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吸气式PDE点火室引入氧气的试验研究

固体火箭技术 2015年第3期38卷 342-346页

作者：胡焰彬翁春生白桥栋杨建鲁黄孝龙南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094

为了改善吸气式脉冲爆轰发动机的爆轰效果,在发动机的点火室内引入了氧气,并开展了系列试验研究,研究结果表明,点火室内引入氧气,提高了吸气式PDE的爆轰波压力与传播速度,缩短了点火起爆的时间,增加了发动机的平均推力,简化了发动机内... 详细信息

为了改善吸气式脉冲爆轰发动机的爆轰效果,在发动机的点火室内引入了氧气,并开展了系列试验研究,研究结果表明,点火室内引入氧气,提高了吸气式PDE的爆轰波压力与传播速度,缩短了点火起爆的时间,增加了发动机的平均推力,简化了发动机内的强化燃烧装置。与纯空气状况相比,爆轰波压力最大增加了1.28倍、爆轰波传播速度与发动机平均推力的最大增幅分别为69.57%和62.84%,点火起爆时间则相应减少了36.47%。点火室引入的氧气量存在临界值,小于临界值时随着引入氧气量的提高,发动机爆轰效果的改善越显著;大于临界值时,发动机会形成连续燃烧。

关键词：吸气式脉冲爆轰发动机点火室氧含量燃烧转爆轰平均推力试验研究

点火室式直喷汽油机燃烧系统的研究Ⅱ:点火室内混合气形成过程

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内燃机学报 2010年第4期28卷 309-315页

作者：田江平隆武强西田惠哉张武大连理工大学内燃机研究所辽宁大连116023 广岛大学喷雾与燃烧实验室

介绍了点火室式直喷汽油机的工作过程,使用与点火室对称面具有相同截面形状的二维碰撞块进行了激光吸收散射法的试验,研究了喷射压力、环境条件、碰撞角度以及点火室深度对点火室内混合气形成过程的影响。在与试验相同的条件下,进行了... 详细信息

介绍了点火室式直喷汽油机的工作过程,使用与点火室对称面具有相同截面形状的二维碰撞块进行了激光吸收散射法的试验,研究了喷射压力、环境条件、碰撞角度以及点火室深度对点火室内混合气形成过程的影响。在与试验相同的条件下,进行了碰撞喷雾的数值模拟,并使用试验数据对数值模拟中采用的碰撞模型进行了评价。试验结果表明:过大的碰撞角度会阻碍喷雾汽化过程;提高喷射压力可以加快喷雾汽化速度;近距离早喷射不利于点火室内混合气的形成;浅的点火室可以拖后喷射开始时刻,但会增大火花塞结碳的可能。计算结果与试验结果对比表明:目前常用的碰撞模型均不能在各个方面都与试验结果相吻合。

关键词：点火室缸内直喷汽油机激光吸收散射法数值模拟

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点火室式柴油机射流控制压缩着火模拟研究

点火室式柴油机射流控制压缩着火模拟研究

作者：李强大连理工大学

学位级别：硕士

柴油机作为热效率最高的动力机械装置之一,在不断发展的同时其排放也受到了法规的严格限制。为了应对法规的限制,与柴油机有关的各种技术也在不断发展,其中柴油机预混合燃烧技术已经可以实现高效清洁的燃烧过程,尤其是极低的氮氧化物(N... 详细信息

柴油机作为热效率最高的动力机械装置之一,在不断发展的同时其排放也受到了法规的严格限制。为了应对法规的限制,与柴油机有关的各种技术也在不断发展,其中柴油机预混合燃烧技术已经可以实现高效清洁的燃烧过程,尤其是极低的氮氧化物(NOx)排放,因此逐渐成为柴油机燃烧研究的热点,但是柴油机预混合燃烧着火相位的控制还是难以解决。本文在河柴重工HLT132预混合燃烧柴油机上采用了一种带有点火室的射流控制压缩着火(JCCI:Jet Controlled Compression Ignition)的方式控制着火相位,并且对缸内燃烧和NOx排放等情况进行了数值模拟研究。射流控制压缩着火的原理是主燃室内的柴油预混合气被点火室内气体燃料经过燃烧产生的高温活性基所引燃。为了给JCCI柴油机的设计和优化提供理论依据,文中利用ProE建立JCCI柴油机的三维模型,利用AVL Fire模拟分析了JCCI柴油机工作时的流场、当量比、温度场、OH活性基以及NOx的分布情况。计算了JCCI柴油机在4个工况下的缸内压力,温度,放热率等数据。文章中采用的计算方案如下：柴油机采用较低的几何压缩比,并采用进气门晚关策略降低柴油机有效压缩比,降低活塞运动到上止点时主燃室内的最高温度,以保证柴油预混合气在活塞运动到上止点前不能被压缩着火。采用早喷策略,喷油提前角为60℃ABTDC,以保证得到较均匀的柴油预混合气。设计了点火室和点火室的天然气(NG)燃料供给系统。点火室内混合气由火花放电点燃,形成射流,触发主燃室内压缩着火。模拟结果表明：JCCI柴油机可以实现低温燃烧,能够有效降低NOx排放,点火室内燃烧产生的高温射流能够有效控制主燃室内柴油预混合气的着火相位。JCCI柴油机的放热率具有两个峰值,分别由点火室和主燃室内的燃烧形成。点火室内燃烧形成的高温射流提高了主燃室内的混合气温度,加上射流对主燃室内混合气的扰动和高温活性基的作用,直接触发了主燃室内的预混合气着火。在中高负荷时,适当降低有效压缩比,点火室射流也能起到主动控制着火相位的作用。在全负荷时引入EGR可以有效降低JCCI柴油机的燃烧速率和NOx的排放。

关键词：柴油机点火室射流控制压缩着火 NOx排放

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点火室式JCCI发动机燃料喷射策略研究

点火室式JCCI发动机燃料喷射策略研究

作者：孙奇大连理工大学

学位级别：硕士

当今日益严格的排放法规推进了柴油机技术的快速发展,其中柴油机预混合压燃方式以其较高的效率和超低的排放成为柴油机燃烧领域的核心课题。本文讨论的射流控制压缩着火JCCI(Jet Control Compression Ignition)是柴油机预混合压燃技术... 详细信息

当今日益严格的排放法规推进了柴油机技术的快速发展,其中柴油机预混合压燃方式以其较高的效率和超低的排放成为柴油机燃烧领域的核心课题。本文讨论的射流控制压缩着火JCCI(Jet Control Compression Ignition)是柴油机预混合压燃技术中的一种新的燃烧方式。基本原理是,采用点火室内混合气燃烧产生的火焰射流触发主燃烧室内的柴油预混合气压燃。这种燃烧方式的显著优点是能够实现对柴油机预混合压燃着火相位的主动控制,同时也实现了超低的排放。点火室式JCCI发动机的工作过程较复杂,影响点火过程的因素众多,点火室内燃料的点燃、火焰射流的形成、主燃烧室内柴油预混合气的引燃过程是影响燃烧模式点火可靠性的关键。此外,进气温度也会对点火室式JCCI发动机的点火有一定影响。为了研究点火室式JCCI发动机的点火过程,优化其燃料喷射策略,本文利用电力测功机进行倒拖试验,获得起动工况下的缸内过程数据。再利用AVL FIRE软件对该工作过程进行建模计算,通过倒拖试验数据对计算模型进行了标定验证。在计算中,本文从点火室和主燃烧室内燃料喷射策略入手,分析了燃料喷射策略对点火室式JCCI发动机点火过程的影响。点火室天然气喷射策略方面,本文分析了天然气喷射正时、喷射压力和喷射量对点火室内残余废气的清扫和火焰射流形成的影响,通过计算得到了优化的天然气喷射策略;在点火室天然气喷射策略确定的情况下,进一步分析了柴油喷射量、喷射正时对主燃烧室内柴油预混合气燃烧的影响,通过柴油多次喷射策略对主燃烧室内的柴油预混合燃烧做了适当优化,提高了点火室式JCCI发动机的点火可靠性。为了进一步提高点火可靠性,本文讨论了进气温度对点火过程的影响。

关键词：发动机预混合压燃点火室射流

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点火室式直喷汽油机工作过程数值模拟

点火室式直喷汽油机工作过程数值模拟

作者：夏美艳大连理工大学

学位级别：硕士

内燃机以其较高的热效率、比功率和优越的可靠性,成为世界上最主要的动力机械,广泛应用于轮船、工程机械及汽车领域。近年来随着能源危机的愈演愈烈及排放法规的日益严格,内燃机的发展面临着严峻考验。相对于进气道喷射汽油机,缸内直喷... 详细信息

内燃机以其较高的热效率、比功率和优越的可靠性,成为世界上最主要的动力机械,广泛应用于轮船、工程机械及汽车领域。近年来随着能源危机的愈演愈烈及排放法规的日益严格,内燃机的发展面临着严峻考验。相对于进气道喷射汽油机,缸内直喷汽油机在燃油经济性、瞬态响应性及冷启动排放性能等方面表现出极大的优越性,逐渐成为汽油机研发的主流和热门方向,而点火可靠性一直是分层稀燃直喷式汽油机的主要课题之一,为此发展出了点火室式直喷汽油机。在直喷式汽油机的缸盖上增设一个点火室,火花塞布置在点火室内,喷油嘴可以布置在点火室或主燃室内。通过适当的燃油喷射策略和缸内气流的配合,保证点火室内混合气的当量比在易点燃范围内,而主室内的混合气较为稀薄,实现分层稀薄燃烧。本文对该种发动机的缸内工作过程进行了数值模拟,考察系统的可行性。首先建立了系统的三维CAD模型,用AVL Boost进行一维模拟得到三维模拟的边界条件,再用AVL FIRE v8.5进行三维数值模拟。选择了三种不同转速代表三种典型工况进行计算,对点火室式直喷汽油机缸内的气流运动过程、喷雾发展过程、混合气形成过程及燃烧过程进行了数值模拟,分析了喷油提前角以及点火室形状对缸内工作过程的影响。对比不同转速下缸内湍能、连接通道处挤流速度的不同,探索了不同转速缸内工作过程的异同。计算结果表明：本系统在三种工况下都得到了较为理想的混合气分布,火花塞周围在较大曲轴转角范围内都有适宜点燃的混合气分布,表明燃烧系统具有较宽的点火窗口：不同工况下点火可靠、燃烧稳定;实现了点火室式直喷汽油机燃烧系统在典型工况下的稳定运行;三种工况下的缸内燃烧都属于稀薄燃烧,温度较高区域燃烧充分没有富氧,富氧区温度在1500 K以下,避免了热NOx的大量生成。采用较高压缩比和大空燃比的稀薄燃烧方式,提高了燃油经济性。

关键词：直喷汽油机点火室稀薄燃烧数值模拟

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点火室式天然气发动机性能模拟研究

点火室式天然气发动机性能模拟研究

作者：刘添大连理工大学

学位级别：硕士

在能源紧缺与环境污染日愈严峻的今天,发动机的可持续发展面临着重大的考验,寻求一种理想的替代燃料是解决这一问题的有效途径之一。天然气因其在世界范围内的储存量大、燃烧产物清洁以及价格相对低廉等优点而逐渐成为人们的研究热点,... 详细信息

在能源紧缺与环境污染日愈严峻的今天,发动机的可持续发展面临着重大的考验,寻求一种理想的替代燃料是解决这一问题的有效途径之一。天然气因其在世界范围内的储存量大、燃烧产物清洁以及价格相对低廉等优点而逐渐成为人们的研究热点,具有十分广阔的应用前景。天然气发动机应用稀燃技术能够降低燃烧温度,减少NO排放,并提高热效率和降低燃气消耗,但同时也具有燃烧不稳定、循环变动大等问题,因此需要提高其点火的可靠性。本文中的天然气发动机采用了点火室式燃烧系统,通过火花塞放电引燃点火室中较浓的混合气,产生高温高压的火焰经由连通点火室与主燃室的喷孔形成射流,进入主燃室后点燃其中的较稀混合气,并产生较强烈的扰动,从而提升天然气的燃烧速率,达到充分燃烧的目的。本文针对一款缸径为320 mm的点火室式天然气发动机,应用三维CFD软件CONVERGE建立了包括点火室、主燃室以及进排气道在内的仿真模型,选择合适的计算模型对该发动机的一个工作循环进行仿真模拟计算,以试验数据为基准对发动机模型进行验证和参数标定。设计并分析了点火室喷孔个数、锥形喷孔、中心喷孔、分层喷孔、点火室当量比、点火提前角以及点火室隔热等方案对天然气发动机燃烧与排放特性的影响。结论如下:(1)在点火室喷孔个数的研究中,当喷孔数较少时,射流火焰在主燃室的覆盖面积较小,燃烧不充分,当喷孔数较多时,火焰之间会产生干涉,不利于火焰传播。7孔方案使射流火焰分布更为均匀合理,在动力性和排放性上都优于原机,9孔方案功率相比原机有所提高,但NO排放增多。(2)锥形喷孔方案有利于提高燃烧效率,提高功率并降低NO排放。随着拔模角度的增大,发动机的指示功率功率呈现先升高后降低的趋势,NO排放呈下降趋势。相比原机,cone2方案功率提升最为明显,cone3方案NO降幅最大。(3)中心喷孔方案的效果与中心喷孔的直径有关,其中center2方案功率提升最明显但NO排放有所增多,center1.5方案和center2.5方案在功率提高的同时,降低了NO排放。(4)分层喷孔方案使下层喷孔的射流火焰的落点降低,若下层喷孔轴线与水平轴夹角过大,会导致火焰碰触活塞壁面后速度迅速下降,不利于进一步向外扩散,降低燃烧的均匀性,使得燃烧效率降低。layer1和layer3方案的指示功率低于原机,layer2方案的指示功率虽然高于原机,但NO排放增多。(5)点火室的燃空当量比是影响天然气发动机性能的重要参数,当量比过小,混合气过于稀薄,不利于火花塞点火和火焰的快速传播;当量比过大,过少的空气量同样不利于着火。随着点火室平均当量比的增大,发动机的指示功率先升高后降低,NO排放也呈先升后降的趋势。当点火时刻点火室的平均当量比为1.1时,发动机的指示功率最高,相比原机提高了3.3%,但同时NO排放增多了5.6%。(6)随着点火时刻的提前,发动机的缸内最大爆发压力逐渐升高,点火时刻过早会增加发动机发生爆震的风险,加剧发动机的磨损,同时NO排放性能变差;点火时刻太迟会导致发动机的输出功率降低。相对于原机,点火提前角为18°CA的方案的指示功率提高了0.7%,于此同时NO的排放量降低了13%。(7)点火室隔热设计降低了点火室的散热损失,提高了点火室的平均温度,进而提高了射流火焰的温度,提高了点火能量,有效地提高了发动机的功率和热效率,但NO排放有所上升。

关键词：天然气发动机点火室结构参数数值模拟

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点火室式预混合柴油机燃烧系统的实验研究

点火室式预混合柴油机燃烧系统的实验研究

作者：李建龙大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,环境污染日益严重,为了减少汽车尾气对环境的危害,各国制定的排放法规日趋严格。传统柴油机燃烧方式的固有特性决定了其无法解决同时降低NOx和PM排放的难题。而近年来大量研究表明：柴油机预混合燃烧方式具有高效率且同时降低PM... 详细信息

近年来,环境污染日益严重,为了减少汽车尾气对环境的危害,各国制定的排放法规日趋严格。传统柴油机燃烧方式的固有特性决定了其无法解决同时降低NOx和PM排放的难题。而近年来大量研究表明：柴油机预混合燃烧方式具有高效率且同时降低PM和NOx排放的优势。但柴油机均质预混合燃烧理论在实用化进程中仍然存在诸多难题,尤其是着火相位控制问题。针对这一现状,本文提出了一种新型柴油机点火室式预混合柴油机燃烧系统。其主要原理为：在柴油机缸盖上设置一个点火室,通过喷孔与主燃烧室相连,火花塞布置于点火室中。通过气体燃料供应通道,向点火室内充入一定量的气体燃料。气体燃料被火花塞点燃燃烧后的火焰或者高温气体通过喷孔喷入主燃烧室,引燃其中的可燃预混合气,实现柴油机的均质预混合燃烧。以一台CF186F(A)柴油机为基础,根据点火室式预混合柴油机燃烧系统的结构要求,对气缸盖结构进行改造,设计了点火室和LPG供应系统,开发了发动机点火正时及LPG喷射的电子控制系统,完成了点火室式预混合柴油机燃烧系统原理样机的试制。搭建了进行新型燃烧系统可行性验证的实验台架。在新实验台架上对点火室式预混合柴油机燃烧系统可行性进行了探索实验,对样机的缸内燃烧过程、排放特性及经济性进行了测试分析,结论如下： (1)点火室式预混合柴油机燃烧系统切实可行,主燃烧室内的燃烧始点可以通过控制点火室内火花塞点火正时来控制。 (2)原理样机相比原柴油机可同时降低NOx和碳烟排放。在中低负荷工况,原理样机比原柴油机NOx排放可以降低60%以上;在全部负荷范围内,原理样机比原柴油机烟度排放降低43.75%以上,在中负荷工况下降低幅度最大;在中低负荷工况,原理样机排气温度略高于原柴油机;原理样机的NOx排放量随LPG比例增大而降低,烟度排放量随LPG比例的增大呈先降低后增高趋势,因此原理样机LPG比例存在一个最优值。 (3)在中低负荷工况,原理样机的热效率略低于原柴油机,在高负荷工况,原理样机热效率高于原柴油机。

关键词：点火室预混合柴油机实验研究

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点火室射流引燃甲醇燃烧特性可视化研究

点火室射流引燃甲醇燃烧特性可视化研究

作者：王辉大连理工大学

学位级别：硕士

进一步改进优化内燃机燃烧模式和寻找更加清洁的替代燃料是内燃机提高燃烧效率和降低排放的有效手段。甲醇作为替代燃料有着诸多好处,而点火室射流引燃方式可以实现快速燃烧。本文在射流控制压缩着火（JCCI,Jet Controlled Compression ... 详细信息

进一步改进优化内燃机燃烧模式和寻找更加清洁的替代燃料是内燃机提高燃烧效率和降低排放的有效手段。甲醇作为替代燃料有着诸多好处,而点火室射流引燃方式可以实现快速燃烧。本文在射流控制压缩着火（JCCI,Jet Controlled Compression Ignition）思想的指引下,对点火室式射流引燃甲醇着火燃烧过程进行可视化研究。本文基于定容弹实验平台,采用阴影法对不同方式点燃甲醇预混合气的燃烧过程以及不同点火室参数对点火室射流引燃甲醇预混合气的燃烧过程进行了可视化研究。实验首先对三种点燃方式的主燃期和燃烧效率进行了分析,后续实验主要对点火室射流介质喷出时刻、射流介质引燃主燃室甲醇预混合气时刻、点火室和主燃室的压力曲线、主燃室压升率曲线以及放热量曲线进行了分析。本文首先对比研究了普通火花塞、高能火花塞和点火室射流引燃系统对主燃室甲醇预混合气的燃烧效果的影响。实验结果表明:点火室射流引燃系统不仅能够引燃更多的甲醇预混合气,使燃烧效率提高7%左右,还能使主燃期缩短72%左右。因此后续对点火室容积、喷孔直径和喷孔数量等点火室几何参数对点火室式射流引燃甲醇系统的影响进行了研究。同时还研究了点火室的甲醇预混合气当量比等混合气参数对射流引燃甲醇点火系统的影响。实验研究表明:点火室容积增大能够提供更大的点火能量,但是会出现一定的点火延迟现象,在保证点火延迟在可接受的范围内选用更大容积的点火室的射流引燃效果会更好。点火室喷孔直径过小会造成射流介质难以喷出的现象产生,从而使主要时刻出现大幅度延迟。相比于单孔3mm点火室,单孔2mm点火室的主燃期缩短了28%左右,但是主燃室甲醇预混合气的燃烧效率会下降7%左右。双孔2.12mm点火室与单孔3mm点火室的喷孔横截面积一定,增加一个喷孔能够使射流介质喷出时刻以及引燃主燃室甲醇预混合气的时刻提前,但是会造成主燃期延长24%左右、燃烧效率下降5%左右。点火室喷孔直径大致相同时,单孔点火室增加一个喷孔会使得射流介质喷出时刻延后、主燃期会延长64%左右,但是燃烧效率能够提高2%左右。点火室的甲醇预混合气当量比为1.1至1.3之间存在一个最佳当量比,能够实现射流介质从喷孔喷出并快速引燃主燃室的甲醇预混合气,本研究的最佳当量比是1.2。在上述基础上,还对6mL,2mm点火室能够拓展的稀薄燃烧极限进行了一定的研究。研究发现6mL,2mm点火室在主燃室当量比为0.55时依旧能够快速引燃主燃室甲醇预混合气。

关键词：甲醇点火室射流引燃燃烧过程可视化

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点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析

点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析

作者：王玉冰大连理工大学

学位级别：硕士

缸内直喷汽油机(GDI:Gasoline Direct Injection)与传统汽油机相比,具有高燃油经济性、快速响应性和冷启动较低HC排放等优点。随着石油资源消耗量的日益增加和排放法规的日趋严格,各大汽车公司早已把GDI发动机作为开发重点。混合气形成... 详细信息

缸内直喷汽油机(GDI:Gasoline Direct Injection)与传统汽油机相比,具有高燃油经济性、快速响应性和冷启动较低HC排放等优点。随着石油资源消耗量的日益增加和排放法规的日趋严格,各大汽车公司早已把GDI发动机作为开发重点。混合气形成过程是控制和决定燃烧过程的关键。它在喷油过程与点火、燃烧过程之间起着承上启下的纽带作用。为了进一步扩大空燃比,增大压缩比,提高经济性,并保证点火的可靠性和燃烧稳定性,形成更适于点火和燃烧的混合气是关键。因此研究缸内混合气的形成过程有着重要的意义。本文是点火室缸内直喷汽油机研究的第一阶段成果。1)提出了点火室式缸内直喷汽油机概念及其燃油喷射策略;2)应用AVL FIRE 8.6软件对点火室缸内直喷汽油机缸内的气流运动过程、两次喷雾过程和分层混合气形成过程进行了数值模拟,分析了喷油提前角以及不同的点火室形状对缸内混合气形成,尤其是点火室内混合气分布的影响。同时分析了不同转速对两次喷射过程油气混合的影响,验证了燃油喷射策略在大范围工况下的可行性。CFD模拟研究结果表明:1)点火室缸内直喷汽油机具有很好的点火可靠性和燃烧稳定性,具备扩大稀薄燃烧范围和降低排放的潜力,值得进一步开展深入研究;2)通过比较不同的点火室形状和改变喷油定时,优化了点火室内混合气的分布;3)本文所述的燃油喷射策略是可行的,在不同工况下,点火室内可以形成适宜点燃的稳定的混合气,为提高点火的可靠性和扩大点火定时窗口提供了可能。

关键词：缸内直喷稀薄燃烧点火室混合气形成数值模拟