基于CFD及稳流试验的柴油机进/排气系统的性能

以R180单缸卧式水冷涡流室式柴油机进/排气系统为研究对象,采用计算流体动力学(CFD)技术与稳流试验相结合的方法,对涡流室式柴油机进/排气系统的性能展开研究,对进/排气道、空气滤清器和消声器结构进行优化设计,减少流动阻力,提高进气量和减少残余废气量,改善柴油机的性能和降低排放.整机性能试验表明:进/排气系统优化后,速度特性上的充量系数均增大,标定工况下燃油消耗率降低了3.0%,;CO、HC+NOx和PM排放的实测值分别为2.209、4.520和0.561,g/(k W·h),相比原机分别降低了26.7%,、7.0%,和9.3%,.

柴油机涡流室连接通道结构参数对其空气流动特性影响的研究

利用建立的各向异性k-ε湍流模型和精确测量的通道入口边界条件，计算研究了不同连接通道位置和角度下涡流室内的空气湍流流动特性。研究结果清晰展示了各种情况下的涡流发展形态、涡流速度分布特性及其他各湍流量的分布特性，揭示了连接通道结构对涡流室内空气流动特性的影响规律。

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。

非道路用小缸径涡流室柴油机的性能与排放

以轻型170F柴油机为样机,对影响涡流室燃烧的因素进行研究,得出了喷油系统结构参数匹配不合理是目前国内涡流室柴油机性能差的主要原因。采用新设计的长型轴针式喷油嘴解决了喷油嘴头部热负荷高、喷油嘴易卡死及安装后喷油嘴座面密封不严易滴漏的问题。通过对喷油结构参数和涡流室参数优化,170F柴油机性能大幅提高,标定工况燃油消耗率降至283.5g/(kW·h),比原机下降了13.2%;烟度降至0.8FSU,整机排放达到了国-Ⅱ限值要求。

柴油机双卷流燃烧室内外室燃油匹配分析

为了分析双卷流燃烧室内室燃油质量分数对发动机性能的影响,研究了双卷流燃烧室最佳的内室燃油质量分数范围。首先利用AVL Fire软件仿真计算不同油束夹角下双卷流燃烧室内室燃油质量分数变化,分析内室燃油质量分数变化对发动机的动力性和排放性能的影响,发现内室燃油质量分数约为10%~20%时,发动机指示功率较高,碳烟排放较低。然后总结归纳了内室燃油质量分数随喷油提前角和转速变化的规律。转速增大,内室燃油质量分数减小;喷油提前角增大,内室燃油质量分数增大。研究表明转速提高时,适当增加喷油提前角可以保证内室燃油质量分数处于较优值,使柴油机取得较佳性能。该研究可为双卷流燃烧系统的燃油匹配提供参考。

发动机涡流室连接通道对空气流场影响的模拟研究

应用FLUENT软件,对S195型涡流室柴油机的压缩过程进行三维数值模拟,获得了涡流室内气体的速度与温度变化规律.通过对比分析研究了不同角度的连接通道对涡流室空气流场的影响.

涡流室柴油机燃烧过程模拟

利用FLUENT软件构建了描述S195型涡流室单缸柴油机燃烧过程的三维数学物理模型,并对气体在涡流室内的运动情况进行了数值模拟分析,获得了缸内气体的压力变化、温度变化以及碳烟排放的情况。实测结果表明,该模型能够比较准确地模拟涡流室柴油机的燃烧过程。

柴油机涡流室结构参数对涡流室内空气流动特性影响的研究──第Ⅰ部分：涡流室形状的影响

本文建立了一个用于计算涡流室内各向异性湍流的ｋ－ε湍流模型，结合双色氩离子激光多普勒测速仪的测量结果，利用经过改进的Ｋｉｖａ－Ⅱ程序计算了吊钟型、ＣｏｍｅｔＶ型及球型等３种典型柴油机涡流室内的空气流动特性，并与部分实验结果进行了比较。研究结果揭示了各涡流室内的空气流动特性，并阐明了涡流室形状的影响规律。

涡流室式柴油机油滴破碎和喷雾碰壁的三维数值模拟

根据不稳定性理论，将燃烧室中油滴破碎过程分为ＫＨ不稳定破碎和ＲＴ不稳定破碎；根据Ｗｅｂｅｒ数将喷雾碰壁过程分为粘附、反弹粘附和飞溅附壁射流３ 种模式，建立了油滴破碎和喷雾碰壁的数学模型。根据油滴破碎模型计算所得的喷雾贯穿距离和ＳＭＤ值同试验结果相一致，喷雾碰壁模型计算所得的油滴位置图形与高速摄影结果相一致。将已被试验验证后的模型应用于涡流室式柴油机中， 计算了涡流室内喷雾的发展过程，计算结果与高速摄影结果吻合良好。

单缸直喷柴油机涡流室燃烧系统外部增压的实验研究

为满足非道路用柴油机的排放法规,从改善柴油机缸内混合气形成质量出发,提出了直喷式柴油机涡流室燃烧系统;设计了柴油机外部增压系统,进行了新型燃烧系统在外部增压下性能的实验研究。结果表明,外部增压能降低柴油机的油耗和排放;增压压力为0.15MPa时,柴油机油耗率最低。增压压力为0.18MPa时,使用4×0.36×140°喷油嘴在供油提前角为8°CA、90%负荷下,NOx排放量仅为常压下的25%。

涡流室式柴油机相关火焰微元燃烧模型的三维数值模拟

把涡流室式柴油机不同区域与不同时期的燃烧过程分开处理，将涡流室的燃烧过程划分为３个阶段，即：低温着火化学动力学反应阶段、高温预混燃烧化学动力学反应阶段和相关火焰微元的扩散燃烧阶段，而认为主燃烧室的燃烧只有相关火焰微元的扩散燃烧阶段。用Ｓｈｅｌ着火模型、Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程和相关火焰微元模型来分别模拟低温着火、高温预混燃烧和扩散燃烧过程。开发了三维数值模拟计算程序并对其进行计算，研究了涡流室中瞬态温度场的变化过程。模型预测的示功图和涡流室中的燃烧放热率与试验值吻合良好。

涡流室涡流比对涡流室式柴油机污染物生成影响的数值模拟

为了揭示涡流室涡流比对涡流室式柴油机污染物生成影响规律，采用标准k-ε-f湍流模型和LUENT动网格技术构建涡流室式柴油机燃烧仿真计算模型，并通过实验验证得到合理的仿真计算模型参数。对不同涡流室涡流比时涡流室式柴油机压力和温度分布以及污染物生成影响规律进行数值模拟。研究结果表明：涡流比Rs对涡流室式柴油机气缸燃烧及污染物生成的影响规律是NOx生成量随涡流比Rs的增大而下降，而Soot生成量随涡流比Rs的增大而增大；可以通过优化在Rs为2.5-3.1范围内找到1个合适的涡流比Rs，使涡流室式柴油机气缸NOx生成量和Soot生成量均为较小值。

涡流室式柴油机空气运动的3维数值模拟

通过对标准ｋ－ε模型作适当修正来模拟气体的湍流运动，建立了涡流室式柴油机的空气运动的３维数值计算模型，开发了大型微机化３维数值模拟程序。首次对吊钟型涡流室式柴油机的流场进行了３维计算，计算结果与ＬＤＶ实验结果具有良好的一致性。画出了涡流室纵截面、横截面和侧截面上的速度矢量图。分析了各截面上气体速度的变化过程和涡心运动轨迹，研究结果揭示了涡流室中空气运动的３维流动特性。

涡流室式柴油机燃油喷雾过程的三维可视化研究

通过改进KIVA－Ⅱ程序中的油滴破碎和喷雾碰壁两个子模型，在微机上对涡流室式柴油机燃油喷雾过程进行可视化研究。画出油滴运动轨迹和燃料蒸汽浓度的三视图，研究涡流室内油滴的运动过程和喷油对涡流室内速度场和温度场以及平均温度和平均压力的影响，计算结果与高速摄影结果[1]基本一致。

柴油机变通道涡流室式燃烧室的研究

本文提出了一种柴油机新型涡流室式燃烧室——变通道涡流室式燃烧室.研究结果表明,这种燃烧室由于减少了通道流动损失并加速了主燃烧室的放热速率,在柴油机宽广的运行范围内,其热效率比原涡流室式燃烧室大大提高,而排温、烟度和噪声也有较大改善.它兼有直喷式和涡流室式柴油机燃烧方式的优点,是一种高效率的涡流室式燃烧室.

利用混合破碎模型对涡流室内喷雾过程的三维数值模拟

利用已开发的大型流体计算软件包 ＥｎｇｉｎｅＣＦＤ－Ⅱ对涡流室式柴油机内的喷雾过程进行了三维数 值模拟。作者借鉴ＷＡＶＥ破碎模型的优点，进一步完善了ＴＡＢ破碎模型，使用混合模型来描述不同阶 段的油滴破碎过程。模拟结果与试验数据基本一致。

用等效热力系统法求解涡流室柴油机燃烧放热率的计算模型

就涡流室式柴油机燃烧放热率理论模型及其算法问题，提出了严谨的等效热力系统物理模型及其等效原则，以及完整的燃烧放热率计算模型，解决了主、副燃烧室间连接通道处流量系数瞬态值的计算问题。通过对S195涡流室式柴油机燃烧放热率的计算，揭示出瞬态流量系数随曲轴转角的变化规律及其回归关系，以及主、副燃烧室各自的燃烧形态和燃烧放热率。该种模型可进一步提高涡流室式柴油机燃烧放热率的计算精度。

大功率柴油机进气涡流与燃烧室优化匹配的多维仿真研究

为了得到柴油机进气涡流与燃烧室口径比、燃烧室形状的匹配关系及其对缸内气体流动和混合气形成的影响,对某型大功率柴油机进气涡流与燃烧室的优化匹配进行了多维仿真研究。研究结果表明:进气涡流与燃烧室进行优化匹配,能显著地提高柴油机的动力性;随着燃烧室口径比的增大,最优匹配的涡流比也相应增大,当口径比为0.8时,指示功率最高;对于油束撞壁情况,进气涡流主要影响燃油蒸气在燃烧室壁面附近的分布情况;对于油束未撞壁的情况,进气涡流影响相邻油束之间的干涉和燃油蒸气的空间分布;不同的燃烧室形状应匹配不同的涡流比,在几类燃烧室中,缩口燃烧室匹配的涡流比最大,其动力性也最好;随着涡流比的增大,燃油蒸气区的流场加强,影响燃油蒸气的输运及燃烧特性。

一种新型涡流室式柴油机燃烧系统的研究

本文在对影响涡流室式柴油机燃油消耗率的３个主要因素进行分析的基础上，提出了一种新型涡流室镶块连接通道形状，并在一台单缸柴油机上分别进行连接通道和主燃烧室形状的改进设计。实验结果表明，改进后的镶块连接通道能有效的增加流通系数（尤其是在高速高负荷时），减少节流损失，降低燃油消耗率，而非对称式双涡流主燃烧室能加快主燃烧室的扩散燃烧，改进后的涡流室式柴油机在标定工况下与原机的燃油消耗率相比下降了２．０％左右。

小型农用风冷柴油机冷起动性能提高试验研究

针对影响涡流室柴油机冷起动性能的因素及涡流燃烧室最佳结构参数匹配问题,采取5种燃烧室设计方案对柴油机进行了对比实验,得到了0℃左右冷起动时合理设计的涡流室副室的形状和尺寸,通道的形状和位置,起动孔的锥度和夹角,主燃烧室活塞顶导流槽的形状等参数,并将各项性能较优的方案1和方案2应用于CZ165F柴油机.结果表明:在-2℃的低温下都能使其顺利起动,并且其功率、油耗、烟度、噪声等性能指标也得到较大改善.