进气掺混二氧化碳对柴油机燃烧过程影响的可视化研究

为了研究CO_2对柴油机燃烧特性的影响,文章在一台视窗上置式柴油机可视化装置上进行试验,用高速摄像机记录下油门全开时柴油机进气掺混CO_2燃烧过程的火焰图像,应用三基色法计算了燃烧温度场,并结合示功图和放热率曲线分析了进气掺混CO_2对柴油机着火和燃烧过程的影响。分析结果表明:随着掺混CO_2比例的增加,着火时刻推迟,燃烧速率下降,燃烧持续时间不断缩短;缸内最大爆发压力下降,达到峰值压力的时间推迟;放热率峰值下降,放热率曲线整体推后;缸内瞬态最高温度和平均温度均相应降低。     

正庚烷均质压燃发动机燃烧循环变动

为了研究均质压燃(HCCI)发动机燃烧的循环变动,在1台改装的HCCI发动机上进行了试验。通过改变进气温度、混合气浓度和运行转速等参数,研究了参数变化对正庚烷HCCI燃烧的影响。研究结果表明:随着过量空气系数从1.9增加到2.7,峰值压力的平均值从6.69 MPa降低到5.50 MPa,进气温度从30℃增加到70℃,峰值平均压力从5.49 MPa增加到6.44 MPa,所对应的曲轴转角位置也有所提前;随着转速的提高,峰值压力也有所增加,并且出现的时刻都有所提前;在转速为1 500r/min条件下,进气温度为30℃、过量空气系数为1.9时的循环变动系数最小,进气温度在50℃、过量空气系数为2.1时的循环变动最小,分别为2.89%和1.68%。可以得出最优的进气温度、混合气浓度等,使得HCCI发动机的燃烧稳定性得到保证。     

喷水对天然气发动机性能影响的数值模拟

通过数值模拟的方法研究喷水技术对重型天然气发动机燃烧和排放特性的影响.结果表明,喷水对天然气的低温反应阶段无显著影响,但是在高温反应阶段,OH自由基的生成速率被抑制,使得没有足够的氧化剂氧化CO,燃烧持续期延长,反应温度降低.随着喷水质量的增加,火焰传播速度减慢,致使燃料放热速率减缓,燃烧的持续期延长,最高温度降低,相位推迟.喷水位置距离燃烧室越近,水雾蒸发吸热降低燃烧室温度的作用越明显,这有利于增加进气过程的缸内充量密度.此外,喷水可以显著降低发动机的热负荷,抑制燃烧室内氮氧化物的生成,从而为天然气发动机的当量比燃烧提供可能性.     

双电极点火时间间隔对天然气-空气预混合气层流燃烧的影响

在定容燃烧弹中对天然气-空气预混合气双电极点火进行了研究,分析了双电极在不同空燃比和预混压力下的4种点火时间间隔对混合气燃烧特性的影响。结果表明:增加点火时间间隔可以促进燃烧,加速火焰传播,使容弹内燃烧压力峰值、已燃区工质温度峰值略有上升,瞬时放热率峰值升高,各峰值位置提前,火焰发展期和快速燃烧期缩短,在稀薄燃烧或预混压力较小等不稳定着火、燃烧的情况下这种规律更显著,点火间隔为2ms时各参数变化最为明显;点火间隔为2ms,过量空气系数λ为1.3、预混压力为100kPa和λ为1.0、预混压力为40kPa时,双电极间隔点火的压力峰值出现时间比同时点火分别提前了45ms和12ms,温度峰值出现时间分别提前了39.8ms和11.8ms,瞬时放热率峰值分别增加了33.3%和71.2%,且峰值出现时间分别提前了32.3ms和19.8ms,火焰发展期分别缩短了14.6ms和12ms,快速燃烧期分别缩短了16.6ms和9.8ms。     

小型直喷柴油机燃用生物柴油的放热规律

利用发动机试验台架和燃烧分析仪,测录了燃烧压力随曲轴转角的变化关系,计算并对比分析了发动机燃用生物柴油和柴油时的燃烧放热规律.结果表明:与燃用柴油相比,生物柴油的最高燃烧压力和最大压力升高率在低速、小负荷时明显较高;在高速、小负荷时与柴油发动机的基本相同;在大负荷时低于柴油机的水平,对应的曲轴转角略有提前;生物柴油的瞬时燃烧放热率峰值随转速和负荷的变化趋势与最高燃烧压力基本相同,对应的曲轴转角提前2° CA～3° CA;生物柴油的燃烧始点比柴油早1° CA～2° CA,整个燃烧过程有所前移;生物柴油发动机在小负荷时工作粗暴,而在大负荷时工作柔和.     

稀释气对高甲烷含量天然气燃烧特性的影响

针对高甲烷含量天然气在实际发动机中燃烧温度过高、NOx排放过高的问题,利用定容燃烧弹实验和Chemkin软件模拟计算相结合的方法,对其预混层流燃烧特性进行研究,分析了不同稀释比和稀释气种类(N2和CO2)对混合气的层流火焰速度、NOx摩尔分数、燃烧压力和燃烧期等燃烧特性参数的影响。研究表明,层流火焰速度、质量燃烧率和热释放率均随稀释比的增加而减小,稀释气添加导致火焰温度下降,从而降低了NOx摩尔分数。Markstein长度和火焰厚度都随稀释比的增加而增加,火焰流动不稳定性得到抑制。添加稀释气导致燃烧压力峰值和压力升高率降低、燃烧期延长,与N2相比,CO2对混合气燃烧特性的稀释效果更加显著,从而为通过废气再循环技术路径降低高甲烷含量天然气发动机燃烧温度,控制NOx排放提供了理论指导。     

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.     

进气温度对DMDF发动机燃烧特性和烟度排放的影响

在一台电控单体泵增压中冷发动机上,研究在固定柴油和甲醇供给时刻和供给量条件下,进气温度变化对柴油甲醇二元燃料燃烧特性的影响.结果表明:相同工况下,进气温度从40,℃变化到70,℃可以使爆发压力相差4,MPa,着火时刻相差15°,CA;进气温度的升高,不仅会造成滞燃期缩短、最大爆发压力和压力升高率增大,而且最大爆发压力出现的时刻变早、燃烧相位前移;在部分工况,变化进气温度还伴随燃烧模式的转变.温度变化还表现出柴油甲醇二元燃料燃烧和发动机转速的极大关联:在低速、较大负荷时,进气温度升高会导致输出扭矩下降和当量比油耗升高;在高速时,进气温度升高能提高输出扭矩并降低当量比油耗,但过高的进气温度会使大量甲醇在上止点之前燃烧,降低输出扭矩并提高当量比油耗.进气温度对碳烟排放也有较大影响:随进气温度降低,碳烟排放降低.综合研究结果表明,柴油甲醇二元燃料燃烧进气温度控制在50~70,℃时,可以获得最佳的经济和排放性能.     

喷气策略对多点喷射天然气发动机燃烧及排放的影响

为了提高大缸径船用多点喷射稀薄燃烧天然气发动机在中低负荷下的缸内火焰传播速度及燃烧效率,进而优化发动机燃烧和排放,以喷气策略为切入点,采用台架试验与仿真两种方法,分别研究喷气方向与位置、喷气压力以及喷气时刻对发动机燃烧及排放的影响。结果表明：喷气方向与进气气流垂直可以增强扰动作用,喷气位置距气门远可以增加燃气射流在进气道中行进的距离,进而增加进气混合的均匀性,使浓混合气分布靠近火花塞,燃烧及排放明显改善;喷气压力采用较高的736.63 kPa时可以增加喷射动能,提高缸内湍流强度、进气混合均匀性同时适应缸内大尺度掺混,使燃烧和排放更优;随着喷气时刻的推迟,在点火时,缸内混合气形成明显的分层现象,混合气浓度自上而下逐渐降低,火花塞附近浓混合气利于火核发展,火焰传播速度加快,燃气燃烧效率提高。该文结果为实现大缸径船用天然气发动机高效清洁燃烧提供了理论依据。     

基于AVL-BOOST的米勒循环发动机性能分析研究

传统奥托循环发动机的燃油消耗率较高,经济性较差,不能满足日益严格的油耗法规和混合动力汽车的要求,因此改善发动机燃油经济性变得日益迫切。在混合动力发动机上采用米勒循环、EGR(废气再循环)以及高压缩比等技术均有利于降低燃油消耗率。在新设计的进气凸轮工作转角下,研究了EGR率、气门正时、压缩比等主要因素对发动机进气过程、泵气损失、燃烧过程以及发动机性能的影响规律。结果表明:推迟进气门关闭时刻,有利于降低缸内燃烧压力和温度,进气门迟闭角每增大10°CA,缸内最大温度约降低120 K,但过大的气门晚关时刻会使缸内燃烧恶化,一定程度上削弱了由于泵气损失的降低对燃油经济型的改善。在2 000 r/min,外特性工况,270°CA进气凸轮工作转角下,压缩比为13时,发动机燃油消耗率达最低为253.1 g/(kW·h)。在2 000 r/min, 1.2 MPa工况,EGR率为5%时,燃油消耗率降到了235 g/(kW·h),相比原机,采用米勒循环技术后发动机经济性有较大改善。     

火花辅助对多缸汽油机HCCI燃烧及排放的影响

采用优化动力技术手段,利用发动机冷却水和排气余热加热进气,在多缸汽油机上实现了均质混合气压缩(HCCI)燃烧,研究了火花辅助点火对HCCI燃烧及其排放特性的影响.结果表明：当进气温度未达到HCCI稳定燃烧条件时,火花辅助有助于HCCI燃烧,并可增大平均指示压力、最大气缸爆发压力以及最大压力升高率,降低循环波动率,提高燃烧稳定性;火花辅助使得HCCI燃烧出现了2个放热阶段,当点火提前角增加时,主燃烧阶段的放热率峰值增大,燃烧起始点提前;在发动机转速为1 200~1 600 r/min的小负荷范围内,火花辅助可以适当降低NOx和HC的排放量.     

汽油在O2/CO2氛围下燃烧特性试验

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O2/CO2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性,研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O2/CO2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍,且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O2/CO2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大,随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

PODEn引燃天然气发动机燃烧特性研究

聚甲氧基二甲醚(PODE_n)的十六烷值和含氧量较高,是一种极具应用前景的柴油机代用燃料。为了减少低负荷工况下天然气双燃料发动机的THC和CO排放,在总循环油量不变与天然气替代率为80%的条件下,采用CONVERGE三维仿真模型,研究当量比和喷射时刻(SOI)对PODE_n引燃天然气发动机低负荷时的燃烧与排放性能的影响。结果表明：随着当量比的升高,发动机滞燃期延长,瞬时放热率峰值和发动机指示热效率均先升高后降低,当量比为0.63时,发动机指示热效率最高;当量比在一定范围内升高有利于天然气预混合气的燃烧,可有效降低HC、CO和soot的排放,延长燃烧持续期可兼顾NO_x排放;SOI为-10°CA ATDC时的缸压和放热率峰值均较高,CO和HC排放均较低。     

富氢重整气对天然气发动机燃烧反应过程的影响

为研究基于废气重整再循环(REGR)技术的天然气发动机燃烧排放调控机制,开展了富氢重整气添加对点燃式天然气发动机缸内燃烧过程影响的数值模拟研究。结果表明,添加富氢重整气与增大过量空气系数对天然气发动机的燃烧过程的影响规律相反。增大重整气添加率可使燃料着火时刻提前1.42°,燃烧持续期缩短;增大过量空气系数则会使缸内平均压力峰值和放热率峰值降低,着火时刻滞后2.24°。REGR率增加到16%时可使总碳氢化合物排放降低26.98%,NO_x排放降低62.52%,但会导致发动机功率降低9.52%。基于此,从化学动力学角度进一步解析REGR率对天然气发动机缸内燃料燃烧反应过程与污染物生成演化过程的影响。结果表明,随REGR率增大,OH自由基参与CH_4消耗反应占比增大,从而加快基元反应速率,使燃烧相位提前,并使未燃HC排放降低。     

生物制气-柴油发动机放热规律的影响因素

采用气化炉热解气化各种农林废弃的生物质,产生可燃生物制气,作为以柴油引燃的双燃料发动机的主要燃料．双燃料发动机由一单缸、四冲程、水冷、直喷式柴油机改装而成,生物制气通过发动机进气管,在进气过程中被吸入气缸．实测生物制气-柴油双燃料发动机气缸压力,根据气缸压力计算放热规律并分析转速、负荷及供油提前角对它的影响．负荷增大时,双燃料发动机燃烧始点提前,最大燃烧放热率增高,最高燃烧温度升高,后燃加重;转速增大时,燃烧推迟;供油提前角增大时,最大放热率降低,对应相位提前,后燃减少．     

柴油机燃烧模式切换过程燃烧特性变化试验

为研究柴油机在传统燃烧与低温燃烧的燃烧模式切换过程中,如何识别缸内当前所处的燃烧模式,以及不同喷油参数在不同的燃烧模式对燃烧特性参数的影响,在一台高压共轨柴油机1 500 r·min-1、30%负荷下采用燃油单次喷射、调节EGR率方式实现燃烧模式切换并进行了试验研究.结果表明,EGR率从0增加到55%,缸内燃烧起点位置稍有后移,但变化不大,当EGR率超过45%后,缸内开始进入低温燃烧模式,瞬时放热率曲线初始上升过程,由于冷焰反应持续期增加导致出现的二阶段滞燃,可以作为识别当前的燃烧模式的特征,控制缸内燃烧模式;喷油相位从-14°CA ATDC推迟到-7°CA ATDC,对传统燃烧模式滞燃期和燃烧持续期的影响较小,但对低温燃烧的燃烧持续期影响较大,同时,当喷油相位推迟到-7°CA ATDC时,缸内接近失火;喷油压力从75 MPa提高到140 MPa,在传统和低温燃烧模式均可以改善发动机的油气混合程度,缸内最大爆发压力及瞬时放热率峰值增加,指示热效率有所增加,但幅度变化不大.      

引燃油喷射时刻对着火特性和压力振荡影响的研究

为提高天然气/柴油双燃料船用低速发动机低负荷时的燃烧稳定性、避免高负荷时爆震发生,采用三维数值模拟的方法,研究了实际双燃料发动机中引燃油喷射时刻对缸内混合气的着火/燃烧特性及缸内压力振荡的影响.结果表明:甲烷当量比为0.38的工况,引燃油喷射时刻的推迟会造成缸内甲烷/空气混合气的着火时刻和燃烧相位推迟,缸内压力减小且爆压相位滞后;当喷射时刻推迟至2.0°CABTDC时,缸内压力峰值低于10 MPa,说明燃烧严重恶化,甚至出现失火现象.甲烷当量比为0.50的工况,引燃油喷射时刻的推迟使缸内压力振荡幅度增大且振荡发生的时刻推迟,当喷油时刻推迟至2.0°CABTDC时,甲烷/空气混合气在引燃油喷射之前发生自燃;此外,喷油时刻的推迟会导致火焰发展速度加快且火焰前端燃烧更为剧烈,易在靠近壁面的狭小空间内产生压力振荡.     

温度对增压二甲醚发动机性能的影响

以一台增压二甲醚发动机为研究对象,研究进气温度和燃料温度对二甲醚发动机性能的影响。试验结果表明,进气温度升高,燃烧滞燃期缩短,放热率曲线往前移,预混合燃烧的峰值降低,预混合燃烧在整个燃烧过程中所占比例减小;进气温度升高会导致发动机油耗率上升,排温升高,NOx排放增加。二甲醚燃料温度的影响比进气温度升高,燃料温度增加会导致发动机功率下降。额定工况点下,当燃料温度由28℃升高到40℃时,发动机的功率由192.1 k W下降到168 k W,下降12.0%。二甲醚温度每升高1℃,二甲醚发动机功率平均下降1.0%。     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性

开展了缸内直喷火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料燃烧特性和放热过程的试验研究．研究结果表明：在给定喷射脉宽条件下，天然气掺氢比小时，燃烧放热率低，当氢气的体积分数达到10％～18％后，对提高混合燃料发动机燃烧速率有明显效果；火焰发展期、快速燃烧期、燃烧持续期和放热率曲线型心位置对应的曲轴转角随掺氢比增加呈先增加后减小趋势，当氢气的体积分数达到18％时可以缩短火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期，放热率曲线型心位置对应的曲轴转角靠近上止点；缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度、最大压力升高率和最高放热率随掺氢比的增加呈先减小后增加趋势；天然气掺氢燃烧特性在低转速时比在高转速时受掺氢比的影响大．     

管道内瓦斯爆炸火焰传播压力与温度特性

为了研究瓦斯爆炸的压力与温度特性,利用矩形管道装置对不同体积分数的瓦斯进行爆炸实验。采用压力传感器和微细热电偶测量爆炸过程中压力与温度的变化,并结合高速摄像仪采集火焰传播图像。研究结果表明:该管道内最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率以及火焰温度峰值都随瓦斯体积分数的增加呈先增加后减小的趋势,到达最大爆炸压力的时间随瓦斯体积分数的增加呈先减小后增大的趋势。该管道上部燃烧比下部燃烧剧烈,下部火焰温度峰值与瓦斯体积分数呈4次函数表达式。在瓦斯爆炸火焰传播过程中,火焰峰面会发生变化,当瓦斯体积分数越接近10%时,越易形成"Tulip"火焰峰面;当瓦斯体积分数为10%时,火焰最明亮,最大爆炸压力和火焰温度峰值都取得最大值,分别为0.74 MPa和1 704.26℃。