换气与压缩过程对汽油机燃烧特性的影响研究

针对增压气道喷射汽油机进行了发动机换气与压缩过程对燃烧特性的影响研究,对比了两种状态下的气门升程与配气正时,基于发动机试验台架测试数据,重点分析了发动机动力性、经济性和燃烧特性。试验数据表明了配气相位的改变对燃烧有较大的影响,可使燃烧效率大幅度提高,爆震倾向减小。同时基于AVL-fire软件进行发动机进气与压缩过程三维CFD分析,分析结果表明:对燃烧特性的影响不能仅靠瞬态滚流比和缸内平均湍动能进行判断,真正影响燃烧的是火花塞附近湍动能的变化,即发动机换气与压缩过程对燃烧特性的影响来自压缩上止点火花塞附近的湍动能。     

基于缸内流动喷雾燃烧CFD仿真的直喷汽油机燃烧系统优化设计

对一款1.0L三缸增压直喷汽油机,建立了燃烧系统CFD仿真模型,并详细描述了换气、喷油器喷雾特性等边界条件的设置。分析了其额定功率点下的缸内瞬态流动、喷雾、混合气形成以及燃烧过程。原设计状态下,点火前缸内湍动能分布以及燃油浓度分布不够合理,火焰传播不对称,存在爆震风险。通过优化设计进气道及活塞冠面,缸内滚流运动及点火前湍动能提升,燃油浓度分布改善,燃烧速度加快约3°CA,同时由于omega涡流降低,排气侧湍动能改善,火焰均匀传播到气缸四周。最终的设计方案下,滚流、湍动能、火花塞周围流场、湿壁、燃油浓度分布以及火焰传播均能满足工程目标。在随后的单缸光学可视化发动机试验中,各工况下的混合气形成、湿壁及燃烧均能满足要求。     

天然气发动机缸内湍流流动的CFD研究

提出了一种新的压燃式天然气发动机燃烧系统,采用CFD软件对不同燃烧室几何参数下的缸内湍流场进行了模拟计算。结果表明,通道直径从8 mm增加到14 mm时,燃烧室内湍动能有所减少,但湍动能分布变得更加均匀,且副室中心区域的湍动能增加;通道倾角从40°增大到60°时,副室内中心区域的湍动能增加;此外,通道位置和副燃烧室形状对湍流运动也有一定的影响。     

活塞形状对点燃式天然气发动机性能的影响

结合天然气发动机的性能优化,在一定压缩比下,设计了两种不同形状的燃烧室,对缸内气体流动及燃烧过程进行了数值模拟,并在台架上进行了试验验证。模拟得出了不同结构燃烧室的湍动能、火焰前锋面位置、燃烧放热率等,结果表明,中心凹陷燃烧室效果较好,与中心凸起燃烧室相比,产生的湍流强度较大,燃烧速度更快,克服了天然气燃烧速度慢的缺点,因此动力性和经济性较好,然而NO排放量也较大。     

进气滚流强度对直喷发动机燃烧特性的影响

以光学单缸直喷汽油发动机作为试验平台,通过在进气法兰处安装不同的滚流导流板调节进气截面积来获得不同强度的滚流气流。利用Converge软件对缸内滚流强度和湍动能进行评估,采用高速彩色相机拍摄不同滚流强度下火焰状态随曲轴转角的变化,同时采用燃烧分析仪采集缸压数据。通过图像处理分离蓝色火焰和黄色火焰,其中,蓝光被认为主要来自火焰中CH释放的化学荧光,而黄光被认为主要来自炭烟颗粒的辐射。试验发现:随着滚流强度的提高,蓝色火焰面积增加,缸内燃烧速率得以提升,缸内平均指示有效压力增强,相关性分析表明,蓝色火焰面积和燃烧放热率有很好的正相关性。同时,黄色火焰随滚流强度增加而减少,表明炭烟生成量降低。此外,燃烧的循环波动也随滚流强度的增加而降低。     

点燃式NG发动机燃烧系统优化研究

在开发某款天然气发动机的过程中,发动机出现了进气回火、排气放炮等性能不稳定现象。借助CFD软件模拟缸内流动与燃烧,对燃烧室进行了优化设计,对比了新旧两种燃烧室内混合气燃烧和流动情况,分析造成两种燃烧室内燃烧差异的原因。通过分析对比湍动能、火焰传播与形成过程的差异诠释了原燃烧室产生回火放炮的原因。新开发的燃烧室不仅有效解决了进气回火、排气放炮问题,还使发动机的扭矩、功率比原来有所提高,同时燃料消耗率显著降低。     

进气道对火花点火发动机性能影响的试验研究

提高火花点火发动机缸内空气运动的滚流与涡流强度，可以增加燃烧室中的湍流强度，加快火焰传播速度和燃烧速率，从而改善燃烧过程，提高发动机的动力性，通过对2气门TJ376Q汽油发动机进行试验，设计了新型进气道，稳流试验台检测表明，所设计的新气道涡流比，滚流比和流量系数比原气道都有较大提高，进气系统的流动特性得到改善，提高了发动机的最大扭矩和最大功率输出。     

四气门汽油机进气阶段缸内流场研究

基于一台四气门汽油机对其进气阶段缸内流场进行研究。通过逆向建模建立发动机流体域CAD模型,将其保存为STL格式导入到CONVERGE中进行面网格的处理,之后进行计算参数的设置并计算。文章采用RNG k-ε模型作为缸内流场和湍流过程的数学模型。计算完成后进行可视化后处理,得到了缸内流场和湍动能的分布情况。分析之后得出结论:高速进气射流是缸内湍流的主要来源,高速进气射流对流场的形成起了决定性作用,缸内流场中高湍动能区位置合理,有利于增加火焰传播速度,提高燃烧稳定性。     

滚流对火花点火式发动机性能的影响

火花点火发动机气缸内空气运动的滚流与涡流一样，都可以增加燃烧室中的湍流强度，提高火焰传播速度和燃烧速率，从而改善燃烧过程，提高发动机的动力性能。本文详细介绍了滚流形成机理和影响滚流的气道参数。对2气门TJ376Q发动机的试验结果表明：新进气道的设计提高了缸内空气运动的滚流强度和流量系数，通过进气系统的优化，可以增加发动机最大转矩和最大功率输出，试验在电控燃油喷射下精确控制燃油，降低了最低燃油消耗率。     

米勒循环对增压直喷汽油机燃烧性能影响的模拟研究

米勒循环通过改变配气策略实现膨胀比大于实际压缩比的效果,从而提高发动机的热效率并降低燃油消耗率,因此被认为是改善小型GDI发动机燃油经济性的重要途径之一.然而,关于米勒循环对汽油机燃烧性能影响的微观机制并不明确,因此利用一维仿真软件GT-POWER和三维CFD软件CONVERGE,针对不同米勒循环策略对GDI发动机的进气以及缸内燃烧过程的影响进行了数值模拟研究.结果表明:在中低转速时,进气门早关策略在改善发动机燃油经济性方面要优于进气门晚关策略,同时不会对扭矩造成太大的负面影响;而进气门晚关能够显著提高燃烧过程中的缸内湍动能,增强油气混合过程.此外,在着火后,进气门晚关的缸内整体温度比进气门早关的低,同时高温区域较小,因此在抑制发动机爆震方面的能力要优于进气门早关策略.     

进气预热对柴油机起动过程动力性能影响的试验分析

为了改善某柴油机的起动特性,自行设计了柴油机进气火焰预热系统。利用基于时间的瞬时数据采集系统,测量了瞬时转速和缸内燃烧压力的变化规律,对不进气预热和进气预热条件下柴油机的起动特性进行了试验研究。试验结果表明:采用进气预热系统后,进气温度升高了18.5℃,柴油机起动过程中转速升高率增大,起动时间明显缩短;输出扭矩增大且波动明显减小;各个循环的最大燃烧压力升高且波动减小,燃油的着火滞燃期明显缩短,其着火过程中发生后燃、循环失火的概率明显减小,燃烧过程进行得更加充分,极大地改善了柴油机的起动性能。     

Flame propagation model for a rotary Atkinson cycle SI engine

The rotary Atkinson cycle engine includes two modes of combustion: combustion initiation and propagation in ignition chamber and then flame jet entrainment and propagation in expansion chamber. The turbulent flame propagation model is a predictive model for SI engines which could be developed for this type of combustion for the rotary Atkinson engine similar to the congenital engine with pre-chamber; in split combustion chamber SI engines, small amount of fuel is burned in pre-chamber while the fuel burned in ignition chamber of rotary Atkinson cycle is considerable. In this study a mathematical modeling of spherical flame propagation inside ignition chamber and new combined conical flame and spherical flame propagation model of a new two-stroke Atkinson cycle SI engine will be presented. The mathematical modeling is carried out using two-zone combustion analysis and the model also is validated against experimental tests and compared with previous study using non-predictive Weibe function model.     

基于负阀重叠EGR策略的HCNG发动机仿真

为降低HCNG发动机NOx排放,采用负阀重叠EGR策略,利用AVL-Fire软件对HCNG发动机不同进气门开启角(θIVO)下的进气过程和燃烧过程进行了三维仿真计算,对比分析了采用负阀重叠前后发动机缸内EGR分布和燃烧过程。仿真结果表明:负阀重叠EGR策略下,排气门关闭角(θEVC)固定为340°曲轴转角不变,当θIVO为380°曲轴转角时,既可避免发生回火又能保证一定的进气量及充气效率;采用负阀重叠后,在压缩冲程后期,缸内EGR率呈梯度分布(靠近火花塞位置EGR率较低),更有利于着火及火焰传播;采用负阀重叠可降低缸内最高燃烧压力及最高温度,但会减少进入气缸的新鲜工质,降低发动机功率;通过负阀重叠实现内部EGR可降低NOx排放,但会导致着火困难,燃烧速度变慢;提高点火能量可缩短着火落后期和燃烧持续期,加快燃烧速度。     

气缸壁涂加催化剂对均质压燃发动机燃烧特性的影响

通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对气缸壁涂有催化剂的HCCI燃烧过程进行了数值计算。对比分析了缸内催化燃烧对HCCI发动机的着火时刻及NOx排放的影响;讨论了当气缸壁涂有催化剂时进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数及催化剂种类等多种工况参数对HCCI燃烧特性的影响。     

点燃式CNG发动机燃烧过程研究

利用混合气形成和燃烧三维模型建立了针对CA6SE1—21N增压点燃式CNG发动机的数值模拟研究平台,并对模型进行了试验验证,同时研究了该发动机混合气形成和燃烧的缸内微观变化历程。验证结果表明,CNG发动机混合气形成及燃烧过程的数值模拟结果和试验结果吻合较好,所选模型适合对CNG发动机进行模拟分析。模拟结果表明,缸内混合气形成可分为大幅度掺混和弱流动混合两个阶段;采用螺旋进气道与平缸盖时,在压缩后期逐渐形成强涡流、低滚流的刚性涡;点火时刻缸内混合气呈上稀下浓的分布,不利于提高点火稳定性和火焰传播速度。     

Experiments on knocking and abnormal combustion through optical diagnostics in a boosted spark ignition port fuel injection engine

In this paper, flame front propagation during normal and abnormal combustion was investigated. Cycle-resolved flame emission imaging was applied in the combustion chamber of a port fuel injection-boosted spark ignition engine. The engine was fueled with a mixture of 90% iso-octane and 10% n-heptane by volume (Primary Reference Fuel 90: PRF90) and commercial gasoline. The combustion process was monitored from the flame kernel formation until the exhaust valves opened. Different phenomena associated with abnormal combustion were analyzed, including the fuel deposition burning. Moreover, the ignition surfaces and end-gas auto-ignitions were investigated in terms of timing, location and frequency of occurrence. The analysis was performed by considering different knocking intensities for both the selected fuels.     

Knock in dual-fuel diesel combustion with an E85 ethanol/gasoline blend by multi-dimensional simulation

In this paper, knocking combustion in dual-fuel diesel engine is modeled and investigated using the CFD code coupled with detailed chemical kinetics. The ethanol/gasoline blend E85 is used as the primary fuel in a dual-fuel combustion concept based on a light-duty diesel engine equipped with a common-rail injection system. The E85 blend is injected and well mixed with intake air in the intake manifold and is ignited by the direct injection diesel fuel. A 46-species, 187-reaction Multicomponent mechanism is adopted to model the auto-ignition process of the E85/air/diesel mixture ahead of the flame front. Based on the model validation, knocking combustion under boost and full load operating condition for 0 %, 20 %, 50 %, as well as 70 % E85 substitute energy is simulated. The effects of E85 substitute rate and two stage injection strategies on knock intensity, power output, as well as location of the auto-ignition initiation is clearly reproduced by the model. The calculation result shows that, for a high E85 rate of 50 % and 70 % with single injection strategies, the most serious knock and the origin of auto-ignition always occurs far away from where the flame of diesel spray is first generated, at the center of combustion chamber, due to higher pressure wave, relatively richer E85 mixture and longer distances of flame propagation. The two stage injection strategies with a small amount of diesel pilot injection ahead of the main injection primarily influence the ignition behavior of the directly injected fuel, leads to a lower pressure rise rate and a reduced propagation distance, both of which contribute to the attenuation of knock intensity for a higher E85 rate.     

用光学可视化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃烧特征

应用直接图像法对乙醇柴油的燃烧过程进行研究。在一台单缸直接喷射式柴油机上,建立了直接图像法拍摄燃烧火焰图像的光学系统,对15%乙醇柴油、15%乙醇柴油加十六烷值改进剂、纯柴油在同一转速下的燃烧过程进行可视化研究。对火焰照片分析表明:柴油中加入乙醇后,无论是否恢复其十六烷值,其着火滞燃期都延长了,燃烧持续期缩短,火焰辉度减弱。在乙醇柴油中加入十六烷值改进剂后,着火滞燃期相对提前,燃烧持续期和火焰辉度增加,但仍然没有达到柴油机水平,这说明十六烷值改进剂有利于改善乙醇柴油的燃烧性能。通过温度场分析发现:乙醇柴油的缸内平均温度峰值要比纯柴油低很多,而且乙醇柴油燃烧时平均温度上升相当平缓。     

Mixture formation of direct gasoline injection engine:: in-cylinder gas sampling using fast flame ionization detector

Local mixture concentration near the spark plug of a direct gasoline injection engine was observed by a fast flame ionization detector. To ensure combustion stability in DISC (Direct Injection Stratified Charge) operation using conventional lean burn intake ports, the swirl ratio and the piston configuration were optimized. Swirl is needed to retain well-vaporized and stable mixture near the spark plug, especially under light load. Also, adequate volume in the piston cavity is required for trapping curved fuel spray. Measurement with a fast flame ionization detector was very effective for understanding the mixture features on DISC operation.