喷射率对柴油机性能和排放影响数值模拟研究

为了以较低的成本降低中速大功率船用柴油机的NOx排放,开发了一种可实现靴型燃油喷射规律的调压孔式喷油泵.利用三维CFD软件AVL FIRE v8.5对某大功率中速船用柴油机的缸内流动、混合气形成和燃烧过程进行了模拟计算,分析了调压孔式喷油泵的靴型喷射规律在2种负荷、3种喷油定时下对柴油机性能和排放的影响.结果表明:所用靴型喷射规律可以获得比原机更低的NOx排放,其中Boot1规律可以获得更好的φ(NOx)-φ(碳烟)折中关系,而Boot2规律可以获得更好的φ(NOx)-bi折中关系;确保靴型喷射规律的后期喷油率较高,有利于降低柴油机的碳烟排放和油耗.在一台6缸柴油机上进行了台架试验,证明了数值模拟预测结果的可信性.

交叉孔喷油嘴内部流动特性的模拟

为改善柴油机的喷雾特性,提出了交叉孔喷油嘴的结构,其特征是每个喷孔都由两个子喷孔交叉汇聚而形成.为探索交叉孔喷油嘴的内部流动特性,采用双流体模型,对一种圆孔喷油嘴和两种交叉孔喷油嘴在不同条件下的内部多相流动进行了三维CFD模拟.结果表明:交叉孔喷油嘴与常规圆孔喷油嘴内部流场结构有明显的差异,在圆孔喷油嘴中,压力在喷孔入口附近急剧下降,速度急剧上升;而在交叉孔喷油嘴中从喷孔入口到喷孔出口,压力逐渐下降,速度逐渐上升;圆孔喷嘴在空穴数较小的条件下会出现空穴,空穴区可从喷孔入口延伸到喷孔出口,而交叉孔喷油嘴内即使空穴数很小也不产生或只产生微量空穴,后者只在带盲孔扰动区的交叉孔喷油嘴发生;交叉孔喷油嘴的流量系数比圆孔喷嘴的高23%,~32%,.此外,交叉孔喷油嘴的特殊喷孔结构使其内部燃油产生冲击扰动,在喷孔出口产生了更大范围的高湍动能区,有利于促进射流雾化.

Miller循环中速柴油机燃烧和排放特性的模拟

为探索某船用中速柴油机在Miller循环条件下的燃烧和NOx排放特性,采用三维CFD计算程序模拟该机的缸内工作过程,探讨充量温度、喷油定时和几何压缩比等参数对燃烧和NOx排放的影响。研究结果表明:随着充量温度的降低,滞燃期曲轴转角和最高压力升高率持续增加,而指示油耗率和NOx排放率都呈现先降低后升高的趋势;在较低充量温度下,延迟喷油定时对滞燃期曲轴转角的影响不太大,而增加几何压缩比可以有效缩短滞燃期曲轴转角,进一步降低NOx排放;综合优化上述参数,得到的最优方案使该型柴油机额定负荷NOx排放降低52.4%,且在所计算的曲轴转角范围内指示燃油消耗率基本保持不变。

充量温度对某中速柴油机燃烧和NO_x排放的影响

为了研究米勒循环条件下充量温度的变化对某中速柴油机燃烧和NOx排放的影响,采用三维计算流体动力学模拟方法对其缸内流动、喷雾、燃烧和NOx生成过程进行了数值模拟分析。结果表明:随着充量温度的降低,着火滞燃期、预混合燃烧放热率峰值和最高压力升高率不断增加,在充量初始温度比原机降低40 K之后尤为显著;指示油耗率和NOx排放率先降低后升高,说明过低的充量温度不利于降低NOx排放,其原因是滞燃期太长,预混合燃烧放热太多,促进了热NOx生成。

现代船用柴油机NO_x排放的机内净化技术

介绍了船用柴油机NOx排放的现状、生成机理及其排放控制的基本方法,并结合具体机型,着重论述了喷射率控制、缸内加水、充量调节等多种现代船用柴油机NOx排放机内净化技术措施的最新研究成果和应用情况。最后提出了船用柴油机NOx排放机内净化技术需要进一步研究的方向。

船用柴油机NO_x排放的机外净化技术

为满足IMO Tier III等严格的船用柴油机排放法规,有必要采用机外净化技术。在这一背景下,介绍了选择性催化还原、低温等离子体辅助催化、NOx吸附催化、废热回收等适用于船用柴油机的NOx排放机外净化技术,着重论述了各技术措施降低NOx排放的净化原理与效率、相关装置运行的条件和对船舶动力系统经济性的影响。

直喷式柴油机涡流室燃烧系统的模拟与试验研究

为改善直喷式柴油机缸内的喷雾分布特性及混合气形成质量,从加强燃烧室内的气流运动角度出发,提出了直喷式涡流室燃烧系统,应用AVL FIRE软件对缸内混合气形成过程进行了数值模拟研究,并在单缸四气门135柴油机上进行了初步性能试验。结果表明:直喷式涡流室燃烧系统能够有效提高缸内混合气均匀性,从而改善燃烧;使用4×0.36×150°油嘴在供油提前角为7°CA时要低于10°CA时的NOx和碳烟排放。

进气门晚关米勒循环对柴油机燃烧和排放影响的研究

基于D6114柴油机的BOOST模型,分析了进气门晚关米勒循环对柴油机燃烧和排放的影响。结果表明:推迟进气门关闭时刻可以减小压缩阶段的压力和温度,从而使滞燃期增长;但是由于缸内工质的减少,缸内平均温度和碳烟排放升高;增压压力的提高可以弥补进气损失,研究发现进气门晚关结合提高增压压力及推迟喷油,可同时降低NOx和碳烟的排放;在保持爆发压力与原机相同时,采用米勒循环度M60、喷油正时推迟2°CA的方案,油耗降低4 g/(k W·h),碳烟排放降低6%,而NOx的排放量降低了31%.

不同比例放大倍数喷嘴内空穴流动的试验研究

在比例放大透明喷嘴内空穴流动可视化试验台上,采用高速数码摄影和长工作距离显微成像技术,重点研究了不同比例放大倍数喷嘴内部空穴流动图像。试验结果表明:放大三倍喷嘴内部空穴形态呈线性,而放大五倍和八倍喷嘴内部空穴形态呈层状;放大三倍喷嘴没有观察到水力柱塞流现象,而放大五倍和八倍喷嘴内都观察到了水力柱塞流现象;此外,试验中观察到了迟滞现象。

米勒循环模式的柴油机性能及NO_x排放的数值研究

为了使非道路柴油机达到第三阶段排放法规的要求,引入米勒循环技术。利用AVL Boost软件建立非道路D6114型柴油机的仿真模型,研究米勒循环对该柴油机的性能和NOx排放的影响。结果表明:进气门关闭正时提前,缸内的气体因膨胀降温过程,使压缩阶段的温度降低,NOx排放最大降低36%,但柴油机功率损失增加、油耗升高;压缩比的提高能改善柴油机的经济性,但同时会导致缸内爆发压力增高,柴油机机械负荷加重;推迟喷油正时可以使燃烧相位后移,缸内爆发压力降低,NOx的排放进一步降低。米勒循环、高压缩比、优化喷油正时等技术的结合,可以实现油耗仅升高2.2%的同时NOx排放降低30%,爆发压力降低2 MPa。该结论可以为非道路柴油机满足第三阶段法规而进行的改进设计提供参考。

新型伞状喷雾柴油预混合压燃数值模拟研究

提出了一种新型伞状喷雾,以解决柴油预混合压燃燃烧的预混合气准备困难的问题。该伞状喷雾以多孔油嘴配合内锥面式近距碰撞导向装置形成。新型伞状喷雾具备高扩散性的特点,同时贯穿距在设计上可通过调整碰撞角度而灵活设定。采用三维CFD软件AVL FIRE8.2对该喷雾的预混合气形成和燃烧过程进行了数值模拟,分析了燃烧室和喷油始点对预混合气形成及燃烧的影响。研究表明:采用内锥面碰撞导向装置可以提高喷雾高扩散性,这种伞状喷雾油粒动量小,使燃料撞击活塞或缸套表面的可能性大大降低,从而避免了部分区域燃空当量比过大和燃料挂壁的不良后果。对于提高柴油预混合气均匀度具有很大作用。

ZS1100M柴油机双ω型燃烧系统的试验研究

为了改善柴油机喷雾空间分布,提高缸内空气利用率,加强燃烧室内的气流运动,提出了带双ω燃烧室的燃烧系统,并在ZS1100M型柴油机上进行了初步性能试验。研究结果表明:双ω燃烧室的几何形状对柴油机燃烧系统的油耗与排放性能有较大的影响。在额定工况下,57型燃烧室方案的油耗与碳烟排放最低;65型燃烧室方案的NOx排放与原机相比基本不变,油耗却降低了2.2%,碳烟排放降低了8.3%.在额定转速下,65型燃烧室的油嘴突出高度在2.6 mm时油耗与碳烟排放性能最优。在转速1 500 r/min下,采用双排喷孔的各方案在中小负荷时油耗均比采用单排喷孔的原机方案要低;适当增加上排喷孔数,减小双ω燃烧室的喉口直径能进一步降低油耗。

基于一种新型喷油系统的船用柴油机NO_x排放试验研究

为了探索采用改进的机械式喷油系统以较低的成本使大功率船用柴油机的NOx排放满足IMO TierⅡ法规的可能性,在一台6PC2-6/2L型柴油机上开展台架试验,验证了自行研发的新型喷油系统,即交叉喷孔油嘴和调压孔式喷油泵,对于降低船用柴油机NOx排放的效果.试验结果表明:交叉喷孔油嘴所产生的扇形喷雾在柴油机气缸的空间分布范围广,混合气更为稀薄,有利于抑制燃烧温度,从而降低NOx排放;将新型喷油系统应用于该柴油机使NOx排放率降低14.3%,同时制动油耗率降低1.5%.新型供油系统进一步优化有望使该柴油机的NOx排放满足IMO TierⅡ排放法规.

喷油器参数对柴油机燃烧特性影响的数值模拟

应用三维CFD模拟软件FIRE,对1台135柴油机的喷雾与燃烧过程进行了数值模拟。通过缸内流场分析和浓度分析,研究了喷孔数、喷孔锥角对燃烧过程的影响及对NOx和炭烟生成的影响。结果表明,喷孔数和喷孔锥角影响燃油的喷雾质量和油气混合质量,进而影响燃烧过程和排放物的生成;CFD模拟计算对优化喷油器参数,从而改进燃烧系统具有指导意义。

喷孔分布对柴油机双ω燃烧系统性能影响的研究

为了改善柴油机喷雾空间分布,提高缸内混合气形成质量,提出了双ω型燃烧室及与之相匹配的双排喷孔的燃烧系统。应用AVL FIRE软件对不同喷孔分布形式的双ω型燃烧室缸内喷雾、混合气形成和燃烧过程进行数值模拟,分析了喷孔分布形式对缸内当量比分布和温度场及燃烧与排放特性的影响。研究结果表明:适当增加上排喷孔的数目能够有效提高混合气形成质量,改善燃烧过程;采用上排5个、下排3个的喷孔分布形式能够获得较低的氮氧化物和碳烟颗粒排放。

预燃室天然气发动机通道参数的模拟研究

为探索预燃室通道结构对胜动12V190型燃气发动机燃烧特性的影响,利用CONVREGE软件,对多种预燃室通道参数下发动机燃烧过程进行模拟。结果表明:当β数一定时,通道数太少会使得主燃烧室火焰周向传播时间太长,而通道数目过多则火焰径向速度下降,其最佳通道数为4;当通道数一定时,β数过小则主燃烧室火焰偏向燃烧室底部,β数过大则火焰偏向燃烧室顶部,其最佳β数为0.35。且发动机的指示功率随通道数和β值的增加先增加后减少,而NOx排放率则随通道数和β值的增加先降低后增加。综合比较,选取β值为0.35的4通道方案,相对于采用均质混合气燃烧方式的原型机,该方案显著提高了燃烧速率,指示功率提高14.1%,NOx排放率分别降低41.5%。

凸台撞壁对分区燃烧系统性能影响的仿真

为了更好地利用油束喷射动能,改善柴油机喷雾的空间分布,提出了一种基于凸台撞壁引导下的分区燃烧系统.运用CFD软件FIRE对该燃烧系统的喷雾与燃烧过程进行了3维仿真研究,从不同角度分析了凸台撞壁对分区燃烧系统的燃烧与排放特性的影响.结果表明:分区结构提高了缸内平均湍动能,增加了压缩过程中流入燃烧室内的气流量,促进了油气的快速混合与燃烧;在凸台面上不发生油束堆积的各撞壁方案中,凸台锥角越大,缸内平均湍动能峰值就越小,同时膨胀过程中气体流出燃烧室的速度也越低,从而扩散燃烧现象就越明显,soot排放值也越低.

多次喷射下压力波动对喷嘴内流及近场喷雾影响试验研究

为研究多频压力波动与喷嘴内流的因果关系以及对近场喷雾的影响机理,采用高速显微成像技术,开展了不同共轨压力下多次喷射过程真实尺寸锥形孔喷嘴可视化试验研究。同时通过高压传感器测量,得到喷嘴入口压力波动数据。研究结果表明:主喷过程喷雾锥角呈靴型趋势,由发展期、转化期、稳定期和衰减期组成,其整体趋势受喷射压力的影响,过程中存在空化形式的转变。预喷和后喷等小油量喷射过程中,存在针阀升程波动导致的不一致性。喷嘴处压力降与循环喷油量水平呈正相关,空化形式的转变影响了压力波动频率和传播速度。其中几何诱导空化形成时,压力呈低频波动,而线空化形成时,产生高频压力波动趋势。

柴油机燃烧探索

对柴油机预混合燃烧、低温扩散燃烧、高强化超清洁燃烧、当量比燃烧等新型燃烧方式进行了概述;介绍了分开循环发动机的工作原理;提出了低压缩比、高升压比、高膨胀比的复合热力循环和建立在该循环基础之上的复合发动机概念。首次披露了贯穿距可设定的、具有高雾化性能的交叉喷孔喷嘴,该喷嘴除了用于柴油机外,还可以用于直喷式汽油机等装置。

两级旋流器径向间距对贫油直喷分级燃烧室流场和雾化影响的实验研究

主燃级旋流器与预燃级旋流器之间的径向间距是贫油直喷分级燃烧室一个非常重要的结构参数。本文利用粒子图像测速、平面激光PMie散射和粒径测量技术对3种不同径向间距条件下的流场和雾化特性进行实验研究。结果表明:在常温常压下,随着主/预燃级径向间距的增大,中心回流区由前窄后宽向前后宽度相同转变,两级间回流区不断增大;预燃级燃油锥角受径向间距影响较小,在空气压降的影响下,主燃级直喷燃油射流由向主燃级区域偏转转为向预燃级区域偏转,主油路雾化效果变差。主/预燃级径向间距为20 mm时,主油路和副油路都能获得较好的雾化效果。