柴油-天然气RCCI发动机燃烧过程数值模拟

在Z6170双燃料发动机的基础上,采用CONVERGE软件建立柴油-天然气反应活性控制压燃(RCCI)发动机数值计算模型,分析第一次喷油始点、第二次喷油始点及低活性燃料比例对RCCI发动机燃烧过程的影响规律;将过氧化氢烷(QOOH)与羟基(OH)分别作为缸内低温着火标志物与高温着火标志物,分析缸内可燃混合物着火-燃烧过程.结果表明,随着喷油始点滞后,正庚烷浓度梯度提升,高温着火始点随之提前.仅当第二次喷油始点由705°CA上止点后(ATDC)滞后至710°CA ATDC,喷射的燃油在缸内被直接压燃,着火时刻推迟,高温着火始点滞后1.10°CA.随着低活性燃料比例的提升,低温着火时刻与高温着火时刻均显著推迟.此时,随着喷射燃油量减少,缸内预混当量提升幅度较弱,导致缸内燃烧速率减小,放热率峰值降低.     

正庚烷均质压燃燃烧特性和排放特性的实验研究

为进一步了解高十六烷值燃料均质压燃的燃烧特性和排放特性，以正庚烷（n-heptane）为燃料，在一台改装的单缸直喷柴油机上进行正庚烷均质压燃台架实验．结果表明，正庚烷在均质压燃模式下表现出明显的双阶段着火特性；随着混合气浓度增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值升高；随着发动机转速升高，燃烧放热率峰值先降低后升高，高转速的缸内最大爆发压力降低；当废气再循环率增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值均降低，废气再循环使正庚烷均质压燃的运转工况范围向大负荷工况扩展，废气再循环率为75％正庚烷均质压燃运转的最高平均指示压力为0．41MPa．排放测试表明，正庚烷在均质压燃模式下的氮氧化物排放接近零，且可以实现无碳烟排放，但碳氢化合物和一氧化碳排放较高．     

小型农用柴油机甲醇/生物柴油燃烧与排放模拟

针对甲醇/生物柴油在小型农用柴油机上的应用,采用3维CFD软件建立了186FA柴油机的缸内燃烧、排放仿真模型,通过对比排放污染物的试验值和计算值,验证了模型的正确性.对3 000 r·min-1,5.7 k W时,柴油机直接燃用生物柴油和生物柴油掺混15%甲醇形成的混合燃料的缸内燃烧和排放污染物进行了数值模拟.结果表明:与生物柴油相比,生物柴油掺混15%的甲醇,柴油机的滞燃期延长,放热始点对应的相位后移,缸内最大爆发压力降低不多,最大压力升高率和最大放热率略有升高;最高燃烧温度基本不变,温度场内的高温区域有所缩小;曲轴转角为370.0°~400.0°时,O2低浓度区域比燃用生物柴油时有所扩大,NOx和soot的平均体积分数同时降低.     

生物柴油燃烧过程NO_x生成机理的分析

为了研究生物柴油燃烧过程NOx形成机理,进行了柴油机燃用生物柴油和石化柴油的对比试验,并基于实测的缸内压力示功图计算了燃烧放热规律.以实际的瞬时放热率并结合燃料燃烧的化学平衡分析,建立了基于Zeldovich机理的NO生成模型.从放热时刻、燃烧温度、含氧量等燃烧特征参数分析了对NO形成的影响,对柴油机燃用生物柴油产生较多NOx排放作出了解释.结果表明:尽管柴油机燃用生物柴油的缸内平均温度有所降低,但由于柴油机燃用生物柴油的着火时刻较早,较早地达到了NO生成的触发温度,此外生物柴油属于含氧燃料,燃烧区域的氧浓度高,这两者的贡献使得生物柴油发动机产生的NOx排放比柴油发动机多.     

短链醇酯与柴油混合燃料燃烧过程分析

为了解短链醇酯混合燃料的燃烧特性,在柴油机上燃用不同比例乙醇-碳酸二甲酯(DMC)-柴油多元混合含氧燃料,并运用Chemkin软件模拟缸内燃烧氧化动力学性质,探究含氧官能团对燃烧过程影响的机理.结果表明:由于短链醇酯燃料具有较高的汽化焓及较低的十六烷值,延缓了混合燃料的着火过程,故随混合燃料中乙醇和DMC掺混比例的增加,缸压曲线不断后移,压力峰值逐步降低;但由于着火延迟期内形成的可燃混合气量增多,使放热率峰值逐步上升.反应动力学结果显示:低温区活性自由基·OH主要由正庚烷(柴油替代物)脱氢生成,乙醇和DMC的加入能争夺低温反应区内的·OH,使反应活性较强的·OH转化为活泼性稍差的H_2O_2,抑制了整个燃烧过程,使着火延迟期变长;在高温阶段,乙醇分子中C—C和C—O键的断裂优于C—H和O—H键,而DMC主要发生C—O的裂解,C=O键因键能更高未断裂.     

特种车辆煤油代用燃料喷雾与燃烧特性研究

利用定容喷雾弹和单缸机柴油机对煤油燃料的喷雾特性和燃烧特性开展对比试验研究,分析燃用煤油燃料对发动机动力性及经济性的影响.结果表明:与柴油相比,煤油燃料喷雾锥角增大、贯穿距减小.在标定不变的前提下,柴油机燃用航空煤油缸内放热率曲线与燃用柴油相比变化不大,最大压升率及排温略有降低.燃用灯用煤油相比柴油放热始点推迟,在标定工况预混合放热缓慢,在最大扭矩工况下预混合放热剧烈,最大压升率相比燃用柴油增加0.04 MPa·℃A-1,发动机排温降低.柴油机燃用煤油燃料的功率降幅在6.7%以内,油耗率有所降低.     

加氢催化生物柴油引燃汽油可视化

为了改善内燃机燃烧与排放,探究双燃料反应活性控制压燃燃烧规律,分析缸内直喷喷油策略对发动机燃烧特性的影响,采用光学发动机,针对进气道喷射汽油、缸内直喷加氢催化生物柴油的双燃料燃烧模式,通过调节加氢催化生物柴油的喷油时刻和喷油比例,对发动机燃烧过程进行试验分析。结果表明：随着缸内直喷加氢催化生物柴油比例的增加,循环燃烧压力峰值和放热率峰值增大,燃烧相位提前,放热滞燃期与化学发光滞燃期均缩短;当喷油时刻靠近上止点时,缸内燃烧压力与放热率呈现先增后减的趋势,在喷油时刻为上止点前20°时缸内燃烧效果最好。     

气道喷射正庚烷缸内直喷异辛烷的分层充量压缩燃烧与排放特性

在一台单缸发动机上,通过进气道预喷正庚烷和上止点前缸内直喷异辛烷,对双燃料分层充量压缩燃烧(Stratified Charge Compression Ignition,SCCI)进行了试验研究.通过进气道预喷的正庚烷在进气行程形成均匀混合气并在上止点前发生两阶段反应,触发缸内直喷的异辛烷着火与燃烧,整个燃烧过程为分阶段燃烧,分析了不同负荷及预混合率时的燃烧与排放特性.结果表明:最大压力升高率为0.87 MPa/(°)时,最大平均指示压力(I MEP)可达到0.73 MPa,说明SCCI可以扩展运行负荷.预喷燃油量最大时的工况点,其NOx排放值较高;预喷正庚烷燃空当量比一定时,增加负荷,可以减小CO和THC的排放.     

甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火燃烧

在单缸发动机上进行了甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的试验研究,采用详细化学反应机理分析了它们的反应过程和中间产物历程.研究表明,甲醇和正庚烷浓度的变化主要通过影响第一阶段放热量和放热时刻,进而影响高温着火时刻.正庚烷当量比不变时,随着甲醇浓度增加,低温反应放热量减小,燃烧始点推迟;当总燃料当量比不变,增加正庚烷比例时,低温反应时刻提前,峰值放热率增加;正庚烷当量比和总燃料当量比之比在0.8左右时,高温着火时刻发生在上止点附近,此时气缸压力和峰值放热率最大.对排放影响因素分析表明,CO排放更多取决于燃烧温度,而HC主要取决于甲醇比例.数值模拟发现,OH摩尔分数在10-6数量级才触发冷焰反应,甲醇浓度的变化引起低温阶段nC7ket和OH最大浓度及时刻的改变,从而影响低温和高温反应.     

有机酸脂对高原柴油机燃烧特性的影响

针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题,分析了硝酸异辛脂(EHN)的分解途径,通过化学反应动力学分析揭示了EHN添加剂改善柴油机燃烧的机理.利用单缸机台架试验方法研究了进气压力为68kPa、转速为1 400r/min满负荷工况下EHN对柴油机燃烧特性的影响.结果表明:添加EHN能够促进正庚烷反应中自由基OH,H,HO_2和H_2O_2的生成,加速正庚烷的分解,使柴油机着火滞燃期缩短;在低气压进气条件下,随着EHN质量分数的增加,柴油机缸内压力峰值略有下降、放热率曲线前移,柴油机的最大扭矩增加、有效比油耗降低,动力性及经济性均得到改善.     

二甲基醚发动机HCCI燃烧与排放的计算

构建了可应用于均质充量压燃（HCCI）发动机的二甲基醚（DME）详细化学反应动力学M燃烧模型,该模型包含97种物种和457个基元反应．拓展M模型的应用范围,分析了DME发动机HCCI条件下关键基元反应和重要物种随曲轴转角的变化关系,获得了DME氧化反应的主要历程．研究了NOx的生成机理,结果表明NOx排放中NO生成量达到最大值后出现“冻结”现象,NO2与N2O最终排放浓度极少且受缸内温度影响不大．随着缸内温度的增加,NOx排放中NO所占比例逐渐增加．基于化学反应速率及敏感度分析,得到了DME发动机HCCI燃烧的NO排放主要受扩大Zeldovich机理和N2O途径控制．     

甲醇重整气发动机HCCI燃烧的数值模拟

对甲醇重整气发动机的HCCI燃烧过程进行模拟计算,找出其化学反应路径,探讨利用增压实现甲醇重整气HCCI燃烧的可行性.采用单区模型和详细化学反应动力学机理模拟燃烧,比较计算结果与试验结果,验证模型正确性;分析主要中间产物生成率的变化,确定关键反应,得出主要反应路径;计算增压对放热率、缸压、指示功率的影响.研究表明,甲醇重整气的HCCI燃烧呈单阶段放热,计算的着火时刻、缸内压力和NOx排放与试验值吻合;OH、H、O、HO2和H2O2是关键中间产物,它们的生成和消耗构成循环,是燃烧的主要路径;对进气适当增压可保证压燃进而省掉进气加热器并能提高指示功率,增压比过低、过高或进气中冷均不可取.     

初始条件及喷雾对柴油机缸内流动影响研究

将柴油机缸内气体与整个燃烧室部件(气缸盖-气缸套-活塞组)作为一个耦合体,在对耦合体进行传热数值模拟的基础上得到缸内流动计算的壁面边界条件.利用大型通用CFD软件STAR-CD及ES-ICE对6110柴油机缸内三维非稳态流动进行数值模拟研究,着重分析不同初始条件及燃油喷射对缸内流动的影响.研究结果表明初始条件在柴油机进气过程缸内流场多维计算中主要影响流场的流动状态,特别是涡团形状和中心位置;喷雾过程中燃油的喷射流动直接影响到缸内的流场分布.     

柴油机纯氧燃烧过程及缸内喷水影响的模拟研究

针对高压共轨柴油机搭建流体动力学仿真模型,研究不同进气氧体积分数对柴油机纯氧燃烧过程的影响,并验证缸内喷水对热效率的优化能力。结果表明,氧含量的提高增加了缸内比热比,使压缩行程缸内压力及温度提高,并促进缸内燃烧反应,进一步提升缸内湍流强度,燃烧相位提前;在5℃A ATDC(上止点后)向缸内喷入160℃的高温高压水,可实现对缸内燃烧过程的控制,并通过吸收燃烧放热、汽化膨胀,推动活塞做功,可提高热效率约3.75%。     

柴油机缸内炭烟辐射传热的理论模型

基于瑞利散射理论,建立了一个简便分析柴油机缸内炭烟辐射传热的理论模型.该理论模型显示,缸内炭烟的辐射传热正比于缸内炭烟质量与其温度的5次方之乘积.通过对一台直喷式柴油机的多维仿真,验证了该模型作为一个全局模型的情况.结果显示,采用完全相同的输入数据时,该模型获得了与经典参考模型相吻合的结果,且模型的稳健性很好.模型中不含可调常数或直接与工况相关联的参数,比经典模型更直观、简洁,更适于柴油机缸内炭烟辐射传热的工程应用分析.     

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。     

内燃机工作过程多维模型计算机仿真平台设计与实现

设计了内燃机工作过程仿真集成化PC平台.以缸内流体动力学为基础,耦合反映缸内工作过程的喷射、燃烧和碳烟生成等子模型构建了平台的多维模型;通过设置Compaq Visual Fortran软件的双精度运行环境,在PC微机上成功编译了KIVA-3V源代码;然后通过设计可视化模块,实现了平台计算与可视的集成化功能.试验分析表明:仿真平台能模拟内燃机缸内工作过程,准确反映客观物理因素对工作过程的影响,仿真误差小于5%,可以在内燃机行业推广.     

螺旋进气道设计参数对涡流比影响的数值分析

采用计算流体力学软件Converge对一款车用柴油机进行了气道和缸内流动的数值计算,主要研究柴油机螺旋进气道结构设计参数对缸内涡流比的影响.通过修改螺旋进气道的3个主要结构设计参数,研究了其对缸内涡流比的影响规律.结果表明:当单独改变螺旋室高度、涡壳切割量以及螺旋进气道转角3个结构设计参数,使其取值分别为13mm,1.27mm以及0°时,缸内涡流比获得最大值;同时修改多个结构设计参数时,其对涡流比的影响存在相互制约的作用;通过Converge软件实现了螺旋进气道多结构参数的数值研究,对实际气道的设计具有重要的指导意义.     

内燃机缸内流体动力学(CFD)仿真系统的开发与应用

设计了一个内燃机缸内流体动力学仿真软件平台．依据流体动力学基本理论,结合内燃机缸内工程模型,利用FORTRAN语言双精度算法设计源程序;同时设计专门的可视化模块将计算结果导入AOTUCAD通用软件中自动显示,开发出了集网格划分、CFD计算和可视化于一体的内燃机缸内流体动力学仿真系统．系统测试表明：仿真平台能准确反映客观因素对缸内状态的影响规律。能为下一阶段的燃烧过程仿真提供数据支持,能预测内燃机排放,可以在内燃机行业推广应用．     

自由活塞式柴油机缸内流动过程研究

基于活塞运动规律对缸内流动过程的意义,采用等效转速变换法分析压燃式自由活塞内燃发电动力系统活塞运动特点,通过理论计算及三维数值仿真研究了活塞运动对缸内流动影响。CFD仿真的结果与理论计算结果基本一致。研究表明:与传统机型相比,自由活塞机型在上下止点附近的等效转速较高,中途位置相对较低。这导致其挤流与逆挤流峰值偏高,持续时间较短,二者平均湍动能曲线存在一定差异。