缸内高压直喷天然气发动机燃烧过程数值研究

以直喷天然气发动机为研究对象,基于正庚烷-甲烷化学动力学机理对发动机的燃烧过程进行了三维数值模拟,并对NO_x,CO和炭烟的排放趋势进行了预测。结果表明:对于缩口燃烧室,随着燃烧室凹坑深度的减小和燃烧室喉口直径的增大,天然气扩散燃烧火焰的传播速度越快,指示热效率越高。在燃烧室总深度相当的情况下,直口燃烧室形成的气流运动对天然气扩散火焰传播的促进作用小于缩口燃烧室,且对于直口燃烧室,采用较小的凹坑深度和较大的喉口直径不利于天然气在前期预混燃烧阶段的火焰传播,从而导致指示热效率的降低。采用缩口设计,减小燃烧室凹坑总深度和增大燃烧室凹坑的直径会导致NO_x排放的增加,但有利于CO和炭烟的控制。因此,对于高压直喷天然气发动机,采用缩口燃烧室设计有利于热效率和排放的兼顾,但是需要各个燃烧室尺寸的合理配合。     

喷孔数调控活性分层对乙醇-柴油双燃料燃烧的影响

基于1台自然吸气的单缸柴油机,结合缸内三维燃烧仿真计算,研究了不同直喷正时、不同预混比例条件下,直喷喷油器的喷孔数对乙醇-柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明,优化直喷喷油器的喷孔数,能影响直喷柴油的缸内分布,调控乙醇-柴油双燃料发动机燃烧过程。减少喷孔数,可以有效降低缸内高活性柴油的分布区域,减少初始着火的位置,从而降低缸内最高燃烧压力和压力升高率,并且可以在炭烟排放保持较低水平的基础上,降低氮氧化物(NO_x)排放。随着乙醇预混比例的增大,喷孔数对燃烧和排放的影响先增大后减小。随着喷油提前角的增大,由于直喷燃油在缸内混合较为均匀,喷孔数的影响作用逐渐减小。     

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。     

柴油机燃用生物柴油低温燃烧性能的仿真研究

采用GT-Power软件模拟分析了不同EGR率和喷油正时对柴油机燃用生物柴油低温燃烧性能的影响。研究表明:随着EGR率的增加,最高燃烧压力下降,缸内最高平均温度逐渐升高,燃烧相位后移,有效燃油消耗率增加,热效率降低,NO_x排放大幅度降低,炭烟排放、CO排放和THC排放都升高。在相同的EGR率下,随着喷油正时的延迟,最高燃烧压力和缸内平均燃烧温度降低,燃烧放热相位后移,燃油消耗率先减小后增加,热效率先升高后降低,NO_x排放降低,炭烟排放先升高后降低,CO排放和THC排放同时升高。通过调节EGR率和喷油正时可同时使NO_x排放和炭烟排放低于原机,但是会导致燃油消耗率和热效率大幅度恶化,且CO和THC排放升高。     

多次喷射对柴油机燃烧与排放影响的试验研究

基于1台高压共轨涡轮增压柴油机,采用不同的预喷正时、预喷油量与后喷正时等,研究了多次喷射对燃烧放热、排放生成与燃油经济性的影响,以实现均质压燃和低温燃烧过程。研究结果表明:随预喷正时提前,缸内峰值压力降低,主燃阶段的滞燃期缩短,NOx和炭烟排放均降低;随预喷油量增加,预喷阶段燃烧的放热率和最大压力升高率增大,NOx和HC排放增大,而PM和CO排放降低;随后喷始点推迟,缸内压力与主放热率峰值差异变小,NOx排放降低,但炭烟排放先增大后逐渐降低。     

柴油-天然气双燃料发动机模拟计算

用GT-Power和AVL-Fire建立柴油-天然气双燃料发动机燃烧过程的一维模型和燃烧室三维模型,并对模型进行拟合,从一维模型中观察缸内压力、最大压力值位置、最大压力升高率和功率,从三维模型中观察燃烧因子、NOX、Soot、CO和CH_4的变化情况,仿真发现:气缸最大压力值为15.92MPa,最大压力值位置723.4℃CA,最大压力升高率0.75MPa/°CA;随着燃烧因子增加,缸内温度增大,在燃烧点附近产生CO、NO_X、Soot开始增加;当燃烧因子减小时,缸内高温继续扩散,充满燃烧室大部分空间,CO、NOX、Soot均出现先增加后减小的变化;CH_4先均匀充满整个燃烧室,在喷油开始时刻,燃烧室喷油点处的CH_4浓度最大,随着燃烧的进行,CH_4浓度减小,当燃烧结束后,燃烧室边沿浓度较高。     

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%。     

CO2缸内喷射对直喷柴油机燃烧排放特性的影响

在一台单缸直喷柴油机上用CO2喷射来模拟EGR,研究了CO2缸内喷射始点和喷射量对直喷柴油机燃烧和排放的影响.结果表明:CO2喷射始点提前时,燃烧始点推迟,NOx排放降低.与外部EGR类似,增大缸内CO2喷射量,也可明显降低NOx排放;但是碳烟排放先增大后减小.     

VNT和EGR耦合对柴油机性能及排放特性影响的试验研究

针对VNT-EGR技术在国六柴油机上的应用,研究了VNT与EGR耦合对柴油机经济性和排放特性的影响规律。通过VNT与EGR开度的正交试验,并结合喷油参数进行与柴油机的优化匹配。研究结果表明:VNT增压器与EGR同时工作时,EGR开度增加导致可利用的排气能量降低,增压器的效率向低效率区域移动,减小VNT开度可改善这一现象;相同EGR开度下,减小VNT开度可以提高柴油机的空燃比,在炭烟排放水平相同的条件下,可以实现更大的EGR率,进一步降低NO_x比排放,炭烟与NO_x的总体排放水平有所降低,燃油消耗率随VNT开度的减小呈先降低后升高的趋势,是泵气损失与缸内燃烧状况共同作用的结果;VNT与EGR开度的正交优化大幅度降低了NO_x比排放,烟度与油耗有所上升,但低速大负荷的经济性会有所改善,配合喷油参数优化,可以在满足NO_x原排的条件下,经济性最优。     

丁醇-柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性试验研究

为了深入研究丁醇同分异构体在双燃料发动机上燃烧和排放的差异,基于1台重型6缸涡轮增压柴油机,在转速1 500 r/min、缸内循环总能量1 280 J/cycle工况下,针对正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料的燃烧和排放特性进行了试验研究。研究结果表明:随着柴油喷射定时的提前,正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的最大缸内压力相位、放热率峰值相位和θ_(CA10)提前,最大缸内压力、缸内最高平均温度和燃烧持续期增加,放热率峰值和最大压力升高率先增大后减小,HC,CO和颗粒物排放降低,而NO_x排放先增加后减少。在相同的柴油喷射定时和丁醇替代比条件下,相比于正丁醇-柴油双燃料燃烧,异丁醇-柴油双燃料燃烧的θ_(CA10),θ_(CA50)和θ_(CA90)均提前,滞燃期和燃烧持续期变短,最大缸内压力、放热率峰值和最大压力升高率降低,HC和NO_x排放较高,而CO和颗粒物排放较低。     

进气道预混天然气对生物柴油发动机燃烧与排放性能的影响

在1台QCH 1105单缸柴油机上,试验研究了进气道预混天然气对生物柴油发动机燃烧与排放性能的影响。结果表明:随着天然气预混比例的升高,生物柴油发动机最大燃烧压力减小,燃烧相位推迟,缸内平均温度略有下降,NOx排放明显降低;预混天然气时,大负荷工况下燃油消耗率有所下降,HC和CO排放有所增加,炭烟排放随着天然气预混率的升高大幅降低。可见,进气道预混天然气对改善生物柴油发动机的经济性和排放性具有良好的潜力。     

喷孔布置对缸内油气混合与燃烧过程的影响

基于YD4A75—C3电控共轨柴油机,结合Bosch公司提出的第四代共轴向可变喷嘴共轨喷射系统的概念,应用商用CFD软件Fire研究喷孔交错布置及两层布置对缸内燃油分布及燃烧过程的影响。研究结果表明:适当地采用双层、交错排列的喷孔,可以扩大燃油的空间分布范围,改善燃油与空气的混合质量,使缸内燃烧更加充分;NO排放量增多,但炭烟的排放量显著减少。     

正庚烷掺烧甲醇时炭烟和PAHs生成的数值模拟

利用Chemkin—Pro软件中的均质压燃模型,采用正庚烷详细化学动力学机理和炭烟生成氧化机理,模拟了甲醇对正庚烷燃烧时炭烟生成的影响。模拟结果表明:随着甲醇含量的增加,炭烟生成量减少,炭烟颗粒直径变小;掺入少量甲醇时,炭烟颗粒平均直径明显变小;当含甲醇量达到15%时,平均颗粒直径稍有变小;正庚烷中加入甲醇后,燃料中含氧量增加,有更多的炭烟气态前驱物和PAH被氧化,从而抑制了炭烟的生成。     

直喷柴油机“双壁面射流”燃烧系统的设计与试验研究

基于喷束壁面引导、分层技术和空间分散的思想,设计了一种新型的柴油机燃烧系统——"双壁面射流"燃烧系统,提出了"双壁面射流"燃烧系统的设计原则和燃烧方法,并进行了试验研究。试验结果表明:柴油机采用新型燃烧系统后,气缸压力和NOx排放降低,扭矩点的缸压峰值由原机的13.0 MPa降低到10.7 MPa,标定点的缸压峰值由原机的12.5 MPa降低到10.1 MPa;扭矩点的NOx排放体积分数由原机的731×10-6降低到487×10-6,标定点的NOx排放体积分数由原机的516×10-6降低到369×10-6;在燃油消耗率与原机相当的情况下,烟度仅恶化0.2~0.3 BSU。     

EGR对正丁醇-柴油混合燃料燃烧和排放的影响

依据发动机台架试验数据,利用 Fire 软件建立计算模型,并验证了模型的准确性,研究了不同比例的正丁醇‐柴油混合燃料在不同 EGR 率下的燃烧和排放特性。研究结果表明：通过向柴油中掺混正丁醇可以加快燃烧速率,改善 EGR 对燃烧过程带来的负面影响;采用较高的 EGR 率,可以抑制 NO x 的生成,但混合燃料携氧燃烧,对 NO x 的生成有促进作用,但总体来说 NO x 的最终生成略有降低;Soot 的最终生成量随着 EGR 率的增大而增加,通过添加含氧燃料可以有效地降低 Soot 的最终生成。     

加载停滞时间对柴油机瞬态性能的影响

为了改善柴油机瞬态加载过程中燃烧与排放性能恶化的问题,在一台增压中冷柴油机上,利用瞬态测控系统,试验研究了先快后慢的多段加载策略,探索不同的加载停滞时间对柴油机θCA10,θCA50,烟度和CO,NOx等排放物的影响规律。试验结果表明:与匀速加载策略相比,加载停滞时间越长,排放性能越好,烟度和CO峰值最大分别降低20.8%和38.32%,但NOx略有增加;在第二段加载过程中θCA10和θCA50延后程度降低;加载过程后期缸内空燃比下降趋势更加缓和。     

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。     

富氧燃烧发动机缸内过程试验研究

提出汽油发动机富氧燃烧技术,在单缸化油器式汽油机上进行富氧燃烧试验。利用燃烧分析仪对相同负荷状态下不同氧气浓度富氧燃烧时发动机的燃烧特性进行分析。当进入气缸助燃的空气中氧气浓度增加到24%时,气缸的最大压力升高15%,最大压力发生时刻提前,燃油放热增加,开始放热时刻提前,燃烧过程的循环变动量降低,燃烧稳定性提高。同时利用尾气分析仪对怠速状态下不同氧气浓度富氧燃烧发动机的尾气进行监测,检查发动机排放的变化。试验结果表明,富氧燃烧发动机尾气中HC和CO浓度大大降低,NOX浓度升高。