掺氢天然气HCCI发动机燃烧特性数值模拟研究

为了研究不同运转参数对掺氢天然气均质压燃（HCCI）发动机的燃烧特性影响,基于Chemkin模拟软件,结合GRI-Mech3.0化学反应动力学机理,建立了HCCI 发动机的数值模型。数值模拟了掺氢天然气HCCI发动机在掺氢体积比为5%时不同运转参数下的燃烧特性,主要包括对发动机燃烧过程中缸内压力、温度、燃烧放热率和NO_x排放的影响。结果表明,在掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中,转速变化对缸内温度、压力和燃烧放热率的影响不大,但NO_x排放随转速增大而减小;缸内温度、压力、燃烧放热率及NO_x排放随过量空气系数增大而降低;缸内压力、燃烧放热率及NO_x排放随进气压力增大而提高,进气压力对缸内温度影响较小;缸内温度、压力、燃烧放热率及NO_x排放随进气温度增大而提高。为实际改善掺氢天然气HCCI发动机的燃烧动力性、经济性和减少排放提供了理论依据。     

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。     

高低压EGR对增压天然气发动机燃烧与排放的影响

通过台架试验对一台增压天然气发动机分别采用高压废气再循环(EGR)和高低压废气再循环系统时发动机的燃烧与排放特性进行了试验研究,并结合数值模拟方法对发动机的能量平衡进行了定量分析,探究不同EGR引入系统对天然气发动机经济性的影响.发动机台架试验结果表明:与高压EGR相比,发动机采用高低压EGR系统时,火焰发展期和快速燃烧期缩短,燃烧相位提前,缸内最高燃烧压力和最大瞬时放热率增加;HC和CO排放降低,NO x排放增加;燃气消耗率下降4.5％ ～9.3％.发动机能量平衡分析结果表明:发动机采用高低压EGR系统时摩擦损失增加,泵气损失、传热损失和排气能量损失减少,其中,排气能量损失的减少幅度最大.     

气相射流点火天然气发动机的燃烧及排放特性

射流点火是实现稳定的稀薄燃烧,大幅度提升发动机热效率的有效技术途径。该文利用设计的一种射流点火器,对气相射流点火(GJI)的燃烧开展研究,揭示了主动式射流点火(射流室内有补充燃料)和被动式射流点火(射流室内无补充燃料)的燃烧和排放特性。结果表明:相比于被动式射流点火,主动式射流点火将过量空气系数拓展至2.0,热效率提升1.5%;进一步引入废气再循环(EGR)后,热效率提升至44.5%。主动式射流点火时,最高热效率点NOx排放较被动式射流点火下降低66%,THC及CO排放的增加使燃烧效率降低3%;引入EGR后,NOx进一步降低79%,燃烧效率保持稳定在96%。     

天然气/柴油双燃料发动机燃烧特性的研究

对天然气 /柴油双燃料发动机燃用纯柴油和天然气时的燃烧特性进行了对比分析。结果表明 ,双燃料发动机的燃烧具有一些独有的特点。根据双燃料发动机的燃烧特性 ,对改善双燃料发动机燃用纯柴油和天然气时的性能提出了几点建议。     

非对称双流道涡轮增压发动机的数值模拟

利用GT-SUITE软件建立了双流道涡轮的物理模型,结合试验数据验证了模型的计算精度。基于该模型对非对称双流道涡轮增压器的性能、匹配方法和非稳态特性进行了计算分析。研究结果表明:在相同EGR率条件下,非对称双流道涡轮增压器比对称双流道涡轮增压器具有更低的泵气损失和有效燃气消耗率;匹配大流通能力和小非对称度的增压器可进一步降低泵气损失;非对称双流道涡轮增压器在瞬态条件下的平均效率低于稳态。     

富氧进气汽油发动机的燃烧和排放特性

通过进气氧体积分数分别为21％、23％和25％,实现了汽油发动机富氧燃烧.研究了在不同氧体积分数下汽油发动机的缸压、瞬时放热率和循环波动率变化的燃烧特性以及THC、CO、NOx的排放特性.研究结果表明:随着氧体积分数的增加,气缸压力增加,最大缸压相位提前,压力升高率增大,瞬时放热率增加,放热峰值相位提前,缸内循环波动率明显减小,发动机燃烧稳定性增加;同时THC、CO排放降低,但是NOx排放增加,排气温度呈上升趋势.因此,提高富氧浓度在改善发动机燃烧与排放特性中具有重要作用和应用潜力.     

氩氧氛围下天然气发动机的燃烧特性研究

为提高内燃机热效率,将发动机进气由空气替换为氩氧混合气,试验研究了过量氧气系数、氩气比例、点火正时对发动机指示热效率、平均指示压力(IMEP)及燃烧循环变动的影响.试验结果表明:在过量氧气系数为1时,直接用79％氩气比例的氩氧混合气代替空气可使发动机的指示热效率从36.9％提高到43.0％,平均指示压力从0.81 MP...     

汽油机富氧燃烧特性试验研究

在1台4G18汽油机上进行富氧燃烧试验,进气中O2体积分数分别为21%,23%和25%,研究了不同富氧燃烧条件下的缸内压力、瞬时放热率及THC,CO和NOx排放.研究结果表明:在汽油机中低负荷典型工况下,随着进气中O2体积分数的增加,燃烧与排放均有改善,燃烧相位提前,缸内压力峰值和瞬时放热率峰值均增大,THC,CO排放...     

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。     

燃烧室形状对天然气发动机燃烧影响的研究

采用试验及三维数值模拟的方法,研究了圆柱、缩口和敞口等燃烧室形状对CA6SE1—21N天然气发动机燃烧性能的影响规律。验证结果表明:天然气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,所选模型适合对天然气发动机进行模拟分析。试验和模拟结果均表明燃烧室形状对火焰传播速度影响较大。在3种燃烧室形状中,缩口燃烧室所对应发动机的燃烧及排放性能最好,圆柱形燃烧室次之,而敞口形燃烧室最差。缩口燃烧室的缩口设计使得该处形成较强的挤流,湍流动能增加且维持期较长,火焰传播速度明显提高,改善了发动机的燃烧及排放性能。     

基于拟序火焰模型的柴油机燃烧过程数值模拟

在分析经典的涡耗散概念燃烧模型(Eddy Dissipation Concept Model)的基础上,着重介绍了3区拟序火焰模型(3 Zones Extended Coherent Flame Model,ECFM-3Z)机理,并对一台直喷式柴油机的单缸燃烧过程进行了数值模拟。通过模拟计算与试验结果的对比分析发现,计算所得的缸内压力、燃烧放热速率和排放生成物与试验结果吻合良好,表明所应用的燃烧模型更能真实地反映柴油机燃烧过程,并能较准确地预测排放物的生成。     

废气再循环对天然气发动机性能影响研究

利用1台增压中冷天然气发动机,在2 840 r/min,75%和50%负荷、过量空气系数a为1.1~1.3稀混合气条件下研究了EGR对天然气发动机性能影响。结果表明:不同负荷和a下,随着EGR增加,NOx排放迅速降低,与单纯采用空气稀释相比,稀混合气加EGR联合稀释的方式更具降低NOx排放的潜力,75%负荷、a=1.3发动机达到稳定运行界限时(循环变动系数为10%)NOx排放降低到0.3 g/(kW.h),而单纯采用空气稀释时只能降低到1.92 g/(kW.h);当EGR率小于10%时,随着EGR增加,HC和CO排放缓慢增加,有效热效率缓慢下降,当EGR率超过10%后,HC,CO排放增加和有效热效率下降的速度都加快。小负荷时产生的NOx排放较少,且达到相同NOx排放目标值时所需的EGR量也较少,但是会产生较高的HC和CO排放及较低的热效率。     

不同EGR率对高密度-低温柴油机燃烧的数值模拟

以4100柴油发动机为研究对象,用fire软件模拟分析不同EGR对高密度一低温柴油机燃烧和性能的影响。结果表明,应用EGR能有效降低NOx的排放,但同时发动机的烟度排放会有一定幅度的上升：EGR率的增加会给柴油机的动力性、燃油消耗率、烟度的排放带来不同程度的负面影响,使柴油机的最大爆发压力及放热率峰值下降。     

混合气浓度对CNG发动机性能影响试验研究

在CA4102增压中冷电控多点喷射单燃料天然气发动机上进行了不同混合气浓度对发动机性能影响的试验。试验结果表明:当过量空气系数(a)从1.1变化到1.54时,小负荷工况下发动机的最大燃烧压力变化不大,大负荷时发动机的最大燃烧压力降低,放热率峰值降低,燃烧速度变慢,燃烧滞后。随a的增大,CO排放先减少后缓慢增加;NOx排放减少,在a=1.5时,NOx排放接近于0;a较小时HC排放基本没有变化,在a>1.5时,HC排放急剧上升。燃气消耗率随a的增大呈现增加的趋势,当a>1.4以后增加显著。     

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。     

富氧下EGR对增压中冷CNG发动机性能的影响

为了解富氧下EGR的效果,选取最经济的过量空气系数1.1的工况,进行了不同EGR率下发动机燃烧、排放和燃料经济性的试验。结果表明:小负荷时低EGR率可促进燃烧,大负荷低EGR率时缸内燃烧压力、放热率峰值变化不大,当EGR率大于5%后,燃烧过程后移;随着EGR率的增加,CO基本保持不变,HC排放小负荷时呈上升趋势,大负荷时呈下降趋势,NOx排放量迅速减少,但燃料经济性也下降。     

氢燃料发动机三维数值模拟研究

通过CFD软件STAR-CD建立了缸外预混合氢燃料发动机三维模拟仿真模型。对比氢燃料发动机与汽油发动机的性能发现,氢燃料发动机具有易点燃、火焰传播速度快、峰值压力及峰值温度高等特点。但氢气密度低,与空气形成的混合气单位体积的热值低,导致采用缸外预混合方式的氢燃料发动机比汽油机功率低15%左右。研究了过量空气系数和点火提前角对氢燃料发动机性能及NOx排放的影响,为提高氢燃料发动机的动力性能和排放性能提供依据。     

电喷天然气发动机空燃比闭环控制及仿真研究

建立了用于控制仿真分析的天然气发动机动态模型 ;利用所建立的动态模型 ,进行了天然气发动机空燃比控制的动态仿真 ,分别采用PID控制器和神经网络控制器进行控制 ,并对控制效果进行了研究 ,比较分析了不同的控制策略在空燃比控制系统中的作用。