基于内窥可视化的大排量柴油机燃烧特性

采用内窥可视化技术,探讨了不同发动机负荷对大排量柴油机燃烧和排放特性的影响,并梳理了基于多维坐标系转换模型和正畸模型的图像矫正方法,该方法能够明显改善图像畸变,提高数据处理精度.结果表明:提高负荷会使缸内压力和放热率峰值出现时刻滞后,并使滞燃期和燃烧持续期延长.低负荷时,缸内火焰难以深入气缸底部,空间利用率较低.提高负荷可使火焰峰值温度升高,其分布位置向气缸下游偏移,同时,碳烟浓度和分布范围增大.高负荷条件下的碳烟、NO_(x)、CO和HC排放都有不同程度的增加.

氨气射流卷吸特性的数值仿真

基于Ansys Fluent软件进行三维数值仿真,研究了氨气射流贯穿距特性及卷吸特性,分析了射流形成的亚膨胀区结构及涡流特点,并利用控制截面法对氨气射流的卷吸质量特性进行了研究.结果表明:氨气射流贯穿距的发展分为三阶段,这种三段式特点由氨气射流形成的一次涡及剪切层的特性所引起;第一阶段(0<t<0.14 ms)为线性阶段,在亚膨胀区及其边界氨气射流对空气无卷吸;第二阶段(0.14 ms≤t≤0.40 ms)为过渡阶段,在该阶段内一次涡及剪切层快速发展,卷吸质量增加了50%以上(喷压比R为8.0);第三阶段(t>0.40 ms)为准稳态阶段,卷吸质量较最大值减少30%(喷压比为8.0).平均卷吸空气总质量随喷压比增加而增大,第一、二阶段一次涡存在时平均瞬时卷吸空气质量较大,剪切层充分发展时平均瞬时卷吸空气质量达到最大值,卷吸质量最多增长58%(喷压比为8.0).

大空间尺度下预燃室射流火焰发展历程的光学诊断和模拟研究

基于定容燃烧弹,在与大型低速预燃室式双燃料船机相似的空间和热力学条件下,采用相似的点火过程,对主燃烧室内的射流火焰发展和引燃预混火焰的扩展历程进行光学测试;提出一种基于全网格映射,分阶段采用不同的燃烧模型的方法模拟不同燃烧阶段的火焰发展过程。基于定容装置试验数据验证了模型对燃烧火焰扩展速度预测的适用性和准确性。研究结果表明:预燃室燃油喷射量直接影响射流火焰的最大贯穿距离和火焰强度;主燃烧室内的混合气需要达到一定浓度才能被引燃。对燃烧过程的模拟,第一阶段燃烧采用均质搅拌反应器(well-stirred reactor,WSR)模型可以较为准确地模拟不同燃油喷射量下的射流发展速度和火焰射流的最大贯穿距离;第二阶段燃烧采用G方程可以较为准确地模拟火焰在各方向上的扩展速度。采用Mapping方法连接的两个模型对燃烧两个阶段的火焰扩展的整体速度具有较高的预测精度。

柴油机活塞环润滑油膜厚度超声波测量方法研究

活塞组件-缸套摩擦副位置处良好润滑状态能够保障柴油机的稳定运行,润滑油膜厚度能够对其润滑状态进行判断。因此本文以润滑油膜厚度为测量目标,基于等效弹簧模型超声波测量原理对活塞环位置处润滑油膜厚度开展实验研究。搭建了润滑油膜厚度超声测量实验平台,通过实验证实了超声方法的测量能力。构建了柴油机活塞环润滑油膜厚度测量方案,设计并搭建了活塞环润滑油膜厚度动态测量系统,对不同转速下的润滑油膜厚度进行了实验测量。通过对实验数据进行处理,在活塞环处测得了2.2~3.9μm的润滑油膜厚度,并且随转速增加,油膜厚度呈现增大趋势,证实了该方法的可行性。

点燃式氨氢燃料发动机燃烧与排放模拟研究

通过三维数值仿真方法研究了化学当量比下掺氢比和点火时刻对点燃式氨氢燃料发动机燃烧与排放的影响。结果表明,增加掺氢比可加速火焰传播,缩短燃烧持续期,提高缸内压力和温度峰值。随着掺氢比增加,未燃氨和N_(2)O排放减少,燃料型和热力型NO生成增多。点火时刻的适当提前可有效改善燃烧特性,平衡NO、N_(2)O和未燃氨的排放。随着点火时刻的推迟,NO排放减少,N_(2)O和未燃氨排放呈相反趋势。然而,过于推迟点火会造成较多未燃氨排放,导致放热不完全,指示热效率下降。

高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化

基于CONVERGE软件开展三维仿真计算,分析了定容燃烧弹内高压甲烷射流撞击当量比为1的预混气体燃烧过程中的涡量变化特征.根据射流前锋面与火焰的位置关系,将火焰发展全过程分为射流前峰面未接触火焰阶段、进入火焰阶段和离开火焰阶段3个阶段.相比于自由射流贯穿速度,在射流进入火焰阶段射流燃烧平均贯穿速度显著增加,并大于自由射流的贯穿速度和预混燃烧速度之和.产生此结果的原因是此阶段动量参数涡量的大幅增加;在轴向距离为40 mm处、火焰发展时间为1.6 ms时,射流燃烧模式平均涡量值与自由射流模式差值最大,约为260 s^(-1),是此时此截面预混燃烧模式平均涡量值6 s^(-1)的43倍.

低频和高频交流电场助燃对比及燃烧特征参数预测研究

为探究不同频率交流电场助燃的内在机制,利用定容燃烧试验平台比较了低频(40、60、80、100 Hz)和高频(15、20、25、30 kHz)交流电场对甲烷/空气稀薄燃烧(过量空气系数为1.2、1.4、1.6)火焰的影响,并利用机器学习方法对混合气的燃烧特征参数进行了预测研究。结果表明:低频和高频交流电场下,火焰在电场方向上均被拉伸,不同频率交流电场对火焰传播的促进效果处于同一量级,但低频交流电场下的火焰锋面更加稳定;高频交流电场对燃烧特性参数的影响更加显著,其对应的压力峰值和压力升高率峰值均比低频交流电场下变化更大;采用支持向量机方法构建的平均火焰传播速度和燃烧压力峰值的预测模型相关系数均高于0.998,平均绝对百分比误差和希尔不等系数分别小于1.093%和0.007,均具有良好的预测性能和泛化能力。研究进一步验证了低频和高频交流电场的助燃机制,证实了机器学习方法应用于基础燃烧特征参数预测的可行性,丰富了电场助燃理论。

甲醇替代率对甲醇/柴油双直喷发动机性能的影响

为了实现甲醇/柴油双燃料发动机的高热效率和低排放,在一台单缸柴油机上搭建了独立的双直喷系统,开展了甲醇/柴油双直喷发动机运行范围的试验研究。结果表明:在低负荷率工况下,随着甲醇替代率的增加,发动机热效率降低;在中、高负荷率工况下,甲醇的加入有利于提高发动机热效率。在负荷率为79.5%、甲醇替代率为52.4%的工况下,发动机指示热效率达到最大值(43.4%)。同时,随着甲醇替代率的增加,发动机NOx和碳烟排放降低,而HC和CO排放呈现出增加的趋势。此外,在全负荷工况下,探究了最大甲醇替代率及其对发动机热效率的影响,发现双直喷发动机的最大甲醇替代率可以达到96.0%。随着甲醇替代率的增加,发动机指示热效率呈现出先提高后降低的趋势,最高指示热效率发生在甲醇替代率为50.0%的工况下。该研究结果可为甲醇/柴油双直喷发动机性能和排放特性的进一步优化提供试验和数据支持。

高压缩比湍流射流点火发动机负荷拓展及性能优化

稀薄燃烧可以提高发动机效率并降低排放,而湍流射流点火(TJI)是一种能够实现稀薄燃烧稳定点火的技术.笔者基于一台压缩比为13.0的单缸、四冲程汽油机,开展了TJI汽油机小负荷和大负荷极限的拓展研究,并结合试验提出一种全负荷运行策略.在大负荷拓展方面,采用进气增压的策略;在小负荷拓展方面,对比了质调节和量调节两种方式.结果表明:进气增压可拓展TJI发动机的大负荷极限,增压后发动机指示平均有效压力(IMEP)上限可以拓展至1.06 MPa,且指示燃油消耗率(ISFC)降低.小负荷运行工况下,量调节方式在燃油经济性与排放方面均明显优于质调节,主要因为过于稀薄的混合气不利于火焰传播,小负荷工况下需保证一定的混合气浓度以实现高效燃烧.最后,提出一种不同负荷的运行优化策略以实现TJI发动机在全负荷工况下高效运行.

基于定容燃烧弹的正丁醚压力振荡特性试验研究

基于定容燃烧弹实验平台,在环境压力为0.05~0.20 MPa、温度为423~453 K、当量比为0.7~1.6条件下开展正丁醚的压力振荡特性试验研究,获得正丁醚燃烧过程中的燃烧压力、火焰形态、燃烧弹振动、声压实验数据并对其进行分析。研究结果表明:正丁醚在较低温度、较高压力下,当量比为1.5左右时产生的压力振荡强度最大,燃烧过程中的压力、振动、声压、亮度等信号具有相同的变化规律,均呈现出随温度增加缓慢降低、随压力增加显著增强、随当量比增加先增后减的趋势。随着压力振荡强度增大,振荡的主频向高频方向移动。正丁醚的火焰不稳定性与压力振荡的产生存在一定关系。

高压直流电场作用下的甲烷-氧气层流扩散火焰稳定性

设计开发了直流电场作用下层流火焰实验系统,通过对甲烷-氧气非预混层流火焰施加直流电场,改变电极间距及燃烧当量比(氧气与甲烷实际物质的量之比与氧气和甲烷完全燃烧时物质的量之比的比值),对高速相机下火焰脉动幅度受电场影响的变化规律进行分析,探究了直流电场对火焰稳定性的作用及电场约束火焰的可行性。结果表明:对于存在脉动的层流扩散火焰,当对其施加高压直流电场时,火焰受到离子风的作用,其脉动幅度会逐渐减弱直至趋于稳定状态,且火焰稳定时所对应的电场强度与其初始的脉动幅度有关,初始振幅越大则火焰稳定所需的电压越高。同时,电极间距的改变也会影响火焰稳定时所需的电场强度,当电极间距改变较大时,对同一当量比的火焰,间距越大则所需的稳定电压就越高。

进气温度和引燃油量对双燃料船机失火现象的影响

针对天然气-柴油双燃料低速机低负荷工况的失火现象,运用CONVERGE模拟研究了进气温度和引燃油量对失火工况下缸内着火及燃烧过程的影响,并结合正庚烷低温反应路径分析了缸内关键组分的变化.结果表明:进气温度提高,缸内平均温度和平均压力均升高,甲烷消耗速率增加,进气温度为335 K时,甲烷完全消耗,失火现象消失;引燃油量增加使缸内甲烷/空气混合气燃烧更加剧烈,缸内平均温度和压力均升高,引燃油比例超过1.5%时,缸内甲烷完全燃烧,发动机经历从失火到正常燃烧的转变.此外,提高进气温度和增加引燃油量均会增强正庚烷的高温反应,使其燃烧更加剧烈,故引燃油的引燃效果增强,有利于甲烷着火燃烧.

基于高压流动反应器的乙醇/乙酸二元可再生合成燃料氧化特性研究

利用可再生能源催化还原二氧化碳制备液体燃料是一项极具潜力的变革性技术.受限于催化剂的选择性,二氧化碳低温电催化还原路径制备的乙醇燃料中通常含有乙酸等有机物.为了探究二元燃料在近发动机工况下的氧化特性,本文设计并验证了高压流动反应器试验平台.针对乙醇/乙酸的典型二元可再生合成燃料在1.0 MPa、700~1000 K温度下的氧化特性进行试验和理论研究,通过对氢气、一氧化碳、甲烷等关键中间产物的测量结果,阐明乙酸介入对醇类燃料的氧化特性的作用机制,揭示了乙醇/乙酸二元可再生合成燃料在高压下的关键反应路径,为未来可再生合成燃料的高效清洁燃烧提供理论依据.

进气湿度对重型天然气发动机影响的试验研究

以满足国六排放标准的重型天然气发动机为研究对象,研究了进气湿度对天然气发动机性能和排放的影响。研究结果表明,进气湿度增加对天然气发动机性能和排放的影响体现在以下几个方面:燃烧恶化,缸内燃烧压力降低,CA50后移;发动机点火角需要提前以保证发动机正常运行;输出扭矩降低,气耗增加;NO_(x)排放下降,HC和CO排放呈现出上升趋势,但与HC和CO排放相比,对NO_(x)排放影响较大。

基于超声波的活塞环油膜厚度动态测量

超声波测量技术具有穿透性强的优点,是最具应用前景的柴油机活塞环油膜厚度测量手段.但由于柴油机的运行状态较为复杂,较多研究局限于超声波测量技术的理论与标定方面,实际应用于柴油机动态测量的研究较少.笔者设计并搭建了柴油机气缸油膜厚度超声波测量模拟试验台,对超声测量柴油机活塞环油膜厚度变化以及分布进行分析.通过电机模拟转速为0~100 r/min下气缸与活塞的运行状态,并采用新型的数据采集策略来解决传统超声波测量过程中数据量大、有用信号占比较少的问题.结果表明:活塞环最小油膜厚度随转速的升高而增大,且测量精度随脉冲重复频率和空间分辨率的升高而增加.

PODE_(n)引燃天然气发动机燃烧特性研究

聚甲氧基二甲醚(PODE_(n))的十六烷值和含氧量较高,是一种极具应用前景的柴油机代用燃料。为了减少低负荷工况下天然气双燃料发动机的THC和CO排放,在总循环油量不变与天然气替代率为80%的条件下,采用CONVERGE三维仿真模型,研究当量比和喷射时刻(SOI)对PODE_(n)引燃天然气发动机低负荷时的燃烧与排放性能的影响。结果表明:随着当量比的升高,发动机滞燃期延长,瞬时放热率峰值和发动机指示热效率均先升高后降低,当量比为0.63时,发动机指示热效率最高;当量比在一定范围内升高有利于天然气预混合气的燃烧,可有效降低HC、CO和soot的排放,延长燃烧持续期可兼顾NO_(x)排放;SOI为-10°CA ATDC时的缸压和放热率峰值均较高,CO和HC排放均较低。

天然气发动机进气及压缩过程三维仿真分析

为研究天然气发动机缸内气流运动及天然气混合规律,利用Hypermesh和AVL Fire软件对发动机的进气和压缩过程进行三维仿真,计算进气与压缩过程的流线分布和天然气质量分数分布。结果表明:进气过程中,滚流主要沿气缸纵向变化,随着高速气流流入,在气门下方生成2个滚流区,进气道一侧的滚流较远离进气道一侧的大,在活塞运行到下止点时滚流能量耗散,被涡流吸收;进气过程中,涡流主要沿气缸横向变化,在气缸顶部形成众多无规则的小尺度涡流,气缸下部气流趋于稳定,形成稳定的大尺度涡流;压缩过程中主要产生是滚流、挤流和湍流,活塞上移,涡流运动加强,形成较大尺度的滚流,活塞顶部接近气缸顶部时,产生挤流,挤流运动可以增加上止点附近的湍动能。

利用高速摄影纹影法研究天然气高压喷射射流特性

在定容弹上利用高速摄影纹影法开展了不同喷射压力和背压下的天然气高压喷射射流特性试验研究。通过纹影照片得到了不同喷射压力和背压下的射流贯穿距离、射流锥角和射流体积随时间变化的规律,计算得到了射流内整体过量空气系数随时间变化的规律。结果表明:射流发展分两个阶段,射流初期阶段和射流主体阶段。在射流初期阶段,射流贯穿距离快速增加;在射流主体阶段,射流贯穿距离随时间呈线性增加趋势。射流贯穿距离、射流体积和射流内整体过量空气系数随时间而增加,射流发展过程中射流锥角基本保持不变。随着喷射压力的提高,射流贯穿距离和体积增加,射流锥角减小,射流内整体过量空气系数增大。随着容弹背压的增加,射流贯穿距离和射流体积减小,射流锥角增加,射流内整体过量空气系数增大。

负直流电场对不同初始压力预混甲烷/空气火焰的影响

在定容燃烧弹中研究了常温(298 K),初始压力P_(initial)为0.1~0.5 MPa,加载U=-5、-10 kV直流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果表明:不同初始压力下,加载电压,火焰主要在水平方向发生拉伸变形,加载电压幅值越高,火焰变形越明显,初始压力越高,火焰不稳定性增加,火焰面褶皱增加。加载电压后,火焰传播速率明显提高,电压幅值增大,其提高程度逐渐明显,初始压力增大,其提高程度更加明显,电场对火焰的促进效果更加明显,λ=1.4,U=-10 kV,P_(initial)=0.1~0.5 MPa时,平均火焰传播速率分别提高35.67%~52.71%。相对于未加载电压,加载电压后,各初始压力下质量燃烧率均增大,随电压幅值升高而升高,且初始压力越大,质量燃烧率变化越明显;火焰的初始燃烧期和主燃烧期均缩短,初始压力越高,缩短程度也越明显,二者相比,初始燃烧期缩短的程度更为明显。

高辛烷值燃料对HCCI增压发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台经改装的4缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)和93号汽油的进气增压(pin)对均质压燃(HCCI)燃烧特性、性能和排放影响的试验研究。结果表明,进气压力增加,发动机缸内最大爆发压力提高,着火时刻提前。增压后,RON对PRF着火时刻的影响减小,汽油的着火时刻滞后于PRF。进气压力增加,HCCI正常运转工况范围向大负荷和小负荷区域都得到拓展。增压后汽油燃料所能达到的最大负荷比PRF高。相同供油量下,进气压力提高,燃烧效率和净指示热效率先增大后减小;最高燃烧效率和净指示热效率均增大。进气压力增加,HCCI发动机的HC和NOx排放降低,CO排放升高。增压后,RON对PRF的HC、CO和NOx排放影响变小,汽油的HC、CO和NOx排放较PRF高。