直喷式柴油机排放性能仿真研究

以直喷式柴油机燃烧过程现象学描述为基础,利用BOOST软件建立柴油机的准维多区现象学燃烧模型,对增压直喷式柴油机的排放特性进行仿真计算,其计算结果与实验数据取得了良好的一致性.利用三维仿真软件FIRE对其在标定工况下排放物的生成分布进行分析对比.讨论调整喷油始点对控制直喷式柴油机排放性能的影响.仿真结果表明,喷油始点提前越多,NOx生成增加,碳烟则有所减少.     

EGR对柴油机燃烧影响模拟

 废气再循环（EGR）作为控制缸内NOx生成的一项技术已广泛应用在现代直喷柴油发动机上。但EGR对氮氧化合物（NOx）、碳烟（Soot）排放的影响原因尚未被完全理解。为了全面分析EGR的特性,建立了基于GT-POWER的柴油机仿真模型。根据柴油机的基本结构,该模型为带有EGR系统的增压直喷柴油机一维流体动力学循环仿真模型。在分别固定进气压力和空燃比两种情况下,对EGR影响柴油机燃烧的特性进行了研究。结果表明,在恒定进气压力和EGR温度的情况下,随着EGR率的升高,缸内压力升高率减小,最高缸内爆发压力降低,燃烧放热始点推迟,燃烧峰值放热率升高。EGR导致Soot升高燃油经济性降低。在恒定进气空燃比和EGR温度的情况下,随着EGR率的升高,缸内压力的升高使燃烧放热始点提前,废气的惰性气体特性延缓燃烧成为次要因素。EGR的加入使燃烧恶化放热率降低。缸内的燃烧温度降低,减少了NOx的生成。小EGR率可以改善Soot的排放情况。所以在不同的边界条件下引入EGR的作用不同,在EGR控制策略中,利用控制进气空燃比的EGR控制方法并没有完全利用EGR特性,应该形成分别控制空气质量流量和EGR率的气路控制策略。在恒定EGR率的情况下,EGR温度的升高缩短了燃烧滞燃期,燃烧始点提前放热率峰值降低。最终缸内气体温度升高,NOx排放升高,Soot有轻微的改善,表明为了更好控制EGR系统,应对EGR温度进行控制。     

直喷柴油机双壁面射流燃烧系统燃烧特性研究

控制直喷式柴油机高速工况的放热率,能保证柴油机最佳的排放性能和经济性能.通过降低柴油机几何压缩比,推迟着火始点,可降低柴油机的燃烧最高温度和NOx排放;通过采用双壁面射流技术,能实现快速燃烧,不至于使油耗率和烟度恶化.基于上述思想,在柴油机3 000r.min-1转速下进行了试验研究.结果表明:双壁面射流燃烧系统与原机油耗率相差不大,NOx排放得到了大大的降低,但双壁面射流燃烧系统的烟度在大负荷下有所增加.双壁面射流燃烧系统的缸压峰值与原机相比,有大幅度的降低,着火后的压力升高比也低于原机.双壁面射流燃烧系统的着火始点与原机相比,滞后2～3℃A.3 000r.min-1各负荷下,在累计放热率5%～50%阶段,双壁面射流燃烧系统几乎与原机有相同的燃烧速率,都属于快速燃烧;在累计放热率50%～90%阶段,双壁面射流燃烧系统的燃烧速率变慢.     

自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析

在分析活塞运动规律基础上,针对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程,建立了耦合柴油详细化学反应机理的CFD模型,搭建了对置二冲程自由活塞柴油直线发电机实验样机系统,并通过实验测试结果验证了该CFD模型的有效性.仿真分析了初始温度、初始压力、当量比和压缩比等工况变化对HCCI燃烧的影响.仿真结果表明:自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧具有典型的两阶段特征,先进行低温反应放热阶段,后进行高温反应放热阶段;随初始温度、初始压力、当量比和压缩比的增大,燃烧相位提前,燃烧放热率峰值、缸内最高温度和最大压力随之增大.     

米勒循环模式的柴油机性能及NO_x排放的数值研究

为了使非道路柴油机达到第三阶段排放法规的要求,引入米勒循环技术。利用AVL Boost软件建立非道路D6114型柴油机的仿真模型,研究米勒循环对该柴油机的性能和NOx排放的影响。结果表明:进气门关闭正时提前,缸内的气体因膨胀降温过程,使压缩阶段的温度降低,NOx排放最大降低36%,但柴油机功率损失增加、油耗升高;压缩比的提高能改善柴油机的经济性,但同时会导致缸内爆发压力增高,柴油机机械负荷加重;推迟喷油正时可以使燃烧相位后移,缸内爆发压力降低,NOx的排放进一步降低。米勒循环、高压缩比、优化喷油正时等技术的结合,可以实现油耗仅升高2.2%的同时NOx排放降低30%,爆发压力降低2 MPa。该结论可以为非道路柴油机满足第三阶段法规而进行的改进设计提供参考。     

纯甲醇发动机均质压燃燃烧特性模拟

以甲醇为燃料,模拟研究了进气温度、过量空气系数、压缩比、EGR率等参数对均质充量压燃(HCCI)发动机燃烧特性的影响,同时确定了HCCI可行的工作范围.采用单区燃烧模型和详细化学反应动力学机理通过CHEMKIN软件模拟了甲醇发动机的燃烧特性.计算结果表明:随着进气温度和压缩比的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均升高;过量空气系数对燃烧始点影响很小,对燃烧持续期有一定影响;随着EGR率的增加,着火时刻推迟,燃烧持续期增加,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均降低.发动机转速为1 500 r/min,不使用EGR、过量空气系数为5～9时,可以实现HCCI燃烧,随着EGR率的增加,HCCI燃烧区范围变窄.     

缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧性能的影响

为了考察缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧特性的影响规律和机理,采用层流有限速率模型耦合甲醇-硝基甲烷燃烧化学反应机理,对其燃烧过程进行了多维仿真.深入分析了缸径和压缩比对微燃烧特性的影响.仿真结果与实验结果比较一致,缸径对甲醇-硝基甲烷微型内燃机微燃烧特性影响显著.当缸径从9.00mm减小到3.38mm时,在压力上升阶段,缸内压力和温度增大;最高压力值先增大后减小,最终最高压力值下降约6×105 Pa,到达最高压力值所需时间缩短约30℃A;燃气燃烧速率也增大,完全燃烧时刻提前约40℃A.进一步分析揭示了缸径影响燃烧特性的本质机理,缸径对缸内燃烧特性的影响取决于缸内未燃燃气总量、散热损失占燃烧释放总热量比值、燃料完全燃烧时刻这3个因素.在给定参数下,实现完全燃烧临界缸径约为3.38mm.随压缩比提高,缸内压力和温度增大且最高压力值和温度值也增大.     

小缸径直喷式柴油机燃烧与NOx排放物仿真

利用FLUENT对柴油机在标定工况下的燃烧过程与NOx排放进行数值模拟研究.通过实验确定多维计算的边界条件,然后利用FLUENT中的燃烧模型定制边界条件、定义物理模型,完成缸内燃烧模拟.模拟结果与实验结果相吻合,标定工况下,误差不超过6 %.研究结果表明,采用柴油机燃烧多维计算模型模拟缸内燃烧过程与NOx排放是一种有效的研究策略,为柴油机燃烧性能的研究提供一种可靠的手段     

高增压中速柴油机性能预测

采用对柴油机工作过程进行模拟计算的方法,以潍坊柴油机厂6160中逆栗油机高强化改型为算例,对高增压中速柴油机进行了性能预测,并通过对压缩比等参数的调整计算,说明了各参数对高增压中速柴油机综合性能参数的影响程度.结果表明:在增压度较高的中速柴油机上,采用三脉冲增压系统仍能达到较好的效果;在新机型设计中,可在缩短燃烧持续期或提高压缩比的同时,相应增大燃烧始角及燃烧品质指数,可以在限定的最高爆发压力下.降低燃油消耗率.     

涡流对船用柴油机喷雾燃烧及排放影响的数值研究

涡流对船用柴油机的喷雾燃烧及排放过程起着至关重要的作用.基于雷诺平均模拟方法(RANS)结合KHRT液滴破碎模型和CTC/Shell燃烧模型研究了涡流对船用柴油机喷雾燃烧及排放的影响.首先对重油喷雾进行标定,标定后模拟贯穿距与实验数据吻合较好;然后基于验证的喷雾模型,通过对比环境涡流下不同喷射角的喷雾形态、贯穿距、燃油蒸发质量和液滴平均粒径(SMD),研究了涡流对重油喷雾的影响.结果表明,涡流方向与喷雾方向相反或垂直时,涡流作用力可抑制喷雾轴向贯穿距的发展,增加了液滴与环境气体的相互作用进而促进喷雾雾化和蒸发;涡流与喷雾相切时,涡流可以促进喷雾轴向贯穿,但喷雾蒸发较差.进一步对CTC/Shell燃烧模型进行标定,标定后模拟放热率与实验数据吻合良好.最后基于验证的喷雾燃烧模型,研究了涡流比对船用柴油机喷雾燃烧和排放的影响.结果表明:一定范围内随着涡流比增大,喷雾液滴更加分散,喷雾气相蒸发加强,导致缸内燃烧更加剧烈,缸内最高爆发压力和最高温度升高,氮氧化物(NO_x)排放增多.     

基础燃料均质压燃燃烧特性的数值计算

结合详细化学反应动力学机理,利用CHEMKIN软件计算了基础燃料均质压燃燃烧(HCCI)的过程,并与单缸HCCI燃烧试验作出对比。研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、初始温度、初始压力对HCCI发动机燃烧的影响。计算结果表明:随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加;压缩比、当量比、初始温度、初始压力的变化对燃烧着火时刻有显著影响,同时不难看出,基础燃料HCCI燃烧运行工况范围是有限制的。     

二甲基醚发动机工作过程的数值模拟研究

以二甲基醚着火反应机理和热力学燃烧模型为基础,建立了二甲基醚着火数据库及发动机工作过程的数学模型,藉此进行了发动机的循环模拟计算．计算结果与验证实验结果对比表明,Wiebe模型、Watson模型和Whitehouse-Way模型均可应用于二甲基醚发动机工作过程的模拟计算．应用化学反应动力学模型对DME发动机着火过程模拟计算结果所建立的着火数据库表明,滞燃期是缸内温度、压力和燃空当量比的函数,在一定的燃空当量比范围内,着火滞燃期随燃空当量比增大而变小．而采取将着火数据库与Watson燃烧子模型相耦合的模拟计算能够与实验结果相吻合。     

进气门晚关与高压缩比技术在汽油机上的应用

针对混合动力汽车用发动机的特点,通过模拟和试验相结合的方法,研究了进气门晚关与高压缩比对汽油机部分负荷性能的改善作用以及由于发动机参数变化对外特性的影响.研究结果表明:部分负荷应用进气门晚关与高压缩比可在排放变化不大的前提下使发动机油耗降低4%~10%;进气门晚关控制负荷有效降低了泵气损失,配合几何压缩比的提高和点火提前角的优化,实现了较好的燃烧性能,提高了膨胀比;综合作用下使得有效热效率提高;较长进气持续期和较大几何压缩比的应用使得外特性扭矩降低2%~5%的同时,油耗平均5%.     

基于准维多区模型的DME发动机燃烧数值模拟

提出了一种基于准维多区模型的直喷式二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟方法,其中喷雾模拟考虑了燃油分布、液滴蒸发和空气卷吸对喷雾混合的影响。自燃着火过程的模拟以二甲醚着火反应机理为基础,建立了计及温度、压力和燃空当量比因索的着火滞燃期数据库,通过将该数据库与准维多区喷雾混合模型相耦合,对二甲醚发动机的性能和一氧化氮排放进行了预测分析．实验结果表明,模拟计算结果与实测数据符合较好．     

压缩比对均质充量压缩着火发动机性能影响的研究

在一台TY1100单缸发动机上试验研究了8 0、10 7、14 0三种压缩比对均质压燃二甲醚发动机的动力性和经济性等运转特性的影响.研究结果表明:均质充量压缩着火发动机的最佳工作范围与发动机转速混合气过量空气系数和负荷有密切的关系;在发动机试验条件下,三种压缩比均能使发动机稳定工作,但低压缩比时工作区域狭窄,高压缩比时发动机的有效功率和热效率降低,压缩比为10 7时运转范围宽,热效率较高.研究发现,通过提高发动机转速可使发动机工作区向高负荷区扩展.     

二甲醚/甲醇混合燃料HCCI燃烧特性数值模拟

为了研究混合气浓度及燃料掺混对二甲醚/甲醇混合燃料HCCI（homogeneous charge compression ignition）燃烧特性的影响,对不同过量空气系数和二甲醚掺混比下的醇醚混合燃料HCCI燃烧过程进行了模拟计算,分析了缸内温度、压力、压力升高率、放热率和燃料消耗路径随过量空气系数和二甲醚掺混比的变化关系。结果表明,随过量空气系数增大,缸内压力、温度、放热率和压力升高率峰值减小,相位推迟,过量空气系数太大时,CO的进一步氧化反应会受到阻碍,使缸内产生大量的CO残留;随二甲醚掺混比的增大,缸内压力、温度峰值增大,相位提前,压力升高率和放热率峰值减小;二甲醚HCCI燃烧放热率曲线存在3个峰值,第1个峰值出现上止点前曲轴转角30°,为二甲醚低温氧化放热,对应缸内温度为804 K,第2个峰值出现在上止点前曲轴转角15°,对应缸内温度为1 193 K,为甲醛等中间产物氧化生成CO时放热,第3个峰值为CO氧化,生成CO₂时放热,第2和第3个放热率峰值为二甲醚的高温氧化放热阶段,与甲醇掺混燃烧时,二甲醚的低温氧化反应对混合气的燃烧起到了促进作用。     

495QBZL直喷式柴油机配气相位优化

针对495QBZL直喷式柴油机,提出了配气相位的优化方案。运用AVLBOOST软件,建立了柴油机工作过程模型。通过模拟仿真计算,对所得性能曲线进行了比较和分析,得出在额定功率和最大扭矩点转速下不同配气相位对柴油机扭矩、功率、油耗、充气效率及排温的影响规律,从而确定了柴油机的最佳配气相位。将优化结果应用于495QBZL直喷式柴油机进行试验测试,试验结果表明,优化后的配气相位使发动机的性能得到了有效改善。     

大功率车用柴油机燃用航空煤油的燃烧仿真研究

建立了大功率车用柴油机燃用柴油和航空煤油的缸内燃烧模型。该模型利用喷雾试验结果对KH-RT破碎子模型进行了标定,同时耦合了燃油的化学反应动力学机理,具有较高的仿真精度。计算结果表明:相比柴油,柴油机燃用航空煤油喷雾破碎过程中雾化质量提高;燃烧过程中缸内滞燃期缩短,放热率峰值下降,缸内机械负荷及热负荷均得到缓解;柴油机燃用航空煤油在标定工况点相比燃用柴油功率下降5.8%,油耗率相当。     

直喷式柴油机燃用F-T柴油时燃烧特性的研究

根据实测的喷油器针阀升程和示功图，对一台单缸、直喷式柴油机燃用Fischer—Tropsch（F—T）柴油时的燃烧放热规律进行了计算，并系统分析了其燃烧特性．研究结果表明：与0号柴油相比，F—T柴油的喷油延迟角和喷油持续期稍长，滞燃期平均缩短了18．7％，预混燃烧放热峰值平均降低了26．8％，扩散燃烧放热峰值较高，快速燃烧期较短，燃烧持续期相当；燃用F—T柴油时的最高燃烧压力略低，最大压力升高率显著降低，燃烧噪声和机械损失较小，有效燃油消耗率和有效热效率得到了改善．