天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任、教授、博导姚春德 评选助力美丽中国、生态中国建设

经过激烈的比拼，第二届“润迪杯”我信赖的商用车动力评选结果终于揭晓。作为第二届“润迪杯”我信赖的商用车动力评选的评审专家之一，也是连续参与两届评选的专家组成员，我首先代表评审组就本届活动举办的一些细节向大家作出介绍，

内燃机爆震燃烧过程中燃烧室内声学分析

内燃机燃烧过程中,高温高压的混合气体与燃烧室构成的空腔为缸内气体声学振荡提供了条件,这种振荡现象与燃烧噪声的产生直接相关,属于强非稳态的非线性范畴。由于这些振荡受到很多因素影响,其复杂性导致至今仍无一个实时计算的手段。为研究燃烧过程中压力波动产生的机理,由KIVA燃烧计算的流场模型推出三维声学波动方程,并与KIVA源程序相结合求解。由于汽油机爆震时这种声学振荡最为明显,利用所得方程对某一工作与爆震工况下的汽油机进行计算,得出了爆震燃烧过程中声学振荡的过程及声学激励项的特征。分析各声源随曲轴转角变化的曲线,得出各燃烧激励源对气缸压力波动的贡献及声场分布情况;同时,对比与计算相同工况下试验获取的气缸压力振荡数据,讨论了燃烧室声学振荡规律。

激光诱导荧光法测量内燃机双燃料燃烧过程中的甲醛和羟基

双燃料燃烧是一种实现内燃机高效清洁燃烧的新型燃烧方式,国内外对燃用双燃料的内燃机性能和排放开展了较为广泛的研究,但对双燃料缸内燃烧过程的认识有待深入.本文搭建了一套光学发动机缸内燃烧中间产物激光测试系统,该系统可以实现甲醛和羟基(OH)的二维同时定性测量.为了验证该激光诊断系统的可行性,首先在甲烷层流预混火焰上对甲醛和羟基的激光诱导荧光(UF)光谱和图像进行采集,确定甲醛和OH激发波长分别为355和282.95 nm.随后在光学发动机上对双燃料缸内燃烧过程中甲醛和羟基进行了非同时测量分析了双燃料燃烧双阶段放热过程中甲醛和OH分布区域.光学发动机转速为1200 r·min^(-1),循环当量总油量为30 mg正庚烷.进气冲程初期气道喷射异辛烷,上止点前10°曲轴转角在缸内直喷9 mg正庚烷.激光诱导荧光成像表明,甲醛生成于低温放热阶段,主要分布在缸内直喷燃油油束附近区域,之后甲醛充满整个燃烧室空间高温放热过程中燃烧室壁面附近区域的甲醛首先消耗,伴随甲醛消耗OH首先出现于燃烧室边缘,高温放热阶段过后,甲醛基本消失,OH逐渐充满整个燃烧室.最后对双燃料缸内燃烧过程甲醛和OH同时测量发现,甲醛消耗伴随OH的产生,甲醛和OH分布区域总体而言在空间上是分开存在的,但在局部区域甲醛和OH可能并存.

基于计算流体动力学的内燃机排气消声器声学特性仿真

用计算流体动力学方法对消声器的声学特性进行了仿真计算,并将计算结果和有限元方法计算结果及实验测试结果进行了对比。结果表明,计算流体动力学方法在计算消声器声学特性时,能够考虑声场中流场耗散效应的影响,在对结构较为复杂的消声器进行仿真时具有有限元方法所不具备的优势。在此基础上进一步计算了流速对消声器声学特性的影响,计算结果表明,在流速影响下整个频率范围内消声量均有所降低,且消声频率向高频方向发展。

用剪切干涉高速摄影法测量内燃机缸内温度场的实验研究

建立了一套用于火花点火发动机缸内燃烧研究的剪切干涉及高速摄影实验装置。利用图像处理系统对拍摄到的燃烧干涉图像进行处理 ,可以定量得到燃烧过程气缸内的温度场 ,并可估算出火焰传播速度。从温度场可以看出 ,在燃烧过程中缸内大致可以分为 3个区域 ,即已燃区、未燃区和燃烧区。燃烧区的温度最高 ,温度梯度大 ;已燃区的温度次之 ,梯度较小 ;未燃区的温度最低 ,但梯度较大。在燃烧过程中 ,缸内的火焰面以近似球面向未燃区推进 ,火焰传播速度开始较小 ,随着燃烧过程的进行而迅速增大 ,达到一最大值后 ,逐渐减小 ,直至燃遍整个燃烧室。剪切量是影响缸内燃烧温度测量精度的一个重要因素 :剪切量大 ,则干涉条纹密集 ,测量精度高 ,但图像处理工作量大 ,适用于温度梯度大的温度场的测量 ;剪切量小则相反。

一种新型多杆内燃机的机构运动学与动力学的虚拟仿真研究

运用虚拟样机技术对所提出的一种用于内燃机的新型多杆机构建立了Pro-E以及ADAMS模型。使用ADAMS机构学仿真程序进行了运动学与动力学模拟计算研究。结果表明,这种新型内燃机的运动学特性明显呈现出与传统内燃机不同的两大特性,非对称性和滞胀特性;前者将使发动机在相同转速下的进气和燃烧时间明显延长而压缩时间缩短,有助于改善发动机的燃烧和进气过程;后者有利于改善循环的热功转换效率;而动力学计算结果则显示,新型内燃机设计良好时膨胀行程中的活塞侧压力可以减小,而且成功地使活塞避开了在气缸压力的极值附近换向,这一特性有助于减小摩擦损失并降低活塞敲击产生的振动和噪声。

内燃机活塞拍击表面振动与燃烧噪声的关系

通过测量噪声和表面振动信号,用时间窗获取的噪声信号主要为活塞拍击噪声和燃烧噪声,并对表面振动信号进行频谱分析和时频分析,确定该噪声信号中活塞拍击噪声可能出现的频率范围和对整个噪声分析频率带能量的贡献,不加区别地把燃烧噪声和活塞拍击噪声看作是燃烧噪声进行燃烧噪声机理研究的方法是不可取的。

内燃机多连杆机构的多体动力学分析

对提出的一种多连杆机构内燃机,采用Pro/E 3D软件进行实体建模,运用机械系统动态仿真程序ADAMS和有限元分析软件ANSYS相结合,分别采用柔性体和刚性体两种不同方法对主要杆件进行了多体动力学仿真与对比分析.结果表明,较之刚性体的分析方法,柔性体方法能够获得更准确的仿真分析结果,可以更精确地了解杆件在实际运动过程中的动力学参数和动态行为,从而获得更接近于实际的有限元分析受力边界条件,提高系统仿真精度.

运用波动方程计算内燃机爆震燃烧时的热声耦合性质

分析热声耦合领域和内燃机爆震的研究现状,给出根据KIVA燃烧模型推导出的三维波动方程,将之与KIVA相耦合,对一台内燃机爆震燃烧时的声波进行计算.结果显示,燃烧室内声学波动频率很高,且爆震时其幅值可达数个兆帕.对比实测爆震气缸压力高频信号可知,该波动方程可正确计算爆震时燃烧室内声波.对比高速摄影实验结果.声场计算结果和气体获得声功的分布图可知,声场的振荡比火焰传播更快、更复杂;内燃机燃烧的热声振荡没有特定部位稳定声功的输出或输入.最后,总结了常规热声机和内燃机热声耦合性质的异同.

内燃机缸内压力与燃烧噪声

利用小波包分析提取缸内压力和测量噪声的时频信息,结合频谱分析技术,对缸内压力和测量噪声特性进行了研究.结合缸内压力和测量噪声的传递函数及相干分析,讨论了测量噪声各频带活塞拍击噪声和燃烧噪声的情况,并对缸内压力和燃烧噪声各频带所占能量进行了计算和研究.结果表明,通过缸内压力和噪声的时频及频谱分析,能获取更加详细的燃烧噪声和活塞拍击噪声信息,为燃烧噪声的分离以及机理研究提供了技术支撑.

瞬态工况对内燃机燃烧噪声的影响研究

研究了内燃机瞬态工况对燃烧噪声影响机理,开展了内燃机瞬态工况测试技术和测试方法研究,通过对瞬态与稳态过程的缸内压力、缸内压力最大值、压力升高率、压力升高率最大值、压力高频振荡以及气缸压力级等参数在不同频率范围的差异的研究分析,从气体动力载荷和高频压力振荡两方面分析研究瞬态噪声与稳态噪声产生差异的机理。瞬态与稳态工况压力升高率变化趋势与两种工况下燃烧噪声变化趋势基本相似,但在一些工况上存在差异,这是由于受到了缸内压力高频振荡对燃烧噪声影响的结果。结果表明:瞬态与稳态工况燃烧噪声的差异是由压力动力载荷与压力高频振荡共同影响的结果。

内燃机燃烧压力振荡对燃烧过程影响的模拟研究

结合可视化发动机、高速摄影和激光剪切干涉测量设备拍摄的燃烧过程照片和获得的燃烧二维温度场,建立了燃烧室空腔模型,并将空腔声学模型划分为未燃区和已燃区,通过空腔声模态和瞬态响应研究,获得了燃烧室空腔在多点激励下的声场变化情况,结果表明,燃烧室空腔在多点激励下在未燃区产生局部压力集中现象,燃烧压力振荡可能是引起燃烧过程未燃区出现局部自燃现象的根本原因。

供油提前角对内燃机曲轴主轴承动力学的影响

为研究内燃机曲轴主轴承动力学的影响因素,建立曲轴一轴承柔性多体系统动力学仿真模型,在不同供油提前角的基础上建立曲轴主轴承轴心轨迹运动方程,采用有限差分法与欧拉方法相结合求解有限长滑动轴承雷诺方程,得出曲轴主轴承轴心运动轨迹及整周油膜压力分布。分析结果表明:曲轴主轴承轴心轨迹随供油提前角的增大而有向轴承中心移动的趋势,最小油膜厚度随供油提前角的增大而增大,因而在内燃机设计初期应当充分考虑供油提前角对内燃机曲轴主轴承动力学的影响。

提取内燃机燃烧压力高频成分进行压力高频振荡研究

研究内燃机缸内压力高频振荡的机理以及压力高频振荡对燃烧噪声的影响。利用小波分析技术确定缸内压力高频振荡出现的范围,从而确定了燃烧室空腔声模态模型的对应曲轴转角范围。用声响应法和有限元法分别测量和计算不同曲轴转角下燃烧室空腔声模态,并对测量值和计算值对应曲轴转角进行了温度修正,模态试验结果与有限元计算结果较吻合。并对测量的缸内燃烧压力信号和噪声信号进行了分析。研究结果表明:缸内燃烧压力高频振荡是燃烧室的多阶共振频率受到激励引起共振的结果,燃烧压力高频振荡是影响燃烧噪声的重要因素。

内燃机轴颈摩擦学行为与系统动力学耦合分析

提出了一种包括摩擦学行为和系统动力学耦合仿真虚拟样机实现方法。该方法使用机械系统动态仿真程序ADAMS作为基本平台进行机构动力学仿真计算,并使用Fortran编程后得到的Matlab文件对机构进行控制,共同作用对机构进行联合仿真。由于系统动力学与油膜动力耦合作用使零部件的动力学特性发生了较大变化,因此在内燃机零部件设计时,考虑摩擦学与系统动力学的耦合是非常必要的。

内燃机燃烧过程的热声振荡现象研究

以经过改装的火花点火式发动机作为研究对象,首先进行不考虑燃烧室声场影响的内燃机燃烧三维模型燃烧模拟,并将模拟结果同燃烧过程高速摄影结果比较分析;然后进行燃烧室声激励下的压力场研究和考虑燃烧室声场影响的准维模型的燃烧模拟计算。不考虑燃烧室声学影响的燃烧模拟结果与实际的燃烧试验结果存在较大的差异;闭式燃烧室内考虑声学影响时,由于燃烧激励使得燃烧室的压力场存在着波动。结果表明,燃烧室的声学特性对燃烧过程中压力的变化存在显著的影响。

内燃机燃烧研究的现状和动向

在综合分析国内外文献的基础上，结合作者在内燃机燃烧学国家重点实验室所从事的研究工作，综述了内燃机燃烧研究中的一些前沿课题的研究现状与动向，它包括火焰传播、爆震，柴油机缸内空气运动，燃油喷射，混合气形成，点火与点火装置，有害排放物，传热，燃烧诊断，数学模型等。

均质压燃式天然气内燃机燃烧放热率的计算

以热力学基本方程为基础,建立了均质压燃式天然气内燃机的燃烧放热率计算模型,并应用此模型进行了实例计算与分析,并对气缸内不同物质的比热进行了详尽的拟合计算,该计算程序以均质压燃式天然气内燃机为基础,也适用于其它燃料的均质压燃内燃机。

双燃料内燃机引燃油混合气形成与燃烧过程模型研究

对于双燃料发动机,引燃油蒸发、混合与燃烧是在天然气与空气混合物为介质的情况下,通过采用离散液滴模型,模拟了引燃油的蒸发与混合过程;采用经过修正的Shell模型,对引燃油的着火过程进行了数值模拟;以阿伦纽斯公式为基础,综合湍流对化学动力学的影响,提出了一个新的燃烧模型.经过模拟计算与实验对比,验证了该数值模型的模拟效果.

内燃机燃烧室柱面反射系数及其对压力波动的影响

为了对气缸中的声场进行更加准确的计算,燃烧室壁面声学反射系数作为重要参数,需要单独讨论.分析不同结构的声反射系数及其应用范围,结合内燃机燃烧过程的实际情况,推导出柱面结构下的3层介质反射系数表达式,对不同参数条件下的3层结构反射系数进行计算讨论,确认了柱面结构反射系数的取值范围为0.977～1.0.结合能够描述缸内压力波动变化情况的波动方程,分别计算了不同反射系数对压力波动的影响,结果表明,在燃烧室内声学波动频率约为10,000,Hz以下时,采用柱面结构反射系数能够更加准确地描述缸内的压力波动.