柴油光学发动机的设计及其可视化应用研究

以一台直列四缸柴油机为原型,设计开发了一台压燃式光学发动机。该光学发动机可以在1200r/min的转速下运行,采用电控共轨高压喷射系统,喷射压力和波形灵活可调。全透明石英气缸和活塞上的石英视窗提供了更为广阔的视野,为下一步激光测试奠定了基础。采用气动装置进行密封和快速拆卸,不但提高了石英气缸的安全性能,也使清洁视窗的时间缩短到10min,大大提高了光学发动机的使用效率。在此光学发动机上采用高速摄影和双色法开展生物柴油燃烧特性研究,验证了光学发动机的可靠性和实用性。研究结果表明:采用高压喷射共轨系统,在分段喷射条件下,生物柴油燃烧火焰的亮度、分布区域和高温(2000K以上)强辐射面积均小于柴油火焰。生物柴油由于自身含氧特点,在抑制碳烟生成和改善碳烟后期氧化方面同时发挥着作用。

基于光学发动机的PODE燃烧特性试验研究

聚甲氧基二甲醚(PODE)是一种理想的柴油替代燃料,具有明显的低、高温化学反应,显著影响发动机着火性能及燃烧放热特性.在双燃料发动机中,PODE通常作为高活性燃料引燃低活性燃料,但目前关于纯PODE燃烧研究很少.本文基于一台单缸光学发动机,结合瞬态缸压采集和高速摄影同步测试方法,获得了缸压、放热率、滞燃期、燃烧持续期、火焰图像等特征参数,研究了关键参数(喷油量、进气温度、喷油时刻)对PODE燃烧特性的影响.结果表明:在均质条件下,PODE燃烧呈现出明显的两阶段放热,混合气呈现顺序自燃;随着喷油量的增加,缸压和放热率峰值提高,高温反应提前而低温反应先推迟后提前.分层条件下,PODE着火性能改善,燃烧持续期变短,放热率分布较为集中;随着进气温度增加,缸内热氛围改善,可燃混合气分布更加均匀,放热率峰值减小;而随着喷油时刻的推迟,缸内油气混合时间缩短,燃烧呈现从均质燃烧向扩散燃烧转变的趋势.研究结果有助于更好地理解PODE压燃燃烧特性,为PODE在内燃机中的高效清洁利用提供理论指导.

可控自燃光学发动机系统设计与开发

设计开发了可实现火花点火和可控自燃的光学发动机系统。在1台金属发动机上设计了带有光学窗口的加长活塞、加长缸套,实现了缸内光信号的可视化;设计了缸盖和缸体之间的带有激光出入射窗口的环垫,实现了可用激光激发缸内工质的光学通路。基于Intel 80c196KC单片机设计了光学发动机电控系统硬件电路和软件程序,配合安装在进排气门上的无凸轮全可变配气机构,可以灵活地控制进排气门定时,从而可在光学发动机内实现不同废气再循环策略下的可控自燃。试验表明,光学发动机系统运转良好,为在光学发动机上进行的光学测量提供了基础。

发动机进气温度对稀薄燃烧稳定性影响的可视化研究

稀薄燃烧稳定性是先进天然气发动机稳定高效清洁燃烧的重要指标.为了进一步探索改善天然气发动机稀薄燃烧性能的方法,本文基于一台高压缩比单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,研究了进气温度对天然气发动机稀薄燃烧特性的影响,量化了火焰发展演变与发动机性能之间的关联性.研究表明:提高进气温度可以提升缸内压力和放热率峰值,进气温度从25℃到75℃,峰值压力从3.71 MPa提升至4.49 MPa,峰值放热率从57.17 J/(°CA)提升至64.36 J/(°CA),并且放热过程更为集中,同时结合发动机点火时刻,可进一步实现燃烧相位优化,降低传热损失;可视化燃烧图像显示,高进气温度条件下着火延迟期缩短,初始火焰尺寸增大,后期火焰传播更快,最大火焰传播速度提升至约10.6 m/s,同时火焰前锋趋于向四周传播,火焰形态对称性更好.此外,本文创新性地提出了一种基于可视化图像来量化的已燃质量分数的经验准则来评价初期火焰发展特性,发现提升进气温度主要影响早期火焰发展规律,高进气温度下早期火焰循环变化系数从18.12%降低至7.86%,并且该持续期平均值从13.03°CA降低到了9.25°CA,从而减小了后期燃烧过程的差异,这是天然气发动机稀薄燃烧稳定性改善的主要原因.

直喷发动机的喷雾光学标定

为了提高缸内CFD分析喷雾模拟的准确度,运用Converge软件进行了定容弹内的喷雾光学标定和光学发动机的喷雾标定。在催化器起燃工况(1 200 r/min@0.1 MPa)和中速中负荷(2 000 r/min@0.6 MPa)两个工况下,分别验证了喷雾的形态和贯穿度,并且在催化器起燃工况下,进行了机油湿壁的验证。结果表明,利用Converge软件对喷雾模型进行标定,能够与定容弹实验和光学发动机吻合较好。

一种研究发动机燃烧过程的多功能可视化实验装置

介绍一种多功能可视化实验装置 ,本装置包括光学发动机、进气系统、光学系统、数据采集以及控制系统。利用本套装置可以实现对包括纯柴油、柴油 /天然气双燃料、醇类燃料以及进气添加惰性气体等多种情况的发动机喷雾、着火以及燃烧特性进行可视化研究 ,同时本装置还可实现对燃烧过程的燃烧压力进行实时记录 。

双燃料发动机缸内分层激光诱导荧光实验及化学动力学模拟研究

双燃料压燃(RCCI)是一种很有前景的发动机新型燃烧方式,能在小负荷到中高负荷范围内实现发动机高效清洁燃烧,为了将RCCI拓展到更高负荷,需要对其缸内燃油分层和燃烧过程开展更深入研究。本文在一台双燃料光学发动机上采用燃油-示踪剂平面激光诱导荧光法(PLIF),对RCCI着火前缸内燃油分层进行定量测量,选用甲苯作为示踪剂,利用266 nm脉冲激光激发甲苯荧光,发动机转速1200 r?min-1,平均指示压力6.9×105Pa,气道喷射异辛烷,缸内在上止点前10°喷射正庚烷。采用燃油-气体绝热混合假设,对PLIF测量结果进行温度不均匀性修正,以上止点后5°曲轴转角下的测量结果为例,不修正相比修正测试区域内的最大当量比高估15%。根据实验结果,利用Chemkin软件分析了活性、浓度和温度分层对燃烧滞燃期的影响,结果显示燃料活性分层和浓度分层共同决定RCCI的着火滞燃期,其中活性分层影响要大于浓度分层,而温度分层对着火滞燃期影响很小。RCCI燃烧过程自发光的高速成像结果表明,着火过程首先出现在燃烧室边缘的高活性区域,随后火焰向燃烧室中心处的低活性区域发展,碳烟辐射光图像显示碳烟主要形成于燃烧室边缘的高活性区域。

丁醇汽油混合燃料在缸内直喷发动机中的燃烧特性研究

为探究丁醇对发动机燃烧的影响,选取甲苯标准参考燃料(TPRF)与各类丁醇的同分异构体的混合燃料进行了发动机可视化试验研究。试验基于直喷点燃式光学发动机,结合高速摄影及缸内压力测试等手段,进行了不同TPRF-丁醇燃料的火焰图像处理及分析,并结合燃烧分析仪测试了发动机的燃烧性能。试验结果表明:正丁醇与TPRF的混合燃料的火焰速率及火焰面积扩张速率最高,而叔丁醇与TPRF的混合燃料最低;丁醇的添加会抑制TPRF的着火倾向,导致燃烧持续期和着火延迟期明显延长,延长效果由大到小依次为叔丁醇、仲丁醇、异丁醇、正丁醇;由于丁醇的热值更低,黏度和汽化潜热更高,掺混丁醇后发动机平均有效指示压力也有显著降低。

喷油控制参数对中置喷油器GDI发动机喷雾及燃烧的影响

针对匹配中置高压喷油器的直喷汽油光学发动机,试验研究了不同喷油时刻及喷油压力下的缸内燃烧及喷雾发展特性,分析了燃油喷射控制参数对直喷汽油机缸内喷雾及燃烧的影响规律。研究结果表明:随第三段喷油时刻(θ_(SOI3))提前,燃烧持续期与滞燃期均先减小后增大,燃烧特征参数均在θ_(SOI3)=120°BTDC时存在明显拐点,此时平均指示压力(p_(mi))的循环变动系数C_(OVpmi)相对较小;第三段喷油时刻过晚,活塞上行距上止点较近,易导致油束冲击活塞表面;提高喷油压力可缩短燃烧持续期,有助于改善燃烧定容度,但喷油压力过大,油束贯穿距进一步延长,油束冲击缸壁的倾向增加,滞燃期及燃烧持续期反而延长。

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。

基于三维层析技术的光学柴油发动机机内火焰重构

本文搭建了基于一台光学柴油发动机的三维层析测量系统,利用高速相机和光纤束可以同时从8个不同方向获得燃烧室内的火焰投影,同时提出了一种特殊的标定装置,能够从多个不同方向标定光纤束与燃烧室之间的相对位置关系。本文分析了光学发动机中由缸套扭曲引起的重构误差大小,并应用三维层析技术对光学发动机内的火焰发展过程进行了重构,获得了不同发动机转速下的火焰三维结构。通过对火焰二维投影和三维结构的分析发现,随着发动机转速增加,燃烧效率变高,最大火焰面积/体积和火焰强度出现的时刻提前,但是利用二维火焰投影得到的最大火焰面积与利用三维火焰结构得到的最大火焰体积出现的时刻不同,这是由于火焰在燃烧室内除了沿着燃烧室直径方向扩散,还会沿着活塞运动方向扩散。利用火焰三维重构结果,可以获得火焰在沿活塞运动方向上的分布,有助于分析燃烧过程,为提高发动机效率提供依据。

喷油策略对直喷发动机燃烧影响的可视化研究

在一台中置多孔喷油器的光学单缸发动机上,通过高压直喷供油系统和时序控制单元控制喷油压力、喷油时刻(SOI)来研究燃油喷射控制策略对缸内喷雾发展形态和燃烧特性的影响,研究结果表明,SOI影响缸内混合气的形成,合适的SOI可以避免喷雾撞击缸套或活塞;SOI对燃烧特性有显著的影响,通过调整SOI,可以改善燃烧稳定性,减小燃烧过程中碳烟生成的明亮区域;缸内直喷发动机中,喷油压力直接影响喷雾的宏观形态,随着喷油压力的增加,有利于燃油的破碎和雾化,有利于缸内混合气的形成,进而保证稳定的预混合燃烧过程。

掺混PODE对汽油–柴油双燃料发动机燃烧及碳烟生成特性研究

本文针对清洁燃料替代传统燃料,在光学发动机上,利用高速成像技术结合双色法采集了柴油掺混聚甲氧基二甲醚(PODE)-汽油反应活性控制压燃模式下的缸内燃烧特性及碳烟生成过程。试验结果表明:相同预混比下随着PODE的掺混增加,缸内压力峰值、放热率峰值、压力升高率都随之降低,着火延迟期延长,燃烧持续期增加,燃烧相位后移,燃烧趋于平缓。在预混比为50%时,直喷P20D80及P50D50的单循环燃烧总放热量分别为直喷P0D100总放热量的97.89%和95.39%,单循环碳烟生成总量分别为直喷P0D100的55.22%和36.55%,碳烟高温区域分别减少了52.9%和73.32%,碳烟平均温度的稳定值分别降低了6.65 K和20.25 K,碳烟平均KL因子的稳定值分别降低了10.35%和16.12%。相较而言P50D50作为直喷燃料既能保证较高燃烧热效率,又能有效抑制碳烟的生成。

掺混策略对聚甲氧基二甲醚/甲醇双燃料燃烧影响的可视化研究

基于一台单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,开展了不同掺混策略对聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)/甲醇双燃料燃烧及火焰发展特性的影响研究,其中掺混策略包括P/M20(甲醇和PODE以2∶8的体积比掺混)燃料双喷射模式和缸内直喷PODE引燃预混甲醇混合气的反应活性控制压燃(reactivity-controlled compression ignition,RCCI)模式。结果表明,对于P/M20燃料双喷射模式,随着气道喷射比例增加,低温反应增强,滞燃期缩短,着火时刻显著提前,进而显著改善了燃烧稳定性;对于RCCI模式,随着气道喷射甲醇占比的增加,滞燃期延长,燃烧相位推迟,峰值压力和放热率均降低,并伴随着燃烧稳定性变差。燃烧可视化显示,两种掺混策略下,随着气道喷射比例的增加,蓝色预混火焰占比增大,最大火焰传播速度降低,由于末端未燃混合气浓度增加,火焰发展由明显的扩散燃烧逐渐转变为末端混合气不断出现新自燃点的顺序自燃模式。对比两种掺混策略可以发现,推迟缸内直喷时刻均能在一定程度上优化燃烧相位,显著改善指示热效率,然而其原因侧重点不同:对于P/M20燃料双喷射模式,提高气道喷射比例可以增强低温放热,促进着火,显著改善燃烧稳定性;对于RCCI模式,其燃烧过程主要位于上止点之后,燃烧相位更接近最佳燃烧相位,进一步减小了传热损失和循环负功,因此其具有更高的指示热效率,也更适合PODE/甲醇双燃料燃烧模式。

内燃机光学诊断试验平台和测试方法综述

活塞式内燃发动机是现代工业中应用最为广泛的动力机械装置。由于其内部燃料喷射、蒸发、燃烧等复杂的工作过程会对发动机的结构可靠性、能量利用效率和污染物生成产生极大影响,研究内部过程的物理机理并确定控制策略对于发动机的设计和改进具有重要的科学意义和实用价值。近年来,为更加深入理解发动机内部工作过程,研究人员广泛采用光学诊断试验技术来测量发动机缸内流动和燃烧特性。本文首先介绍了各类用于模拟发动机工作过程的试验台架(如定容燃烧弹、快速压缩机、光学发动机等)。在此基础上,分析了各类光学诊断技术的基本原理及其在发动机研究中的应用。光学诊断技术分为两类进行讨论,分别是基于传统光学的传统诊断技术(如纹影法、双色法等)和基于激光的先进诊断技术(如粒子图像测速法、激光诱导荧光法等)。光学诊断技术可在多尺度下测量缸内温度、物质浓度、液滴粒径等参数,为准确评估发动机喷油、蒸发、燃烧过程提供试验依据。更重要的是,光学诊断技术为更加深入理解高温高压环境下流动、燃烧的物理/化学机理提供了可能性,为开发高功率、高能效、低排放的先进发动机提供可靠的试验手段,同时为研究人员未来开展基础试验研究、更加深入地理解发动机工作过程提供指导。

基于PLIF光学测量的排气回流EGR分层效果

利用进气行程排气门二次开启实现排气回流,并通过排气门行为参数和滚流强度的改变对回流废气的缸内分层分布进行主动控制.为探究不同影响因素下回流废气缸内分布的规律性,在一台滚流气道单缸光学发动机上应用平面激光诱导荧光法测量了不同排气门二次开启规律、不同进/排气压差以及增强滚流等条件下回流废气在不同曲轴转角的分布状态.结果表明:排气门二次开启时刻在进气行程中后期时,回流废气会随着缸内已形成滚流运动沿燃烧室外围产生旋转运动,在近点火时刻保持回流废气与新鲜空气的分层分布状态;排气门二次开启时刻在进气行程前期时,由于缸内未形成有效的滚流运动,回流废气过早进入气缸基本形成均匀混合气;进气行程中后期较高的排气门二次开启升程仍能形成良好的EGR分层状态,并且还能起到减缓滚流旋转运动的作用;进/排气压差过大时,回流废气量较大,废气气流运动也较强,不易于产生EGR分层;较强的滚流运动可以加快回流废气缸内旋转速度,相同的曲轴转角内产生更大的转移幅度.

缸内直喷汽油机冷启动燃烧与排放光学试验研究

结合光学单缸机和激光诱导荧光测量技术对直喷汽油机冷怠速工况缸内油气混合与燃烧过程进行了可视化试验研究。试验采用了屋脊形透明缸套和双侧激光,利用统计图像评估方法得到了缸内混合气浓度和燃烧火焰分布图像,通过缸压传感器和燃烧分析仪对燃烧稳定性进行了分析,采用废气分析仪和光学传感器分别对碳氢和碳烟排放进行了分析评估。研究表明:燃烧稳定时燃油与缸套碰壁是碳氢排放产生的主要原因,碳烟排放则主要由活塞顶部燃油碰壁造成;适当推迟第二次喷油时刻有利于点火时刻火花塞附近稳定浓混合气的形成,继而提高燃烧稳定性,同时减少碳氢排放,过迟喷射会导致碳烟明显增加,过早喷射会造成缸内失火,碳氢排放增加。

航空直喷发动机缸内混合气形成的试验

基于航空活塞式基础样机的结构特点,自主研制了单缸低压直喷全透明光学发动机,并利用高速摄影对缸内混合气形成进行试验研究.分析了不同燃烧室形状、燃油启喷时刻以及发动机转速等条件下低压直喷发动机缸内的混合气形成规律.研究结果表明:新设计的偏心碗型活塞顶面能够有效地引导燃油喷雾形成向燃烧室顶部卷吸的运动,从而使得燃油液滴聚集在双侧火花塞附近;燃油喷射时刻对混合气形成影响很大,当进气门开度较小且活塞与上止点距离较为适中时喷射燃油,混合气形成质量最好;进气运动较强烈时,发动机转速提高会加速燃油液滴的蒸发,但同时活塞顶面对喷雾的引导作用被削弱,混合气形成质量变差;当进气运动变弱时,发动机转速提高会增强活塞顶面对油束的作用,即引导作用变强.

主预喷间隔对2-甲基呋喃/柴油RCCI燃烧的影响

基于光学发动机试验台架,结合缸内燃烧分析技术与高速摄影技术,探究在2-甲基呋喃(MF)占单次循环喷油量总热值50%的条件下,预喷和主喷2次喷油策略对MF/柴油反应性控制压缩点火(RCCI)的燃烧特性与碳烟排放的影响.结果表明:当主预喷间隔(主预喷之间的曲轴转角)小于40°时,随着预喷时刻的提前,预喷柴油与MF混合更均匀,低温放热不再局限于气缸中心,且主喷柴油雾化蒸发更好;混合气均匀使火焰由扩散燃烧主导向预混与扩散燃烧并存转变,燃烧更充分,速率更快;燃烧室内KL因子大于1.5的高碳烟区域减少,碳烟生成速率与产量明显降低.主喷时刻对燃烧初期火焰发展影响较大,随着主喷时刻向上止点推迟,滞燃期与燃烧持期缩短,燃烧相位推迟,燃烧前期低温放热增多,火焰发展速度变慢,后期碳烟生成增多.

乙醇汽油/加氢催化生物柴油双燃料发动机着火燃烧及碳烟生成特性研究

本文针对高低活性替代燃料,在光学发动机上,采用双色法和高速成像法开展了乙醇汽油加氢催化生物柴油反应活性控制压燃模式下着火燃烧及碳烟生成特性的可视化研究。试验表明:在预混能量不变的前提下,随着乙醇掺混汽油比例的增加,缸压峰值、火焰面积、自发光火焰最大光强逐渐减小,燃烧相位推迟,缸内的平均温度降低,局部空燃比更大,燃烧进行的更加平缓。预混E10、E50与E100每循环燃烧效率为预混汽油的95.3%、94.8%与85.1%,对应的KL因子总量最大值为预混汽油的71.0%,40.3%与32.9%,可见预混汽油可以展现出良好的燃烧特性,但碳烟生成量较高,预混E100可以很好地抑制碳烟的生成,但高汽化潜热以及对应主燃烧过程位于活塞下行行程使得E100燃烧特性较差,而燃用E10与E50在抑制碳烟生成的同时可以保证和汽油相当的燃烧特性。