基于CFD双通道涡流室式柴油机缸内气体流动模拟研究

以BH175F1柴油机涡流室系统为研究对象,将镶块单通道改进为双通道结构,考虑启动孔,基于计算流体力学技术(Computational Fluid Dynamics,CFD)对单通道涡流室系统和双通道涡流系统从进气门关闭时刻到上止点时刻缸内气体流场特性进行数值模拟,得到单通道与双通道涡流室系统缸内速度矢量图和压力云图。研究表明:随着曲轴转角从588°CA到720°CA,气体逐渐被挤压进涡流室,单通道涡流室与双通道涡流室内形成相似涡流,单通道涡流室内平均气体流速较大,双通道涡流室内涡流流速分布较为均匀。初期缸内压力大于涡流室内压力,涡流室内逐渐形成涡流,涡核区域压力最低,近壁面区域压力较高,其中涡流室内气流运动拐角处压力最大,单通道涡流室内压力最大达到4.43MPa,双通道涡流室内压力最大达到4.42MP。     

双通道涡流室式柴油机不同主燃烧室结构参数流场分析

本文以BH175F-1的双通道涡流室燃烧系统为研究对象。研究了双通道涡流室燃烧系统的缸内气体运动,并且通过改变ω主燃烧室的结构参数来研究不同主燃烧室结构参数对双通道涡流室式柴油机的缸内气体运动的影响。对比分析压缩上止点后主燃烧室的流场表明:适当的增加导流槽的角度可以改善主燃烧室的缸内运动,但是导流槽角度过大会使缸内气体运动恶化;在ATDC 20°CA(压缩上止点后20°)、ATDC 30°CA时,S1(主燃烧室阀坑深度2.5 mm)、S2(主燃烧室阀坑深度3.5 mm)在进排气阀坑形成完整的旋转涡流,涡核中心与进排气阀坑的几何中心重合。S1在对应的主燃烧室位置上气体运动速度较S2大。减小主燃烧室的深度有利于组织缸内二次涡流;W1(主燃烧室阀坑向进气阀坑一侧偏移1 mm)、W2(主燃烧室阀坑向进气阀坑一侧偏移1.5 mm)、W3(主燃烧室阀坑向进气阀坑一侧偏移2 mm)在阀坑形成较完整的二次涡流。从涡流的组织和气体运动速度分布可以看出,W2较W1、W3的缸内运动较好且分布区域较广。     

小型风冷柴油机镶块双通道倾角对涡流特性的影响

为分析风冷柴油机镶块双通道安装位置对涡流室内涡流形态的影响,以BHl75F柴油机为例,基于FLUENT流体仿真软件,研究活塞从曲轴转角210°CA运动至上止点（TDC）时双通道倾角对柱形平底涡流室内涡流特性变化规律．模拟结果表明,镶块双通道倾角对涡流室内涡流形态发展具有重要影响,在设计的30°、40°、45°及50°四种通道倾角方案中,涡流室内涡流发展过程较为相似,均在连接通道左侧形成自由涡,随着曲轴转角的增大,涡流强度增大,涡核上移并稳定在O点位置附近;相对30°、45°通道倾角而言,40°、50°对应的涡流形态发展较快,且在喷油始点附近位置,45。通道倾角所获得的涡流形态更稳定、矢量速度和涡流尺度更大,有利于提高油气混合质量．     

喷油定时和涡流比对低温燃烧影响的模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)软件和耦合自行编写的程序,对一台柴油机进行低温燃烧模拟研究,对比分析不同废气再循环(EGR)率、喷油定时和涡流比对燃烧和排放的影响.结果表明,随着EGR率增大,燃烧放热过程滞后,缸内压力、温度和放热率峰值和累计放热量降低,壁面油膜生成增加,氮氧化物(NO_x)排放大幅降低的同时,碳烟(soot)、未燃碳氢化物(UHC)和CO排放增加;固定EGR率为40%的同时将喷油定时曲轴转角从353°提前至345°,可使燃烧放热过程适当提前,并有利于提高热效率和改善燃油经济性;保持EGR率为40%,喷油定时曲轴转角为345°时,随着涡流比的增大,soot和UHC排放减少,而CO排放出现先减少后增大的趋势,涡流比为3.0时,综合效果较好.     

涡流室涡流比对涡流室式柴油机污染物生成影响的数值模拟

为了揭示涡流室涡流比对涡流室式柴油机污染物生成影响规律,采用标准k-ε-f湍流模型和LUENT动网格技术构建涡流室式柴油机燃烧仿真计算模型,并通过实验验证得到合理的仿真计算模型参数。对不同涡流室涡流比时涡流室式柴油机压力和温度分布以及污染物生成影响规律进行数值模拟。研究结果表明:涡流比Rs对涡流室式柴油机气缸燃烧及污染物生成的影响规律是NOx生成量随涡流比Rs的增大而下降,而Soot生成量随涡流比Rs的增大而增大;可以通过优化在Rs为2.5~3.1范围内找到1个合适的涡流比Rs,使涡流室式柴油机气缸NOx生成量和Soot生成量均为较小值。     

旋转叶轮式内燃机内部流动初步分析

为对旋转叶轮式内燃机内部流动进行分析,在额定转速下,对旋转叶轮式内燃机的排气、进气以及压缩过程进行数值模拟,探究进气参数变化对燃烧室冷态流场的影响.对旋转叶轮式内燃机工作过程的分析发现:在进排气过程中,燃烧室内存在涡流,气体流动复杂,平均压强先减小后增大.在压缩过程中,燃烧室内平均压强逐渐升高,气体流动稳定.对于进气角度来说,进气角为0°时,利于进排气过程进行.进气温度和进气压力越大,燃烧室内气体运动越复杂.     

喷油策略对直喷汽油机快速起动的影响

运用CFD(computational fluid dynamics)手段,对一款缸内直喷汽油机快速起动工况中的二次喷油策略进行分析研究.结果表明:过早的初次喷油会在活塞表面形成大量的油膜,导致燃油蒸发量过少,使得缸内混合气过稀,无法满足点火要求;第一次喷油越迟,滞留在排气门坑处的浓混合气越多,导致未燃碳氢排放增加,常温初次喷油时刻应设定在270°CA(曲轴转角)~240°CA BTDC(上止点前)范围内;相较于第一次喷油,在压缩过程中的第二次喷油对壁面油膜的影响较小,早于90°CA BTDC的喷油会导致液滴与缸套发生较多的碰撞;根据仿真结果,常温冷机起动的第二次喷油时刻应当设定在90°CA BTDC之后.     

柴油机伞帘喷雾燃烧系统空气运动的数值模拟

用数值分析方法研究柴油机伞帘喷雾燃烧系统中的空气运动规律,探讨了缸内流场的演变过程、涡流与挤流的相互作用和燃烧室结构的影响,并比较了该燃烧系统与原机燃烧系统中的流场．计算基于任意拉格朗日—欧拉法,采用κ-ε湍流模型,计算结果表明,在上止点前较大的曲轴转角范围内,纵剖面流场结构相似,无涡流时接近上止点的缸内纵剖面流场受挤流控制．挤流促进燃烧室中心线附近的空气运动;逆挤流主要发生在燃烧室边缘;涡流使流场复杂化,随着涡流强弱不同,缸内形成不同的流动图案;折转壁面间的过渡情况影响气流贴合壁面情况;伞帘喷雾燃烧系统的挤气面积远大于原机,因此前者的空气运动明显强于后者,较强逆挤流维持的时间长于后者。     

喷射控制策略对增压直喷汽油机燃烧和性能的影响

对1台车用增压直喷乙醇汽油机进行试验,研究不同喷射策略包括喷射次数、喷射时刻、喷射压力及分配系数对发动机性能的影响。研究结果表明:对于单次喷射模式,喷油时刻为上止点前300°时性能最佳,此时,有效热效率最高达35.17%,指示热效率最高达37.51%;随着喷射时刻推迟,50%燃烧位置(曲轴转角α_(50))往上止点推移,燃烧持续期缩短;喷油压力扫描试验结果表明该工况的最佳喷射压力为12MPa,此时,有效热效率最高达34.35%,指示热效率最高达37.01%;在二次喷射模式下,随着第一次分配系数下降,α_(50)逐渐远离上止点且燃烧持续期逐渐延长,有效热效率随着分配系数减小而降低,而指示有效压力的循环变动率和有效燃油消耗率随之升高;燃油消耗率最大偏差达62.48 g/(kW·h),燃油消耗率最高降低20.19%,因此,合理控制和优化喷油控制策略能提高增压直喷汽油机的燃烧质量并提高其性能。     

喷油时刻对缸内直喷汽油机性能的影响

通过对某涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成及燃烧过程的数值模拟,并借助发动机台架试验中获得的油耗、排放及燃烧数据,研究了喷油开始时刻对发动机性能的影响.结果显示,对于5 000r.min-1工况,喷油开始时刻为400°曲轴转角是混合气雾化混合的最佳方案,此时混合气分布比较均匀且点火时刻火花塞附近具有较高的湍动能,10%～90%燃烧持续期最短且HC排放较低,从而使其具有最佳的燃油经济性与燃烧稳定性.而2 000r.min-1工况的最佳喷油开始时刻推迟了30°曲轴转角.喷油提前,壁面油膜量增加,混合气当量比下降及火花塞附近较低的湍动能使得燃烧速率降低,因此HC排放、燃油经济性及燃烧稳定性均会变差.同样的情况也出现在推迟喷油中,由于混合不充分使得点火时刻混合气均匀度下降,从而使发动机性能恶化.     

米勒循环结合两次喷射对缸内直喷发动机起动工况下混合气的影响

为探究直喷发动机第二次喷油时刻、两次喷油比例对燃油蒸发与混合气形成质量的影响，在一台汽油缸内直喷(GDI)发动机进气门早关(EIVC)米勒循环单次喷射的基础上，采用控制变量的方法，在两次喷油量相同的情况下，设计了7组不同的第二次喷油时刻方案，并在最优喷油正时的基础上，设计了6组不同喷油比例的方案进行试验。结果表明：在压缩冲程中后期，缸内湍动能随着喷油重心的后移而增强；随着二次喷油正时的推迟，更多的燃油附着位置从活塞顶部转向缸套表面；当二次喷油正时为进气上止点后150°曲轴转角、喷油比例为2∶1时，附壁油膜蒸发效果最佳，点火时刻缸内残余油膜量最少，较原机下降95%,并且该条件下当量比分布良好，在火花塞附近形成了当量比为1.3的微浓混合气，有助于火核的形成。     

不同喷油提前角下双燃料发动机的燃烧特性和稳定特性

针对天然气、柴油双燃料发动机,研究了不同引燃油提前角下双燃料发动机的燃烧和循环变动特性。结果表明:给定引燃油量,喷油提前角提前,缸内最大压力增大,缸内最大压力出现时刻提前;双燃料发动机的放热率特性曲线存在2个波峰,喷油提前角提前有助于引燃柴油完全燃烧,使得引燃能量更大,整体混合气燃烧更充分,放热持续时间缩短,放热速度加快;随着喷油提前角的提前,缸内最大压力和最大压升率显著增大,缸内最大压力的循环变动的变化不明显,最大压升率的循环变动的变化显著;缸内最大压力和平均指示压力与缸内最大压力对应的曲轴转角密切相关且随喷油提前角的提前向上止点移动,缸内最大压升率与其对应曲轴转角的相关性随着喷油提前角的提前而削弱;随着喷油提前角的提前,最大压力和平均指示压力的循环变动系数减小,喷油提前角为20°时最大压力循环变动系数最大,为5.4%,给定喷油提前角下平均指示压力的循环变动系数均小于4%。     

直喷汽油机反转起动次循环起动参数优化

为了使直喷汽油机在无起动机反转直接起动时达到更好的效果,在一台壁面引导式直喷汽油机上研究了对反转成功起动具有重要影响的次循环在不同起动参数下的着火和速度特性。试验结果表明:当水温80℃、残余轨压1.8 MPa、膨胀缸活塞初始位置于上止点后120°、首循环起动边界一定时,基准过渡点前3°次循环点火具有最高的缸压峰值和转速峰值,分别为3.08 MPa和545r/min;一定范围内混合气越浓,次循环着火特性和速度特性越好,缸压峰值在次循环过量空气系数为0.5时比1.0高出32.8%,转速峰值高出19.5%;基于油束和活塞顶凹坑的匹配,喷油正时在上止点前100°左右时表现最优。改变水温、轨压和膨胀缸活塞初始位置等被动参数,最佳点火时刻仍为基准过渡点前3°,最佳过量空气系数范围一般为0.6~0.7,膨胀缸活塞初始位置在上止点后100°之前时,喷油正时选择在上止点后100°为最佳,膨胀缸活塞初始位置在上止点后100°之后时,喷油时刻越早越好。     

磁感应式曲轴位置传感器的结构与检修

曲轴位置传感器是电喷发动机特别是集中控制系统中最重要的传感器,也是点火系统和燃油喷射系统共用的传感器。该传感器检测发动机曲轴转角和活塞上止点信号,并将检测信号及时送至发动机电脑,用以控制点火时刻（点火提前角）和喷油正时,是测量发动机转速的信号源。本文主要介绍日产公司磁感应式曲轴位置传感器的结构原理及其检修方法,并介绍了未来曲轴传感器的发展趋势。     

涡流室燃烧室内气体流动的分析和燃烧的改进

本文对圆柱形涡流室内气体流动进行了分析,导出了在室内气体流动轨迹呈螺线状进入室中心时的表达式.文中还讨论了涡流预燃式燃烧室的气流运动,同时讨论了改进燃烧的方法.     

斯特林发动机气缸内部工质流场特性的数值模拟

运用计算流体力学(CFD)方法对斯特林发动机气缸内部工质的流场进行了数值模拟.应用FLUENT软件,采用标准的κ-ε模型、使用动网格模拟发动机活塞的往复运动.计算结果表明:发动机气缸内部流场极其复杂,膨胀腔和压缩腔内的速度场、压力场以及温度场随活塞运动动态变化,回热器内温度和速度呈线性分布.该方法为气缸结构的优化设计提供了理论依据.     

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。     

涡流室内气体流动的三维数值模拟

利用开发的ＥｎｇｉｎｅＣＦＤ－Ⅱ程序,对Ｓ１１００涡流室式柴油机压缩过程的气流运动进行了三维数值模拟论述了不同坐标系对网格划分和计算结果的影响,详细分析了直角坐标系下复杂体系边界条件的处理方法,给出三维模拟的计算结果,找出了涡流室内气体运动的真实过程和运动规律：在整个压缩过程中,涡流室内不存在刚体涡流,其窝心是在不断变化的,涡心位置的变化是主涡流运动和由主燃室经通道“压入”涡流室内的“射流”运动的综合结果     

涡流室内气体流动的三维数值模拟

利用开发的ＥｎｇｉｎｅＣＦＤ－Ⅱ程度,对Ｓ１１００涡流室式柴油机压缩过程的气流运动进行了三维数值模拟,论述了不同坐标系对网格划分和计算结果的影响,详细分析了真角坐标系下复杂边界的处理方法,给出三维模拟的计算结果,找出了涡流室内气体运动的真实过程和运动规律：在整个压缩过程中,涡流室内不存在刚体涡流,其窝心是在不断变化的,涡心位置的变化脐主涡流运动和由主燃室经通道“压入”涡流室内的“射流”运动的综合结     

涡流室柴油机燃用乳化油的节油效果

在多种形式的单缸涡流室柴油机上，以各种配比的乳化油进行台架试验．并根据试验结果，着重分析掺水率、乳化油内相颗粒大小、供油提前角和喷油压力等参数对节油效果的影响，得到若干有意义的结论，为在涡流室柴油机上推广应用乳化油提供依据．