Research on Spray, Combustion and Emission Characteristics for DI Diesel Engine

To improve the combustion chamber shape that can decrease the directed injection （DI） diesel emission, the theories of DI diesel spray, combustion and pollutant formation model are analysed and implemented based on the CFD code FIRE. Results show that the chamber with contracting orifice can get stronger squish swirl intensity. The results of the verification studies show a good accordance with the measurements and reveal that the individual processes of spray, evolution, combustion and pollutant formation are well captured in FIRE. Finally, based on the analyzing and comparing of the calculation results of different chambers, a combustion chamber of contracting orifice geometry with lower emission is proposed.

燃烧室形状及喷油策略对柴油机排放的综合影响

通过数值模拟的方法研究了活塞凹坑几何形状及喷油策略对柴油机排放的综合影响。活塞凹坑几何形状及不同喷油策略是影响直喷式柴油发动机油气混合、燃烧以及排放的重要因素。在保证活塞凹坑容积、发动机压缩比、总喷油量、总喷油持续时间不变的前提下,本文对三种不同的喷油策略及四种不同的活塞几何形状相结合的方案进行了研究,结果表明多次喷油及改变燃烧室形状对柴油机排放有着显著的影响。

生物质定制燃料在柴油机中的应用研究进展

从燃料的理化特性、基础燃烧特性、反应动力学机理以及在柴油机中的应用情况等方面,对2-甲基四氢呋喃(2-methyltetrahydrofuran,2-MTHF)、正辛醇和正丁醚这3种生物质定制燃料的相关研究进行阐述。从单燃料和掺混燃料两个方面综述以上燃料在柴油机中的应用研究情况。基于目前相关文献的研究成果,认为2-MTHF通常作为掺混燃料用于柴油机,而正辛醇和正丁醚可单独用于柴油机,且均有助于减少碳烟排放。提出未来研究的重点是开发适用于生物质定制燃料的柴油机三维燃烧模型。

EGR与进气富氧对直喷柴油机NO和碳烟排放的影响

使用增压中冷直喷柴油机,采用进气富氧与高比率EGR相结合的技术,实现富氧燃烧条件下的低NO-碳烟排放.单独使用富氧燃烧,NO的排放将随氧体积分数的上升而增加.单独使用高EGR,碳烟(Smoke)的排放会随EGR率的增加而增加.将富氧进气与高比率EGR的结合,可以通过富氧的强氧化性降低Smoke排放,通过大比率EGR来控制燃烧温度,抑制NO的过度增长.试验结果表明:1,600,r/min(经济转速)下,EGR率为35%～45%,进气氧体积分数为21%～23%;2,200,r/min(最高转矩)下,EGR率为20%～50%,进气氧体积分数为22%～24%;在上述范围内的EGR与O2搭配,可以实现低于原机的NO-Smoke排放.综合考察发动机在各种掺比下的功率、油耗,探索出适合发动机各个工况的富氧及EGR组合区域,在该区域内发动机的功率、油耗和排放水平都能得到兼顾.

直喷式柴油机进气道变压差稳流试验方法的研究

在直喷式柴油机气道稳流试验中,采用变压差试验方法代替传统的定压差方法。在气门升程最大时,将气道压差定到足以使流经气道内的空气为充分发展的湍流,采用涡流动量计,进行了直喷柴油机6108缸盖的气道稳流变压差试验。结果表明:变压差气道稳流试验中的Ricardo和FEV方法的流量系数、涡流强度、平均流量系数及涡流比等参数与定压差稳流试验的结果基本相同,最大差别不到1.5%,变压差方法可以替代定压差的气道稳流试验方法。试验结果还表明变压差试验所获得的数据具有良好的重复性和精度。采用变压差试验的方法可以减少气道稳流试验中的调整气道压差为恒值的操作程序,大幅度提高工作效率,利于实现气道试验台的自动化,从而适用于缸盖的在线检测。

不同海拔下直喷式柴油机燃用生物柴油时的性能研究

在大气模拟试验台架上进行了不同大气压下直喷式柴油机燃用0#柴油(B0)和纯生物柴油(B100)的动力性、经济性、烟度和噪声声压级测量对比试验。结果表明:随着海拔高度的增加,发动机动力性和经济性下降,噪声升高,但海拔对燃用B100发动机的影响小于B0;同一海拔下二者相比,燃用B100发动机实测油耗增加,动力性降低,全负荷时烟度减小。低负荷时二者有效热效率和噪声相差不大,但随着负荷的增加,特别是全负荷时,燃用B100发动机有效热效率明显提高,噪声小于B0。

直喷式柴油机燃烧噪声和活塞拍击噪声的探讨

通过试验方法获取燃烧噪声的传递函数 ,并测量噪声和缸内压力信号 ,用时间窗获取包含活塞拍击噪声的燃烧噪声 ,并与缸内燃烧压力和传递函数计算所得的燃烧噪声进行比较分析 ,得到了活塞拍击噪声出现的频率范围。对活塞拍击噪声的特性进行了进一步分析。

柴油机燃烧噪声增压影响机理试验分析

研究了直喷式柴油机增压对燃烧噪声的影响机理。通过测量稳态和恒转矩增转速瞬态工况增压前后影响燃烧噪声的参数,得出增压前后柴油机燃烧噪声的变化规律。从燃烧室壁面温度、气体动力载荷和压力高频振荡等方面对试验结果进行分析。结果表明:增压后燃烧噪声降低,增压对稳态工况燃烧噪声的降低比对恒转矩增转速瞬态工况更明显,增压在中速中负荷工况下,对燃烧噪声的控制效果较好。

柴油机燃烧过程的数值模拟及燃烧室改进

为了改善柴油机燃烧室内混合气的形成状态和燃烧质量,对改装DLH1105型直喷柴油机缸内喷雾和燃烧过程进行了动态数值模拟,并在压缩比不变的情况下设计了3种不同结构的燃烧室,分别为敞口型、直口型和缩口型.通过STAR-CD软件对3种结构的燃烧室进行了三维数值模拟,获得了柴油机的缸内流场、燃油质量分数分布和温度场.结果表明:模拟出的缸内喷雾和燃烧过程与可视化试验的结果吻合,计算模拟的方法可靠;缩口型燃烧室有较强的挤流强度,较长的涡流持续期,使混合气质量和燃烧性能优于直口燃烧室和敞口燃烧室,缸内压力和平均温度最高,Soot生成量最少,同时NO的生成量最大.

基于电控高压共轨燃油系统的多脉冲复合控制燃烧系统

为了实现柴油机NOx和碳烟超低排放的目标,提出了基于电控高压共轨燃油系统的多脉冲复合控制均质压燃(简称HCCI)燃烧系统。该系统应用电控共轨燃油系统对燃油喷射规律实现多脉冲灵活控制,通过提前角大于上止点前90°的多次脉冲喷射,成功控制了预混合气的形成、着火和燃烧过程。从小负荷直到平均有效压力高达0.79MPa的大负荷,均成功实现了以预混压燃燃烧为主要特征的燃烧过程,使柴油机的烟度始终能够控制在0.5BSU以下,HC排放小于40×10-6,而NOx大幅度降低至240×10-6。

增压前后柴油机燃烧噪声的对比分析

通过测量稳态和恒转速增扭矩瞬态工况增压前后影响燃烧噪声的参数,对比分析得出增压前后柴油机燃烧噪声的变化规律。结果表明:增压后燃烧噪声降低,增压对稳态工况燃烧噪声的降低比对恒转速增扭矩瞬态工况明显,增压在中速中负荷工况下,对燃烧噪声的控制效果较好。并从压力高频振荡、气体动力载荷和燃烧室壁面温度对试验结果进行了分析,证明了增压前后燃烧室壁面温度的差异影响增压前后柴油机燃烧噪声。

进气加入CO_2对直喷式柴油机燃烧的影响

在直喷式柴油机上研究了进气加入CO_2气体对其燃烧特性以及发动机性能和排放品质的影响。研究结果表明,进气加入CO_2,柴油机的混合气形成过程几乎不受CO_2气体加入量的影响,主要反映在着火延迟期随着CO_2加入量的增加而变长,燃烧持续期缩短,燃烧最高温度降低。同时导致柴油机的最大爆发压力和压力升高率降低,并且其出现的位置后移,充气效率下降,排气温度上升。加入CO_2后,NO_x排放有较大下降,HC、CO稍有增加,烟度受到的影响不大。

4气门直喷柴油机进气道组合和位置对进气涡流的影响

在稳流气道试验台上 ,对 4气门直喷柴油机采用螺旋进气道和切向进气道的不同组合和不同相互位置时 ,气道的流动特性进行了试验研究。为了分析相邻气道的进气气流在缸内干涉的程度及其对缸内涡流运动的影响 ,提出了流量系数损失率和角动量矩损失率的概念。研究结果表明 :柴油机采用切向气道在后的气道组合时 ,涡流比的变化受切向气道位置影响很大 ,相邻气道的进气气流干涉严重 ;采用螺旋气道在后的气道组合时 ,涡流比的变化受后面螺旋气道方位的影响较小 ,相邻气道的进气气流干涉较小。

直喷式柴油机燃用脂肪酸甲酯的排放特性

脂肪酸甲酯是由生物脂肪经过酯化反应得到的脂肪酸单酯,具有良好的燃料品质和环境友好性,是生物柴油众多种类中的一种。以纯矿物柴油、脂肪酸甲酯、含30%脂肪酸甲酯与70%柴油的混合燃料和含50%脂肪酸甲酯与50%柴油的混合燃料为燃料,在四缸涡轮增压直喷式柴油机上进行的性能对比实验,表明柴油机燃用脂肪酸甲酯能够保持其动力性和燃料经济性,可以显著降低HC和碳烟排放,但会增加CO和NOx排放。脂肪酸甲酯可以作为柴油机的代用燃料进行推广。

直喷式柴油机排放性能仿真研究

以直喷式柴油机燃烧过程现象学描述为基础,利用BOOST软件建立柴油机的准维多区现象学燃烧模型,对增压直喷式柴油机的排放特性进行仿真计算,其计算结果与实验数据取得了良好的一致性.利用三维仿真软件FIRE对其在标定工况下排放物的生成分布进行分析对比.讨论调整喷油始点对控制直喷式柴油机排放性能的影响.仿真结果表明,喷油始点提前越多,NOx生成增加,碳烟则有所减少.

柴油机富氧进气燃用乳化柴油的循环变动与燃烧特性

在直喷柴油机上采用进气增氧(氧气在进气中的体积分数为21%、23%、25%和30%)技术,对燃用不同掺水比乳化柴油(水在乳化柴油中的体积分数为0%、10%、20%和30%)的循环变动及燃烧特性进行研究;实验工况为发动机经济转速、中等负荷,采集20个连续循环,取最大爆发压力值,计算循环变动率。研究结果表明:在纯柴油条件下,随氧含量的增加,缸内最大爆发压力增加,循环变动率降低,燃烧始点提前;在使用乳化柴油时,着火点随水乳化率的增加而推后,但其依然遵循随进气O2体积分数增加而提前的规律;含水率达30%时,着火延迟加大,燃烧组织恶化,循环变动加大。

柴油机燃用不同乳化率柴油与富氧进气试验与模拟

在直喷柴油机上采用氧体积分数为21%、22%2、3%和24%进气增氧技术,燃用含水率为0%1、0%、20%和30%(体积比)的乳化柴油,进行试验研究及数值模拟。测试工况为被测发动机的最大扭矩点。试验及模拟结果均表明:在燃用相同乳化柴油,随进气氧体积分数的增加,燃烧始点提前,最大压力增加。在相同进气氧体积分数条件下,着火点随乳化柴油含水率的增加而推后。不同的进气氧体积分数及不同含水率的乳化柴油相互搭配可以控制燃烧室内着火时刻和着火速度。燃用30%乳化柴油,氧体积分数从21%增加到24%时NO排放均不超过原机。20%乳化柴油在22%氧体积分数以下效果较好。10%乳化柴油只是在空气助燃时比原机好。碳烟的排放随氧体积分数的增加而降低,亦随乳化率的增加而降低,使用乳化柴油和进气富氧均可使发动机的碳烟排放低于原机碳烟排放。从缸内温度场分布可知,燃料内的含水率对缸内的低温化学反应影响较大,进气内的氧体积分数对高温反应有较大影响。

高压共轨直喷柴油机缩口燃烧室内混合气形成的多维数值研究

改进设计了高压共轨直喷式柴油机缩口型燃烧室,利用FIRE软件针对不同燃烧室结构对燃烧室内气流特性的影响进行了多维数值模拟。研究了高压共轨喷射系统与缩口直喷式燃烧室匹配时不同喷射参数对燃烧室内流场、浓度场和温度场分布特性的影响,以及混合气形成过程的微观特性。研究结果表明:改进后的缩口直喷式燃烧室能够合理地利用喷雾的动能,提高燃烧室内的气流强度及其保持性,从而加强燃烧开始后燃油与空气的混合能力,促进扩散燃烧过程。因此,合理的燃烧室形状配合喷射时刻和压力的有效控制能在提高发动机性能的同时降低排放,是高压共轨直喷式柴油机实现高效率低排放的有效途径。

直喷柴油机喷油系统对燃烧和排放影响的三维模拟研究

直喷柴油机的喷油过程影响燃烧过程、影响发动机性能和污染物排放。为了研究喷油特性(如不同的喷油压力、喷油定时和喷孔直径等)对燃烧性能的影响,利用三维数值模拟软件K IVA-3代码,对喷油过程、燃烧过程和发动机性能进行了数值模拟。计算结果显示了不同喷油特性下的NO和碳烟排放的变化趋势。

EGR对直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声影响的试验研究

设计了合适的废气再循环(EGR)系统和试验方案,通过测量引入EGR前后影响燃烧噪声的参数,开展EGR对直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声影响的研究。研究结果表明:引入合适的EGR量,可以降低柴油机瞬态工况燃烧噪声,使大部分负荷工况的柴油机瞬态工况辐射噪声降低1 dB以上,且对动力性能影响不大。针对试验结果的分析表明:合适的EGR率使得瞬态工况过程的压力升高率降低,压力高频振荡幅值减小,从而引起相应的燃烧噪声的降低。