缸内直喷汽油机喷油及燃烧过程三维数值模拟

对某直喷汽油机部分负荷时的进气、喷油、混合气形成及燃烧过程进行了数值模拟。分析了喷油正时对混合气分布、燃烧性能及排放性能的影响。模拟结果显示,在喷油开始时刻为480°曲轴转角时混合气分布比较理想,达到了分层稀燃的目标。生成物NO的主要来源是参与燃烧的空气中的氮,NO的生成随温度的提高而急剧增加;炭烟生成的条件是高温和缺氧,局部较浓混合气相对缺氧导致炭烟生成。     

汽车污染排放物的测量

汽车排放的污染物主要是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)及炭烟等。在相同工况下汽油机排放的CO、HC和NOx的排放量比柴油机大，因此目前国家标准中对汽油机主要限制CO、HC和NOx的排放量。而柴油机由于其燃烧时混合气形成的时间非常短，在空气不足或混合气不均匀的情况下主要是产生炭烟污染，因此排放标准中主要限制柴油机排气的烟度。     

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。     

GDI发动机二次喷射策略对油耗和排放影响的试验研究

通过改变某款GDI汽油发动机二次喷射策略,在2800rpm,13.5bar工况下研究了二次喷射比例和喷油时刻对油耗、排放的影响。试验结果表明:适当的二次喷射策略有利于优化发动机经济性和排放;二次喷射的比例和喷油时刻影响混合气的形成,可燃混合气形成的优劣程度直接影响燃烧和排放中炭烟生成,可通过优化策略控制CO和HC排放;二次喷射影响缸内温度,温度升高NOx排放增大。     

喷油器参数对柴油机燃烧特性影响的数值模拟

应用三维CFD模拟软件FIRE,对1台135柴油机的喷雾与燃烧过程进行了数值模拟。通过缸内流场分析和浓度分析,研究了喷孔数、喷孔锥角对燃烧过程的影响及对NOx和炭烟生成的影响。结果表明,喷孔数和喷孔锥角影响燃油的喷雾质量和油气混合质量,进而影响燃烧过程和排放物的生成;CFD模拟计算对优化喷油器参数,从而改进燃烧系统具有指导意义。     

CNG缸内直喷发动机稀薄燃烧火焰传播过程影响因素的研究

在试验用单缸光学发动机上,采用可视化技术研究缸内CNG直喷稀薄燃烧过程中喷射方式和点火方式对火焰传播过程的影响,同时采用双喷油器、双火花塞,分析研究喷射时刻、喷射位置和点火时刻等参数对稀薄燃烧特性和NOx排放特性的影响。结果表明,在稀薄燃烧过程中,火花塞附近的混合气浓度梯度对火焰传播和燃烧稳定性影响很大;混合气浓度梯度越大,循环变动越小,燃烧更稳定,但NOx排放量也增加。可见,控制稀薄燃烧过程的关键是控制火花塞附近的混合气浓度梯度,而它又直接影响NOx的生成。     

NO2对柴油机微粒捕集器再生特性的影响机理

利用三维CFD软件建立了柴油机微粒捕集器(DPF)三维仿真模型,验证了模型的准确性。通过对NO2氧化炭烟微粒再生机理的DPF仿真计算,研究了炭烟浓度、NO2与NOx的比值、排气温度、空速及发动机负荷对NO2被动再生反应的影响。结果表明:排气中炭烟浓度越大,NO2转化率越高;NO2与NOx的比值越大去除的炭烟微粒越多;正常排气温度有利于NO2实现DPF再生;空速高时DPF再生效果不佳;发动机负荷越高,参与再生过程的NO2越多。     

喷油策略对柴油机燃烧噪声及排放影响的模拟研究

进行了通过优化高压共轨系统燃油喷射策略来改善缸内燃烧排放性能的研究,基于AVL Fire软件,针对1015柴油机开展了不同燃油喷射策略下的喷雾燃烧和排放的数值模拟,建立了数学模型并验证了模型的可靠性,分析了一次预喷的预喷时刻、预喷量、主喷提前角对燃烧噪声及排放的影响,揭示了各参数对燃烧噪声和NOx及炭烟生成的影响机理,为进一步优化预喷方案提供了理论依据。     

废气再循环系统故障的诊排绝招

正废气再循环装置(简称EGR),主要用于减少NOx的生成量、减少废气污染。因为NOx是在高温富氧的条件下生成的,引入废气再燃烧,可降低混合气的燃烧温度,可以抑制NOx的生成量。废气再循环装置通过EGR阀把少量的废气引入进气歧管与混合气混合,进入气缸燃烧。废气中几乎不含氧,是不可燃气体。这些气体与混合气混合使其可燃成份下降,降低了发动机燃烧时的温度,从而减少了NOx的生成量。     

4缸柴油机停缸仿真及试验研究

采用停缸技术对小型4缸柴油机的燃油消耗率和排放进行了仿真和试验研究。利用GT-Power建立模型并模拟了停缸位置对燃油消耗率的影响,结合传热损失等因素确定了试验停缸位置。在断油式停缸和断油断气式停缸模式下进行试验和燃烧分析。试验结果表明:停缸后缸内等容度降低;断油式停缸后燃油消耗率和NOx增大但炭烟减少;断油断气式停缸后部分试验点燃油消耗率降低,但NOx和炭烟排放增加。     

基于局部线性模型树的高压共轨柴油机排放模型

为研究面向闭环控制的柴油机在线排放模型,以1台高压共轨、涡轮增压中冷柴油机的转速、扭矩、空燃比、燃烧始点、燃烧重心、燃烧终点、最高燃烧温度、最大缸内压力等运转和燃烧的各项参数为基础,运用局部线性模型树对排放物HC,CO,CO2,NOx和烟度进行了仿真研究。研究结果表明,以转速、扭矩、空燃比为输入时,CO,CO2,NOx的仿真结果与试验值具有较好的一致性,以转速、扭矩、空燃比、燃烧重心为输入时,HC、烟度的仿真结果与试验值具有较好的一致性。各排放的期望响应与仿真输出的平均误差在10%以内,线性回归相关系数达到0.96以上。各个排放物的仿真过程单独进行时,可以得到较好的仿真效果。因此,局部线性模型树模型适用于高压共轨柴油机排放物的仿真。     

Flamelet combustion model for stratified EGR distribution in a diesel engine

Numerous research has been devoted to finding a method to simultaneously reduce NOx and soot emissions from diesel engines. In-cylinder EGR stratification is a technique that simultaneously reduces NOx and soot using a nonuniform EGR distribution in the combustion chamber. To study the potential of in-cylinder EGR stratification, a new combustion model is required that considers the non-uniform EGR distribution and the chemical kinetics. In this study, a new combustion model, the Flamelet for Stratified EGR (FSE) model, was developed to consider the non-uniform in-cylinder gas distribution based on chemical kinetics. The concept of the FSE model is based on using multiple flamelets with the multizone concept. To describe the non-uniform gas distribution, the combustion chamber is divided into several zones by oxygen concentration at the start of injection. Then, the flamelet equations are solved at the boundary of each zone. The final species mass fraction of each cell is calculated using linear interpolation between two results from the boundaries. In this paper, the FSE model was validated under in-cylinder EGR stratification conditions, and then, the potential of in-cylinder EGR stratification was studied by using the FSE model. The effect of in-cylinder EGR stratification was verified under various injection timing, engine speed, and road conditions with optimized engine geometries. The results shows simultaneous NOx and soot reductions under the stratified EGR condition.     

柴油机碳烟排放的数值模拟及试验研究

考虑碳烟粒子生成速率同时受控于涡团破碎速率和化学反应速率,提出一种输运控制率与碳烟氧化率混合控制模型进行碳烟计算,并用此模型对一台直喷式柴油机燃烧与排放生成过程进行了多维数值模拟。结果表明,计算模拟结果与试验测量结果吻合较好,且使用该模型能够预测柴油机研究样机的碳烟生成与氧化历程。     

Evaluation of low-temperature diesel combustion regimes with n-Heptane fuel in a constant-volume chamber

The concept of Low Temperature Combustion (LTC) has been advancing rapidly because it may reduce emissions of NOx and soot simultaneously. Various LTC regimes that yield specific emissions have been investigated by a great number of experiments. To accelerate the evaluation of the spray combustion characteristics of LTC, to identify the soot formation threshold in LTC, and to implement the LTC concept in real diesel engines, LTC is modeled and simulated. However, since the physics of LTC is rather complex, it has been a challenge to precisely compute LTC regimes by applying the available diesel combustion models and considering all spatial and temporal characteristics as well as local properties of LTC. In this paper, LTC regimes in a constant-volume chamber with n-Heptane fuel were simulated using the ECFM3Z model implemented in a commercial STAR-CD code. The simulations were performed for different ambient gas O₂ concentrations, ambient gas temperatures and injection pressures. The simulation results showed very good agreement with available experimental data, including similar trends in autoignition and flame evolution. In the selected range of ambient temperatures and O₂ concentrations, soot and NOx emissions were simultaneously reduced.     

点火位置对汽油转子发动机燃烧过程的影响

以点燃式汽油转子发动机为研究对象,建立了相应的湍流和燃烧模型,实现了发动机工作过程的三维动态模拟,并利用试验结果进行对比验证。在此模型基础上,模拟计算和分析了4种不同点火位置对缸内压力、温度、火焰传播及NO_x生成的影响。结果表明:点火位置选择在燃烧室中轴线上,与转子凹坑中心位置重合,能优化燃烧,获取较大的功率;在燃烧室后部点火时,燃烧初期火焰传播速度快,压力升高率大,但是受限于燃烧室后部燃料少,压力峰值不高,且NO_x的生成量偏高;在燃烧室前部点火时,在补燃期阶段燃烧速度最快,但是点燃后压力升高阶段的燃烧效率一般;点火位置位于燃烧中轴线两侧错位排布时,燃烧效率低下导致压力峰值最低,同时NO_x的生成量稍高;一定工况下,双点火位置的坐标分别为(10 mm,-56 mm,-37.2 mm)和(-10 mm,-56 mm,-37.2mm)时,该发动机能获得最大的功率且NO_x生成量较少。     

Investigation of soot formation in Diesel-GTL fuel blends under quiescent conditions

In this study, a visual investigation of sprays and flames is performed, and soot formation in Diesel-GTL fuel blends is studied in a specially designed quiescent constant-volume chamber under various ambient gas temperatures and O₂ concentrations. Similar to the case of soot formation during diesel fuel combustion, the sooting zone during the mixing-controlled combustion of Diesel-GTL blends is located in the leading portion of the jet boundaries. Auto-ignition delay and soot concentration decrease with an increase of GTL content in the fuel blend. Soot also decreases with lower O₂ concentration, higher injection pressure, and lower ambient gas temperature. The lack of soot formation at lower O₂ concentrations and lower temperatures suggests that Diesel-GTL fuel blends can be successfully utilized in low-temperature diesel combustion technologies that are currently being developed. Furthermore, this mixing controlled combustion method with Diesel-GTL blends can be used to modulate various engine operation parameters, and therefore to simultaneously reduce the formation of soot and NOx within a wide range of diesel engine loads.     

EGR柴油机瞬态性能优化研究

以降低瞬态过程烟度和NO_x排放为目标,在一台高压共轨电控重型柴油机上进行了EGR对柴油机恒转速增扭矩5s典型瞬态过程燃烧和排放性能影响的优化研究。结果表明:瞬态过程中固定EGR阀开度造成EGR率"超调"、烟度剧增;与"全程轨压"策略相比,"分段轨压"有利于改善小负荷工况的燃烧热氛围,提高瞬态起始负荷并耦合"分段轨压"可以有效降低瞬态过程烟度峰值;EGR阀的开闭对瞬态性能影响最大,瞬态过程1.5s关阀、4s开阀的策略可以实现较好的烟度和NO_x排放折中,消光烟度峰值为9.2%,NO_x峰值稍有增加但增幅不大。     

预混合氢气对柴油机燃烧和排放性能的影响

针对预混合氢气的柴油机,在AVL Fire软件上建立了计算模型,并与试验结果进行对比,验证模型的准确性。在此基础上改变了喷射策略,对发动机缸内工作过程及相应的燃烧和排放性能进行数值模拟和分析。研究结果表明：随着预混合氢气质量分数的增加,缸内压力和温度升高,NOx 排放恶化,Soot排放改善;随着预喷射油量和预喷间隔角的增加,NOx 质量分数升高,Soot质量分数降低;随着后喷射喷油量的增加,缸内压力和放热率稍微减小,NOx 和Soot质量分数降低;随着后喷间隔角的增加,缸内压力、放热率、NOx 和Soot排放均未发生明显变化。     

准均质充气压缩点火燃烧的模拟和试验研究

利用单区模型，结合详细化学反应动力学机理，模拟了DMM燃烧时的缸内压力和NO浓度及几种基团的浓度变化曲线；并将上述计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明该模拟能准确预测着火时间，并能合理预测缸内压力峰值和NO浓度变化趋势。利用该模型能指导优化发动机参数，更有效地组织发动机的燃烧过程。