点火位置对X型转子发动机燃烧过程的影响

为探究X型转子发动机独特燃烧室内复杂湍流场与点火位置的耦合作用对混合气燃烧过程的影响,建立了X型转子发动机的三维计算流体动力学模型,并与试验结果进行对比验证,数值研究了不同点火位置下X型转子发动机缸内燃烧过程,揭示了点火位置对火焰传播、燃烧特性及污染物形成的影响规律。结果表明,在压缩末期,X型转子发动机燃烧室内形成了包括涡流和单向流的复杂湍流场,这与点火位置的耦合作用显著影响火焰传播过程。为了获得较高火焰传播速度,点火位置不宜布置在漩涡区处。点火位置位于凹坑中部时,可以充分利用四周空间和涡团与单向流场过渡处形成的较高速度场加速火焰传播,从而提前燃烧重心,增加放热速率,而且峰值压力提高了25%,指示热效率超过30%;同时其也具有较低的HC和CO排放量;但是由于其缸内峰值温度较大,导致NO排放量增加。

不同氢气喷孔直径对汽油掺氢X型转子发动机性能及污染物排放的影响

针对高效X型转子发动机汽油燃烧不充分的问题,提出了一种缸内直喷掺氢方法用于提升燃烧效率和发动机热力性能。建立了X型转子发动机三维CFD数值模型,通过缸压、放热率和功率实验数据验证了模型有效性,在喷氢总量、喷氢压力、喷氢开始时刻相同的条件下,分析了氢气缸内直喷且汽油预混时氢气喷孔直径对发动机缸内流动、燃烧、热力性能以及污染物排放特性的影响,并与纯汽油预混式发动机性能进行对比,揭示了缸内直喷掺氢方法的优越性。结果表明,在小氢气喷孔直径(2 mm)下,火焰传播比较均匀,且在燃烧室两侧狭缝中都有较大的对称的火焰,燃烧更加充分,发动机指示热效率达到了最高37.07%,较不喷氢和大氢气喷孔直径(4 mm)分别提高了10.23%和7.85%。与大氢气喷孔直径相比,虽然小氢气喷孔直径下NO x排放量上升了21.12%,但是碳氢化合物、碳烟排放量分别下降了79.08%和2.17%。小氢气喷孔直径(2 mm)为最优喷氢方案,研究为X型转子发动机的喷氢方案设计与优化提供了指导。

考虑污染物排放的开式转子发动机总体性能建模及分析研究

开式转子发动机兼具涡桨发动机高推进效率和涡扇发动机高飞行速度的特点,是未来民用单通道客机理想动力装置之一。为了掌握开式转子发动机的性能变化规律,明确开式转子发动机相比于常规大涵道比涡扇发动机节油和降低污染物排放的优势,本文基于螺旋桨相似理论和动量理论,建立了考虑前后排桨扇相互影响的对转桨扇模型;与双轴燃气发生器进行匹配,建立了三轴齿轮传动开式转子发动机模型;同时建立了发动机污染物排放计算模型;对同技术水平的开式转子发动机和大涵道比涡扇发动机进行了性能对比。结果表明:所建立的对转桨扇模型与实验结果误差较小,最大误差不超过3%。飞行马赫数增大,桨扇功率系数增大,推力系数减小,耗油率增大;飞行高度增加,桨扇功率系数和推力系数均增大,耗油率呈减小的趋势。相比于同技术水平的大涵道比涡扇发动机,开式转子发动机在典型工况下的耗油率降低9%以上。在飞机起飞着陆循环内,开式转子发动机的UHC,CO和NOx三种污染物排放指数相比于大涵道比涡扇发动机降低10%以上,表明开式转子发动机可有效降低航空污染物的排放。

翅片参数对小型转子发动机端盖传热特性影响

为了探究小型风冷转子发动机散热翅片参数与端盖传热特性之间的关系。基于流体力学理论与传热学理论,建立了整机冷却散热的流固耦合三维仿真模型,对具有不同散热翅片参数的发动机进行了数值模拟,研究了翅片的高度、长度、厚度及翅片间隙对端盖表面的换热能力和综合性能的影响。结果表明,随着翅片高度的增加,端盖表面的换热能力先提高后降低,但综合性能评价指标不断减小。翅片长度小于10mm时,适当的增加翅片长度可提高换热能力。此外,随着翅片间隙与翅片厚度的增加,端盖表面的散热能力持续增强、综合评价指标不断提高。该研究可为小型风冷转子发动机端盖散热翅片的优化设计提供理论支持。

纯氢及掺氢燃料转子发动机研究进展

针对氢燃料在转子机方面的应用进行了综述,旨在探索转子机的可持续发展之路。凭借火焰速度快和淬火距离短的特点,氢气能够改善转子机由于燃烧室狭长、面容比大而导致的不完全燃烧,降低油耗与排放;由于进气、做功与排气处于不同工作腔且无进/排气门结构,转子机更能避免氢点火能量低而引起的早燃和回火现象,从而有效提升热效率,改善发动机做功能力。

喷油位置对柴油转子发动机分层混合气形成的影响研究

柴油转子发动机采用缸内直喷加引燃点火的运行方式,其混合气形成对后续燃烧过程具有重要的影响。基于实验验证的三维动态数值仿真模型,研究了喷油位置对燃烧室内燃料分层规律的影响,分析了五组不同喷油位置下燃烧室内燃料的浓度、质量分数、蒸发量等信息的变化规律。研究结果表明:改变喷油位置,缸内平均压力和平均温度的变化均较小,但是燃烧室内和点火腔附近的燃料分布规律和质量分数变化明显。当采用较远的喷油位置,即远离点火腔时,燃烧室内分层混合气的分布位置和浓度较合理,点火腔周边的燃料浓度较适中。结合转子发动机向前的火焰传播特性,喷油位置为35 mm、40 mm和45 mm是优选的方案,其混合气分布更理想。为缸内直喷液体燃料转子发动机可燃混合气组织提供一些理论参考。

转子发动机应用发展与关键技术

转子发动机具有结构简单、运行平稳、功率密度高等特点,广受人们的关注。回顾了转子发动机在国内外的发展情况以及应用状况。对比目前传统往复活塞式发动机应用的先进技术,总结了转子发动机工程开发关键技术及建议,并对未来转子发动机的应用进行了展望。

不同供氢方式对X型转子发动机性能影响的仿真研究

为了进一步提升新型动力装置X型转子发动机的性能,采用掺氢燃烧的方式改善发动机的燃烧过程。利用数值仿真建立并验证了XMv3型转子机的掺氢CFD模型,选择了进气道掺氢和燃烧室直喷掺氢两种供氢方式进行对比,探究了掺氢对缸内流动、燃烧和排放过程的影响,揭示了掺氢比例以及不同供氢方式对缸内湍动能和涡度、自由基团、缸温和缸压以及CO和NO_(x)排放的影响规律。结果表明:在进气过程中,缸内形成了伴随着两个涡团的主流场,将气体带向燃烧室的两侧,充分混合空气与燃料,有利于燃烧过程;掺氢后,燃烧区域向燃烧室两侧狭缝扩展,改善了燃烧性能,且直喷掺氢的效果要明显优于气道掺氢的;同时,由于采取高当量比的燃烧策略和掺氢提高了缸内温度,分别使得CO和NO_(x)的排放量明显增加;相比未掺氢的情况,掺氢能量分数为5%时,气道掺氢和直喷掺氢的缸压峰值分别提高了16.71%和43.15%。本研究可为X型转子发动机供氢方式的设计提供参考依据。

甲醇汽油掺混比对转子发动机性能的影响研究

甲醇有着含氧量高、燃烧性能良好和排放清洁等特点,被认为是理想的发动机替代燃料。以一款周边进气转子发动机为研究对象,提出通用的等效方法,在GT-POWER中建立等效往复式三缸四冲程发动机仿真模型,并对仿真结果进行对比验证。在此基础上,研究甲醇替代比对转子发动机燃烧过程和性能的影响规律,研究结果表明:汽油中掺混甲醇可以提高混合气燃烧速率,可使得转子发动机的缸压提高并且燃烧相位提前。在甲醇掺混比低于50%时,随着掺混比增加,转子发动机性能提升明显,缸压峰值对应的曲轴转角接近上止点,发动机功率和扭矩较纯汽油分别提升13.6%和12.8%。在甲醇掺混比高于50%时,随着掺混比的增加,发动机燃烧相位过于提前,压缩负功增加,发动机动力性提升效果降低,在M100时发动机功率提升仅为5.9%。研究结果可为转子发动机使用甲醇燃料以提升性能提供一定参考。

径向密封泄漏作用下喷射策略对柴油转子发动机燃烧过程的影响

为进一步提升柴油转子发动机的性能,对柴油转子发动机缸内燃烧过程进行了研究。此外,考虑到转子发动机在实际工作过程中难以避免的径向泄漏,建立了一种考虑径向密封泄漏的周边进气转子发动机三维动态计算模型,并对模型进行了验证。结合该计算模型,研究了柴油喷射时刻和喷射持续期对燃料分布及燃烧过程的影响。结果表明:当喷射时刻为上止点前80°曲轴转角且喷射持续期为50°曲轴转角时可获得较好的燃烧和排放特性。与原方案相比,缸内峰值压力提升了11.38%,碳烟和CO生成量分别降低了78.71%和92.72%,NO_(x)和CO_(2)生成量有所增加。

三角转子发动机的特点及其发展概况综述

介绍了新型发动机———三角转子发动机的结构特点和工作过程,在与往复式发动机进行比较的基础上阐述了转子发动机的工作特点,并介绍了转子发动机的发展新技术和国内外发展状况,以及应努力的方向。

汽油转子发动机燃烧过程模拟技术研究

建立了汽油转子发动机燃烧过程的数学模型;基于实验数据,考察了往复式汽油机湍流燃烧速率计算经验式在汽油转子发动机中应用的不适用性,并对其进行了修正;将建立的燃烧模型和修正后的湍流燃烧速率计算公式用于预测汽油转子发动机燃烧室内气体压力和平均指示压力,预测与测量结果基本吻合。结果表明:建立的汽油转子发动机燃烧过程数学模型和修正后的湍流燃烧速率计算公式准确,可用于汽油转子发动机性能模拟研究。

点火位置对天然气转子发动机燃烧的影响

为了实现对火花点燃式转子发动机工作过程的动态模拟,建立了相应的湍流和燃烧模型。在此基础上,计算得到了转子发动机缸内的流场、温度场演变及火焰传播过程。并在相同点火条件下,分析了不同点火位置对缸内燃烧过程的影响。研究结果表明:点火位置位于湍流到单向流的过渡区域时,压力峰值增大,但同时缸内平均温度增大,NO排放量也相应增加。

点火提前角对天然气转子发动机燃烧过程的影响

以火花点燃式转子发动机为研究对象,建立了相应的湍流和燃烧模型,实现了发动机工作过程的动态模拟。在此基础上,计算得到了转子发动机缸内流场、温度场的演变及火焰传播过程,并计算分析出了不同点火提前角对缸内燃烧过程的影响。计算结果表明:燃烧室内部涡流对火焰传播起着积极的加速作用,点火时火花塞位于涡流区到单向流的过渡区域最好。随着转子运动,涡流会因燃烧室容积减小而受到挤压并消失,在涡流消失时刻一定的情况下,为了充分利用涡流的作用时间,应该适当地增大点火提前角。在计算工况下,当点火提前角为47°时,发动机的燃烧效率和气缸内压力峰值均最高,并且NO x的排放较少。此研究为其他不同工况下,转子发动机的最佳点火提前角的确定提供了理论参考依据。

LPG转子发动机缸内燃烧影响因素研究

建立了转子发动机的计算模型,结合自编程序在CFD软件上对转子发动机的燃烧过程进行了二维动态数值模拟,并利用实验结果进行了验证。在此基础上,计算得出缸内直喷LPG转子发动机燃烧演变过程,分析了喷嘴在3个不同位置时发动机的燃烧特性,由此确定了喷嘴安装的最佳位置,并进一步研究了该情况下喷油时刻和喷油持续期对转子发动机燃烧过程的影响。研究结果表明:在转速一定,给定喷射方向、喷射持续期和喷雾锥角时,发动机存在一个最佳喷射提前角,能使燃烧室内混合气分布合理,气缸压力峰值高,最大放热率和最大压力升高率高,燃烧持续时间短,发动机热效率高。当喷嘴位于长轴顶点时,燃烧稳定性和持续性都比其他两个位置更好,最佳喷射提前角对应的燃烧压力峰值最高;若在此最佳喷射提前角下,保持其他条件不变,改变其喷射持续期,会使最高燃烧压力和最大放热率出现一定的降低,但影响不大,其燃烧特性仍然比较理想,气缸压力峰值能达到6 MPa以上。

双转子发动机转子-机匣碰摩振动特征研究

双转子发动机发生转静碰摩时,会出现高低压转子组合频率(频率和、频率差),但无法区分高、低压转子碰摩。采用简化的动力学模型,讨论双转子发动机转子与机匣碰摩的情况,认为碰摩力往往是一个旋转的力,并对碰摩的三种形式进行了理论分析和数值仿真。发现高压转子发生碰摩时,会出现高压转子的整数倍频NΩH及组合频率NΩH±ΩL的频率成分;低压转子碰摩时,则会出现低压转子的整数倍频NΩL及组合频率NΩL±ΩH的频率成分。组合频率成分在转子上反映并不显著,在机匣的振动响应中则会很突出。开展了双转子碰摩实验研究,实验结果和发动机实测结果均验证了上述结果的正确性。

直接喷射分层燃烧转子发动机工作过程的模拟

利用零维热力学模型对直接喷射分层燃烧转子发动机工作过程进行模拟计算,得到了燃烧室内工质温度、压力随偏心轴转角的变化和性能参数曲线,并与文献[5]中的计算结果进行了比较。结果表明:该模型可满足工程应用的需要,可作为直接喷射分层燃烧转子发动机初步或改进设计的分析工具。

柴油转子发动机的全可变配气系统优化

柴油转子发动机作为动力源头在农业领域中被广泛运用,为使其配气端口的设计与优化向系统化发展,进一步提升转子发动机的性能,提出了配气端口参数化设计及优化方法。根据柴油转子发动机的特性,建立配气端口曲线方程,采用6个配气参数构建转子发动机全可变配气的参数化模型和一维工作过程仿真模型。采用单因素扫值和响应面法,建立了功率及燃油消耗率的回归模型。以功率和燃油消耗率为性能指标,采用NSGA-II方法对全可变配气端口系统进行了多目标优化。研究结果表明,采用单因素扫值和响应面法相结合的方法,响应面回归模型的相关性系数大于0.95,具有良好的准确性与预测性;优化后,进气端口向前移动19.21°曲轴转角(Crank Angle,CA),进气口持续期增大了78.40%,端口宽度扩大了58.89%;排气端口向后移动19.92°CA,持续期不变,端口宽度扩大了46.60%;功率增加了1.07 kW、提升了25.36%,燃油消耗率降低了104.46 g/(kW·h),降低了20.01%。该研究可为转子机配气系统的设计与优化提供参考依据。

汽油转子发动机热力过程数值模拟研究

建立了汽油转子发动机燃烧室内热力过程及一些边界的数学模型,并发展了相应的计算软件。通过数值模拟计算获得了汽油转子发动机燃烧室内气体压力、各区内气体温度随偏心轴转角的变化及各工况下的性能参数,并将数值计算和试验测量结果进行了对比分析。结果表明:本文发展的预测汽油转子发动机热力过程的数学模型正确,计算软件可靠,计算精度满足工程需要,可用作设计研制汽油转子发动机的分析工具。

燃烧室结构对天然气转子发动机燃烧过程的影响

以一台由端面进气汽油转子发动机改装而来的预混天然气转子发动机为研究对象,在FLUENT软件的基础上通过编程实现转子发动机三维网格的偏心运动,并选择合适的湍流模型、燃烧模型以及详细的CHEMKIN化学反应机理,建立基于化学反应动力学的端面进气天然气转子发动机三维动态数值模拟模型。通过与试验数据进行对比和分析,验证模型的可靠性。在此基础上,研究燃烧室结构对端面进气天然气转子发动机的缸内流场、温度场和中间产物浓度场的影响。结果表明,当燃烧室凹坑布置于转子曲面长度方向的前端和转子曲面宽度方向的中心时,燃烧过程同时利用了燃烧室后部的滚流以及燃烧室中部高速流区对火焰的加速作用,缸内整体燃烧速率最大。同时,其缸内压力最大以及中间产物OH的生成量也最大,其压力峰值比中置凹坑燃烧室提高了19.9%,但其NO质量分数仍在0.5%以内。