带双ω燃烧室柴油机燃烧和排放特性的数值模拟

为了改善柴油机喷雾空间分布和缸内混合气形成质量,提出了一种双ω型燃烧室和与之相匹配的双排喷孔的燃烧系统。应用AVL FIRE软件对油束不同落点位置的缸内喷雾、混合气形成和燃烧过程进行了数值模拟,分析了油束不同落点位置对缸内速度场、浓度场和温度场和燃烧排放特性的影响。结果表明:油束落点位置对燃烧和排放性能影响较大,采用双排喷孔喷油嘴能有效提高可燃混合气的形成质量,而且碳烟排放最大值较采用单排喷孔时降低了57.8%。     

燃烧室形状对缸内气流运动影响的数值模拟

为研究缸内气流运动规律,探索燃烧室形状对挤流的影响,在柴油机的压缩和膨胀工况下,应用STAR CD程序对不同几何形状的燃烧室内气流运动进行三维数值模拟。计算结果表明,缩口燃烧室具有较大的挤流强度,较长的涡流持续期,涡流的分布较合理,有利于混合气的形成,可加速扩散燃烧;直口燃烧室性能相对较弱;敞口燃烧室性能最弱。燃烧室的收口程度和底部凸台的形状是影响挤流的两个重要因素。燃烧室偏心造成缸内流场的不对称,影响了混合气的形成,不利于燃烧。     

双层分区燃烧系统对高强化柴油机性能的影响

柴油机的燃烧系统是混合气形成质量的关键。为改善某高强化柴油机的燃烧和排放性能,在保证原机压缩比不变的条件下,设计了一种双层双弧脊分区燃烧系统——双层燃烧室匹配双排喷孔,并基于计算流体力学软件Converge进行数值模拟,研究不同上下排喷孔油束夹角对缸内燃烧和排放的影响。研究结果表明:新设计的燃烧系统的燃烧和排放性能均优于原机,上下排喷孔油束夹角会影响燃油在上下层弧脊处的分配,较大的上排喷孔油束夹角有利于对燃烧室顶隙空间的利用和上层弧脊下侧混合气的形成,较小的下排喷孔油束夹角有利于燃烧室底部凹坑附近空气利用率的提高和混合气分布范围的增加。因此,需要对上下排喷孔油束夹角进行合理的选择和匹配,使得发动机的整体燃烧和排放性能达到最优。     

燃烧室形状对直喷式柴油机燃烧过程影响的仿真研究

利用CFD模拟软件Fire模拟研究了柴油机不同径深比的缩口形燃烧室对缸内混合气形成、燃烧过程和排放物形成的影响。研究结果表明:三维仿真模拟缸内压力和放热率曲线与试验值基本一致;SF5型燃烧室喷雾贯穿距长,喷雾碰壁早,燃油蒸气反弹使得喷雾分布不均匀,局部出现缺氧,炭烟排放较高;SF5型燃烧室缸内混合气混合良好,燃烧完全,缸内温度较高,NOx生成量大,可以采取推迟喷油的方式降低缸内燃烧温度,从而降低NOx排放。     

对置活塞二冲程缸内直喷汽油机混合气形成的数值研究

针对对置活塞二冲程汽油机缸径小、冲程长的特点,利用三维CFD软件AVL-Fire对缸内喷雾方向进行优化,实现全负荷工况下(6 000r/min)的缸内混合气均匀混合;并且基于优选的喷雾方向,研究部分负荷工况下(2 000r/min)二次喷射策略(不同喷油时刻和喷油比例)对缸内混合气分层分布的影响。结果显示,增大排气侧3束喷雾的中心线与气缸中心面夹角β会导致燃油蒸发率降低,而增大进气侧3束喷雾的中心线与气缸中心面夹角α有利于提高缸内混合气的均匀度;在部分负荷时,当第一次喷油时刻为内止点前140°曲轴转角,第二次喷射时刻为内止点前60°曲轴转角,第二次喷油量为总喷油量的33%时,缸内形成理想的混合气分层分布。     

ROTAX912冷起动喷雾CFD模拟与分析

随着缸内直喷技术的发展,CFD分析软件在缸内直喷发动机模拟分析中得到了充分利用。直喷发动机缸内混合气形成过程的三维CFD分析对直喷燃烧室设计和喷油策略起到了重要作用。其中,喷油时刻和喷射位置对混合气分布的影响较大。经过对某四冲程活塞发动机的喷雾模拟,得到了较合适的喷油时刻和喷油位置。另外,模拟结果显示多次喷射比单次喷射有更好的混合气分布。     

基于模拟计算的GDI发动机燃烧室优化设计

利用AVL Fire软件,对一款高压缩比直喷汽油机的缸内流动及喷雾过程进行了数值模拟,研究了不同燃烧室设计方案对缸内流动过程的影响。结合滚流、旋流、湍动能、缸内当量比分布等8项评价指标,分析了不同方案对混合气形成的改善效果。通过分析计算结果,并引入优化率对燃烧室设计进行评估,评估结果表明,最优方案在高转速工况和低转速工况的优化率分别达到了25.3%和23.4%,发动机缸内混合气的形成过程得到了明显的改善。     

VVL耦合喷油策略对GDI汽油机混合气形成的影响

利用三维仿真软件Ansys Fluent建立了GDI汽油机的仿真计算模型,就变气门升程耦合不同喷油策略对缸内气流运动和混合气形成的影响进行了模拟计算。结果表明,与大气门升程工况相比,小气门升程工况的缸内湍流运动强度、燃油蒸发和湿壁情况以及点火时刻混合气质量都明显改善;在小气门升程工况,采用两段喷油会缩短油气混合时间,过度推迟二次喷油时刻会恶化混合气质量和燃油湿壁情况;在大气门升程工况,两段喷油会改善混合气均匀性,随着二次喷油时刻推迟,燃油蒸发量增加,湿壁情况加剧,混合气质量得到改善;小气门升程工况下采用二次喷油时刻为470°曲轴转角,前后两次喷油量比例为7∶3的两段喷油方案在燃油蒸发和湿壁以及点火时刻缸内混合气质量这几个方面的效果都很好,是最合理的方案。     

采用空气辅助喷嘴的直喷发动机冷启动混合气形成CFD研究

直喷发动机缸内混合气形成过程的三维CFD分析对直喷燃烧室设计和喷油策略起到了重要作用。其中,喷油时刻对混合气分布的影响较大。经过对某四冲程活塞发动机的喷雾模拟,得到了较合适的喷油时刻。另外,文中采用了夹气喷油器,并与高压喷嘴进行了对比,结果显示采用夹气喷油器后,混合气准备较好。     

增压直喷汽油机喷雾及燃烧特性可视化试验研究

基于可视化光学增压直喷单缸机,对两种形式喷油器匹配两种活塞顶面燃烧室的组合,在两个典型工况下试验研究了喷油相位、喷油次数等参数对发动机喷油雾化、燃烧特性、碳烟排放等方面的影响规律。研究结果表明:在催化器起燃工况,各喷油器和活塞顶面组合均可满足燃烧和碳烟排放等开发目标要求,I-129三角型六孔喷油器缸内混合气分布形态更优;在全油门工况,采用优化喷油时刻的三次喷射策略可有效避免燃烧关键区域的燃油湿壁风险,I-129喷油器匹配P-B平面活塞为最佳硬件组合。     

高强化柴油机双卷流燃烧系统喷油参数匹配试验研究

针对采用双卷流燃烧系统的单缸柴油机进行了强化燃烧试验研究,研究内容包括不同喷雾锥角燃烧特性试验和相同负荷下不同转速的燃烧特性试验。研究发现,柴油机喷雾锥角的合理设计对燃烧特性具有重要影响,提高转速是提高柴油机强化程度的有效途径,但是转速提高会带来排温升高及燃油经济性恶化等问题。通过调节喷油定时可以在提高发动机转速时使排温及燃油经济性的问题在一定程度上得以改善。采用双卷流燃烧系统并配以合适的喷油参数(喷雾锥角、喷油定时)可以达到提高柴油机强化程度的目的。     

喷雾夹角影响柴油机混合气形成与燃烧的CFD研究

运用CFD软件对直喷柴油机燃烧室中的喷雾及燃烧过程进行数值计算,考察了不同喷雾夹角下燃油的雾化过程、射流的发展形态以及近壁面区域浓度场的分布情况,并将计算结果进行了对比分析。结果表明,高速的射流漩涡对混合气的卷吸能力很强,油束末端的滞止区呈现较高的浓度;喷雾夹角过大会使燃油喷溅到燃烧室壁上,过小则活塞顶隙内的空气利用不充分,均对燃烧过程造成不良影响。     

柴油机低排放燃烧系统研究

针对某款匹配株式会社电装第3代180 MPa电控高压共轨喷射系统和采用EGR方案的全新开发的国Ⅳ平台中型柴油机,研究了其3种不同燃烧室形状与喷油器匹配的燃烧规律,结果表明大径深比带翻边结构的2#燃烧室与8×810×150型号喷油器更加适合低排放燃烧系统开发要求。采用STAR-CD计算模拟软件,对油束落点与燃烧室的运动情况进行模拟分析。结果表明,模拟计算结果与试验结果基本一致,从而验证了试验的准确性和模拟计算的可靠性。     

Low temperature premixed combustion within a small bore high speed direct injection (HSDI) optically accessible diesel engine using a retarded single injection

An optically accessible single-cylinder high speed direct-injection (HSDI) Diesel engine equipped with a Bosch common rail injection system was used to study low temperature Modulated Kinetics (MK) combustion with a retarded single main injection. High-speed liquid fuel Mie-scattering was employed to investigate the liquid distribution and evolution. By carefully setting up the optics, three-dimensional images of fuel spray were obtained from both the bottom of the piston and the side window. The NOx emissions were measured in the exhaust pipe. The influence of injection pressure and injection timing on liquid fuel evolution and combustion characteristics was studied under similar fuel quantities. Interesting spray development was seen from the side window images. Liquid impingement was found for all of the cases due to the small diameter of the piston bowl. The liquid fuel tip hits the bowl wall obliquely and spreads as a wall jet in the radial direction of the spray. Due to the bowl geometry, the fuel film moves back into the central part of the bowl, which enhances the air-fuel mixing process and prepares a more homogeneous air-fuel mixture. Stronger impingement was seen for high injection pressures. Injection timing had little effect on fuel impingement. No liquid fuel was seen before ignition, indicating premixed combustion for all the cases. High-speed combustion video was taken using the same frame rate. Ignition was seen to occur on or near the bowl wall in the vicinity of the spray tip, with the ignition delay being noticeably longer for lower injection pressure and later injection timing. The majority of the flame was confined to the bowl region throughout the combustion event. A more homogeneous and weaker flame was observed for higher injection pressures and later injection timing. The combustion structure also proves the mixing enhancement effect of the liquid fuel impingement. The results show that ultra-low sooting combustion is feasible in an HSDI diesel engine with a higher injection pressure, a higher EGR rate, or later injection timing, with little penalty on power output. It was also found that injection timing has more influence on HCCI-like combustion using a single main injection than the other two factors studied. Compared with the base cases, simultaneous reductions of soot and NOx were obtained by increasing EGR rate and retarding injection timing. By increasing injection pressure, NOx emissions were increased due to leaner and faster combustion with better air-fuel mixing. However, smoke emissions were significantly reduced with increased injection pressure.     

利用瞬时转速对柴油机起动过程的分析

建立柴油机起动过程试验系统,并利用瞬时转速分析不同拖动时间、不同拖动转矩和不同供油量等条件对柴油机起动过程的影响。试验结果表明利用瞬时转速能够判断柴油机着火首循环以及辅助分析燃烧组织的优劣。适当增加拖动时间、提高拖动转矩有利于改善柴油机起动性能。增加起动过程中的供油量,有助于发动机快速进入怠速稳定转速。     

Effects of diesel fuel characteristics on spray and combustion in a diesel engine

Fuel properties play a dominant role in the spray, mixture formation and combustion process, and are a key to emission control and efficiency optimization. This paper deals with the influence of the fuel properties on the spray and combustion characteristics in a high-pressure and temperature chamber. Light diesel fuel spray and combustion images were taken by using a high-speed video camera and analyzed by their penetration and evaporation characteristics in comparison with current diesel fuel. Then, a single-cylinder DI engine was used to investigate combustion and exhaust characteristics. The mixture formation of the light diesel fuel is faster than that of the current fuel depending on physical properties like boiling point, density, viscosity and surface tension. Engine test results show that smoke is reduced without an increase in other emissions.     

正丁醇-柴油对柴油机燃烧及排放影响的试验研究

通过配制不同正丁醇掺混比例的正丁醇-柴油混合油,在不改变供油提前角和燃油系统的条件下,测量了柴油机燃用正丁醇-柴油混合油的气缸压力、放热率以及NOx、炭烟等排放污染物,探讨了正丁醇掺混比例对柴油机燃烧过程的影响规律,分析了正丁醇对排放污染物的作用过程。结果表明:正丁醇掺混比例为0%,5%,10%时,低转速、低负荷工况下,缸内最大燃烧压力分别为6.2MPa,5.9MPa和5.8MPa,与燃烧柴油相比略有降低;高转速、高负荷工况时,缸内最大燃烧压力分别为7.5 MPa,7.6 MPa,7.7 MPa,与燃烧柴油相比稍有增加;随着正丁醇掺混比例增加,柴油机的CO和HC排放升高,在中低负荷下NOx排放有所降低,高负荷时升高明显,平均增加了6.4%,炭烟排放降低明显,燃用正丁醇添加比例为5%和10%时,在高负荷下炭烟分别下降了25%和36%。     

电控高压共轨柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料的燃烧特性

针对1台6缸增压中冷电控高压共轨柴油机,在不改变原柴油机结构和喷油参数的条件下,研究了生物柴油的掺混比例对发动机燃烧特性的影响。结果表明:小负荷时发动机有预喷射,随着生物柴油掺混比的增大,生物柴油-柴油混合燃料的滞燃期缩短、缸内最高燃烧压力下降,预喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值减小,且对应的相位提前;主喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值增大,且对应的相位后移。随着负荷的增大,发动机喷油策略改为单次喷射,随着生物柴油掺混比的增大,缸内最高燃烧压力下降,燃烧持续期缩短,压力升高率峰值略有增大,瞬时燃烧放热率峰值逐渐减小且对应的相位前移。两种不同负荷条件下,随着生物柴油掺混比的增大,混合燃料的指示热效率逐渐下降。     

转子发动机喷雾特性试验研究

利用定容弹、纹影仪以及高速相机等装置,就柴油转子发动机工况下的喷雾过程进行了试验研究,重点分析了喷雾环境背压和喷射压力对喷雾特性的影响。结果表明:在转子发动机喷雾过程中,喷雾扩散速度先快速增大后逐渐减小;喷雾锥角在初次雾化阶段内急剧减小,然后在二次雾化作用下保持相对稳定。喷雾环境背压的增大,有效减小了喷雾贯穿距离,增大了喷雾锥角,说明喷雾环境背压的增大对喷雾贯穿距离和锥角都有显著的影响,从而为转子发动机喷油正时的优化提供了试验数据支持;随着喷射压力提高,喷雾贯穿距离和喷雾锥角都增大,并且增大喷射压力加强了燃油的初次雾化和二次雾化,有利于提高转子发动机喷雾质量,为优化柴油转子发动机油气混合状态创造了条件。     

高原环境柴油机喷嘴内部流场与缸内温度场的三维数值模拟

采用广安博之等准维模型,建立柴油机高原运行工作过程模型;通过环境模拟台架试验验证了模型的可信性。将准维计算结果作为喷嘴内部气液两相流动和缸内燃烧三维模拟的初始条件,就高原低压、低温、低氧条件对喷孔内燃油流动状态与分布、缸内燃烧过程的影响进行三维数值模拟。海拔3 700m计算结果表明:与平原环境相比,柴油机喷嘴内空穴现象加剧,燃油流动速度增加,喷孔出口燃油分布不均匀度增加;缸内燃烧平均温度比平原最多高出300℃且分布不均匀,燃烧室局部热负荷偏高。研究初步揭示了高原环境柴油机性能劣化机理,为通过优化缸内喷雾和燃烧过程改善高原运行发动机性能提供参考。