射量和预/主间隔角对燃烧过程和排放的影响.研究结果表明,随预/主间隔角和预喷射量的增加燃烧始点提前,主喷燃油的燃烧速率加快,燃烧重心和终点提前,致使缸压峰值、放热率峰值和温度峰值均有所升高和前移;同时,对于NOx和碳烟,预喷射量和预/主喷射间隔角存在两个界限,在两个界限之内能获得较好的NOx和碳烟的折中关系,并且这两个界限与预喷射量和预/主喷射间隔角存在着一定的关系,当预喷射量和间隔角较小时碳烟生成量较高,而预喷射量和间隔角过大时NOx生成量急剧增加.     

柴油/汽油反应活性控制压燃发动机喷油协调控制与排放特性研究

对某4缸高压共轨柴油机进气道进行改造,搭建了柴油/汽油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,设计了柴油/汽油双燃料RCCI燃烧汽油喷射控制策略,实现了全工况下汽油与柴油的协调喷射控制,系统地研究了不同运行工况下,不同汽油替代率对柴油机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:采用柴油/汽油双燃料RCCI燃烧控制策略,发动机可在其运行工况范围内实现高效清洁燃烧,随着汽油替代率的增加,发动机缸内最高压力逐渐增大,缸压峰值出现时刻推迟,放热率峰值降低,燃烧持续期延长,燃油消耗率降低,有效热效率升高,全碳氢、CO排放增加,NO_x和碳烟排放降低。     

船用直喷式天然气发动机喷射策略的优化

利用CONVERGE软件基于L23/30DF型船用天然气发动机建立了双天然气喷嘴、双引燃柴油喷嘴的直喷天然气发动机的缸内燃烧过程的CFD计算模型,计算了不同的柴油和天然气喷射时刻和间隔下发动机缸内燃烧和排放过程.结果 表明:引燃柴油的喷射时刻及其与天然气喷射时刻的间隔,对直喷式天然气发动机燃烧和排放性能有重要影响.当喷...     

燃气预喷对高压直喷天然气船机的影响研究

针对高压直喷(HPDI)天然气双燃料低速船机的燃料喷射系统,研究了不同的天然气预喷策略对发动机燃烧特性及性能的影响,探究了适用于低速船机燃烧系统的天然气喷气规律。利用计算流体力学(CFD)软件Converge建立了HPDI天然气双燃料的单缸机仿真模型,与试验数据进行标定后,计算得到了不同预喷间隔及预喷比例下发动机燃烧性能和排放数据。分析计算结果表明,预喷策略的采用影响了燃烧过程中预混燃烧的比例,从而影响了燃烧放热相位及燃烧等容度。预喷比例相比预喷间隔对燃烧过程的影响更显著,后者在较大预喷比例下才会明显影响缸内燃烧放热过程。合理优化预喷策略可控制预混燃烧程度,从而同时改善NOx排放和油耗。不同的预喷策略使得缸内碳烟分布区域不同;与无预喷算例相比,采用预喷策略的算例最终碳烟排放量偏高。     

预喷策略对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

通过一台6缸直喷、高压共轨柴油机改装成的柴油引燃天然气发动机.试验研究预喷正时和预喷油量对燃烧参数和性能参数的影响,结果表明:相对单次喷射,较晚的预喷正时(30°CA BTDC)能提高发动机有效热效率(BTE),降低HC、CO排放,但NOx排放恶化,而较早的预喷正时(60°CA BTDC)能够在提高发动机BTE的同时,降低HC、CO排放,并且NOx排放基本保持不变;当预喷正时为60°CA BTDC,预喷油量适当增多(3~5 mg/cyc)能进一步提高发动机BTE,降低HC、CO和NOx排放;预喷油量进一步增加(6~7 mg/cyc),NOx排放恶化,并且由于着火相位波动导致燃烧稳定性变差.改善双燃料发动机燃烧和排放特性一方面要增加预喷柴油在可燃混合气中的分布,增大柴油与可燃混合气混合的时间,改善混合气的活性,进而提高燃烧速率;另一方面要强化主喷柴油喷射对着火相位的控制,防止着火相位不一致而恶化燃烧稳定性.     

后喷射策略下生物柴油对发动机燃烧和排放影响的数值模拟

以正庚烷-癸酸甲酯(MD)-癸烯酸甲酯(MD9D)简化机理为基础,构建了生物柴油(大豆生物柴油SME)-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理。在单次喷射和主-后喷射两种喷油方式下,将大豆生物柴油、纯柴油以30∶70和70∶30体积比掺混,将该化学反应机理与CFD计算软件耦合,研究后喷策略下生物柴油-柴油混合燃料的低温燃烧特性和排放特性。数值计算结果表明:随着SME掺混比例增加,缸内燃烧温度峰值逐渐降低,缸内燃烧放热主要受OH自由基与燃料的脱氢反应速率影响,反应速率随温度升高而增大;NO_x排放随掺混比例增加而逐渐降低,NO_x排放主要受温度影响;单次喷射下,掺混比例越高,碳烟排放量越低;后喷射下,碳烟生成量受C_2H_2影响,随掺混比例增加而逐渐降低,OH在碳烟氧化过程中起主要作用,碳烟最终排放量受掺混比例影响不大。     

预喷射和掺混乙醇对柴油机性能及排放的影响

本文利用GT-Power软件建立了单缸柴油机的仿真模型,模拟研究了预主喷间隔、预喷油量和乙醇掺混比例对发动机性能和排放的影响。计算结果表明,预喷射能明显改善发动机的燃烧特性和排放性能,但扭矩和燃油消耗率变化不明显;预主喷间隔对发动机性能和排放的影响较小,预喷油量的增加会提高缸内压力和放热率峰值,造成NOx和碳烟排放增加;掺烧乙醇可以显著减少NOx和碳烟排放,提高缸内压力和放热率峰值,不过发动机的扭矩减小,油耗率增加;随着乙醇掺混比例增加,这些趋势进一步加强。柴油机采用预喷射和掺混乙醇相结合的策略,可以改善发动机的排放性能和燃烧特性,而且不会恶化动力性和经济性,是一种有效的技术方法。     

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.     

柴油/天然气双燃料发动机数值优化

利用CONVERGE搭建了柴油/天然气双燃料发动机三维数值模拟平台,在大负荷工况下研究了压缩比和不同喷油策略对发动机燃烧性能的影响．研究结果表明,相同条件下,降低压缩比到14.8能够有效降低最大压升率,从而有助于进一步增大天然气的替代比例．采用单次喷射策略时,通过提高喷射压力并提前柴油直喷时刻,在最大压升率限值内,能在85%天然气替代比例的同时获得48.1%的热效率．采用两次喷射策略时,随着预喷油量的增加,缸内着火时刻提前．并且预喷时刻提前能够有效降低最大压升率．对比发现,与单次喷射策略相比,两次喷射策略能够实现更为灵活的缸内燃烧控制,获得90%的天然气替代比例．最终,两次喷油策略实现了48.4%的最高热效率．     

双燃料直喷发动机喷孔几何位置对燃烧排放的影响

基于柴油引燃天然气缸内直喷发动机,采用AVL-Fire软件研究了天然气和柴油喷孔相对交角、相对距离和相对夹角这3个重要几何参数对燃烧排放的影响.结果表明:两喷孔相对交角影响NOx和碳烟(soot)排放,NO最小生成量比最大生成量少36%,,通过改变相对交角可以同时降低NO和soot排放,但对缸内平均压力的影响较小;两喷孔相对距离会影响污染物生成,并且相对距离越小,温度场分布越均匀,发动机缸内平均压力越高;两喷孔相对夹角减小时,发动机缸内平均压力升高,NO_x排放增加.研究结果对双燃料直喷发动机的两喷孔相对位置的优化有一定的指导作用.     

汽油/柴油双燃料不同HPCC燃烧模式的数值模拟

针对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)模式,在总喷油量、主放热时刻(CA50)基本相当的条件下,对柴油早喷(E-HPCC)与柴油晚喷(L-HPCC)情况下的燃烧特性和排放特性进行了数值模拟研究.结果表明,HPCC着火和燃烧过程主要受缸内活性自由基控制,较晚喷射会导致缸内局部正庚烷浓度高、活性较大,造成高温放热提前;较早喷射正庚烷会抑制低温放热,从而增加着火时刻缸内活性自由基的数量,是放热率较高、最大压升率较大的主要原因.L-HPCC模式下,高温放热时刻缸内局部正庚烷浓度较大造成了缸内局部温度较高,促进了NOx生成,相对E-HPCC模式NOx排放较高;虽然L-HPCC局部浓度较高会促进碳烟的生成,但同时较高的燃烧温度加强了碳烟的氧化,因此L-HPCC模式的碳烟排放低于E-HPCC模式.     

正庚烷/生物柴油双燃料的部分均质压燃燃烧

研究了气口喷射正庚烷、缸内直喷生物柴油的部分均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的燃烧特性和排放特性.研究表明,整个燃烧过程旱现三阶段放热模式.随着正庚烷预混合比例的增加,第一阶段和第二阶段最大放热率呈线性增加,从而导致生物柴油着火时的温度和压力明显上升.预混合正庚烷的引入使得放热中心时刻和放热结束时刻明显提前,燃烧持续时间缩短.至于排放方面,预混合比例的增加会引起CO和HC排放的增加,并且增加幅度逐渐减小;在中小当量比下,预混合比例增加会使得NOx排放线性降低,但是对碳烟排放却几乎没有影响;在较大当量比下,预混合比例增加可以使得NOx和碳烟排放同时大幅度下降,并且在20%～25%之间可以得到最佳的NOx和碳烟降低效果.     

不同进气氛围耦合废气再循环对双燃料发动机工作过程的影响

基于正庚烷、甲烷、乙烷、丙烷多组分混合物简化动力学机理耦合三维计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模型,模拟研究高替代率时不同进气氛围（H₂、O₂组分）耦合废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）对天然气/柴油双燃料发动机低负荷工作过程的影响机理。研究表明：在不同EGR率下,进气掺氢会使缸内燃烧速率显著加快,OH活性基浓度明显升高,CH₄排放显著降低,但CO排放升高;进气掺氧后,缸压及瞬时放热率峰值、最大压力升高率、最高燃烧温度及OH活性基浓度均升高,碳烟、CO和CH₄后期氧化作用增强使其最终排放降低,但NO_x排放升高。在EGR率小于29%,掺氢比小于2.5%时,在实现较低CO、碳烟排放的同时能显著降低CH₄排放和NO₂/NO_x比例;高EGR率时,进气掺氧能降低CO、碳烟排放,并改善CH₄与NO_x     

汽油和乙醇预混对柴油机燃烧与排放影响的试验

基于一台单缸柴油机,分别采用进气道喷射汽油和乙醇的预混方式,通过调节不同负荷下喷射汽油/柴油和乙醇/柴油燃料比例,以研究其对发动机燃烧与排放的影响.结果表明,低负荷下采用汽油或者乙醇预混,缸内最高燃烧压力降低,实现较为缓和的燃烧放热,均可以同时降低碳烟(Soot)和NOx,但HC和CO排放增加.较高负荷下随着预混比例增大,放热更加剧烈,缸内最大爆压升高.滞燃期随燃油预混比例增大而增大,但增大幅度随负荷增大而逐渐减小.与汽油预混方式相比,采用乙醇预混的方式滞燃期增大更加明显,且燃烧温度较低,在较高负荷下仍能实现较为缓和的燃烧放热,表明采用乙醇预混的方式有利于向高负荷拓展.     

汽油/柴油双燃料发动机的低速高负荷扩展

在一台改造的单缸发动机上开展了进气道喷射汽油、缸内直喷柴油的双燃料燃烧模式的低速高负荷扩展研究.结果表明:汽油/柴油双燃料发动机高负荷工况需配合高比例废气再循环(EGR),当采用原机相同工况的进气压力时,由于进气量不足抑制了高EGR率的应用,导致高NO_x排放.通过提高进气压力,稳定燃烧对应的柴油喷油时刻范围变宽,汽油比例上限提高,降低了燃烧控制的难度.但由于汽油/柴油双燃料发动机的汽油高度预混合特性及直喷柴油引起的局部不均匀性,导致缸内最大压力升高率(MPRR)及碳烟排放偏高,限制了其向更高负荷的扩展.在提高进气压力的同时,通过提高汽油比例及EGR率,实现了在限定条件下向更高负荷的扩展及燃油消耗率的降低.相比于原柴油机,汽油/柴油双燃料发动机高负荷扩展的受限因素由进气增压前的高NO_x排放转变为增压后的高压力升高率.