喷油嘴孔径和进气涡流对柴油机燃烧特性影响的数值模拟分析

柴油机燃油系统和进气系统是决定发动机性能的关键因素．本文应用三维CFD模拟软件FIRE和燃油喷射模拟软件HYDSIM对柴油机建模、仿真计算,分析了喷油嘴孔径大小和进气涡流强度对柴油机燃烧特性的影响。结果表明,这些参数对柴油机做功及碳烟、NOx排放的影响明显。     

电控高压共轨柴油机匹配的研究

在一台多缸柴油机上进行了电控共轨系统的匹配,希望能满足欧-Ⅲ的排放法规和低油耗的要求.通过试验,研究分析进气涡流强度、喷油嘴结构尺寸等参数对柴油机性能和排放的影响.结果表明：高压喷射时,随喷孔数增加,喷孔直径减小,颗粒排放显著下降,油耗降低,但NOx排放增加.     

船用直喷式柴油机的可控进气涡流技术

通过对直喷式柴油机进气系统的理论分析和试验研究表明,双进气道的设计目的是达到较高的流通能力和适度的进气涡流,而阀板控制着进气涡流的强度,兼顾在高低转速下进气涡流和燃油喷雾的最佳化调整, 起到了控制排放和降低油耗的作用。可控进气涡流系统可综合改善柴油机高、低负荷性能,在实际使用时还应考虑在系统上的配置。才能减少氮氧化物排放和降低燃烧噪声。     

进气涡流对车用直喷式柴油机微粒排放的影响

用自行设计的喷气式可变涡流进气系统（ＡＩＶＳＩＳ）调节气缸内的涡流水平,试验研究了进气涡流对连用直喷式柴油机微粒排放的影响。结果表明,中速工况为较低的微粒比排放工况,螺旋进气道形成的涡流水平基本可以满足燃料燃烧的要求,改变涡流水平对改善柴油机微粒排放贡献不大。而低速高负荷工况是柴油机较高的微粒比排放区,适度提高气缸内的涡流水平,可以有效降低柴油机微粒的排放量,使微粒降低的主要因素是不可溶组分排放的降低。高速工况螺旋进气道形成的涡流水平较高。降低气缸内的涡流水平可以降低柴油机微粒的排放量,使微粒排放降低的主要因素是可溶性有机组分排放的降低。     

直喷式柴油机喷油嘴、进气涡流和燃烧室几何尺寸的匹配研究

直喷式柴油机燃烧过程的性能研究及模拟计算表明，混合气形成的好坏将直接影响柴油机的经济性、动力性和排放指标。而影响直喷式柴油机混合气形成的主要因素有：油束动能、空气运动能量和燃烧室几何尺寸。本文将结合６１３Ｑ型柴油机提高性能的研究，浅谈直喷式柴油机喷油嘴、进气涡流和燃烧室几何尺寸的匹配研究方法，并着重阐述前两者的匹配关系     

进气涡流对车用直喷式柴油机瞬态工况下微粒排放的影响

用自行设计的喷气式可变涡流进气系统（ＡＩＶＳＩＳ）调节气缸内的涡流水平,试验研究了进气涡流对车用直喷式柴油机恒转速增转矩瞬态工况下微粒排放的影响,结果表明,对于一定涡流比的瞬态工况,随着转矩变化率的增大,柴油机的微粒排放量逐渐增加,涡流比越小,瞬态工况微粒的排放随转矩变化率增大的速率越高。相同转矩增长率的瞬态工况,随着涡流比的增大,柴油机微粒的排放量逐渐降低。提高恒转速增转矩瞬态工况缸内的涡流强度     

直喷式柴油机喷油嘴,进气涡流和燃烧室几何尺寸的匹配研究

直喷式柴油机燃烧过程的性能研究及模拟计算表明，混合气形成的发了坏将直接影响柴油机的经济性，动力性和排放指标，而影响直喷式柴油机混合气形成的主要因素有：油束动能、空气运动能量和燃烧室几何尺寸。本文将结合６１３０Ｑ型柴油机提高性能的研究，浅谈直喷式柴油机喷油嘴，进气涡流和燃烧室几何尺寸的匹配研究方法，并着重阐述前两者的匹配关系。     

用喷气式可变涡流进气系统改善柴油机的排放性能

自行研制了一种向螺旋进气道内喷射空气的可变涡流进气系统——喷气式可变涡流进气系统,试验研究了该系统对柴油机排放特性的影响。结果表明,该系统在不影响进气充量系数的情况下,可以明显改变柴油机微粒和氮化物的排放量。其原因在于系统对气缸内涡流强度的改变,直接影响了燃烧与空气的混合、燃烧。对于涡流强度与燃料的燃烧不相匹配的发动机工况,喷气式可变涡流进气系统可以有效改善发动机的排放性能,缓解氮氧化物与微粒排放的矛盾。     

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。     

进气加湿耦合涡流比对船用柴油机燃烧和排放的影响

针对某一款四冲程船用柴油机,利用商业模拟软件AVL-Fire建立柴油机三维数值模型,研究进气加湿耦合涡流比对燃烧的影响以及改善NOx和碳烟折中关系的潜力,给出优化方案,得到满足TierⅢ排放法规的技术路线并保证指示燃油消耗率增长在2%以下.结果表明,加湿率增大,缸内温度和压力的峰值均降低,且最大降幅都约为2%;滞燃期延长,燃烧重心后移,对燃烧热效率不利.缸内温度和进气氧浓度的下降有效降低了NOx排放,最大降低幅度约为56.7%.一定的涡流比可以促进油气混合,而太大的涡流比会降低油束贯穿距,使喷雾前端偏转角度增大,影响油气混合.涡流比的增大对NOx和碳烟的排放形成先增后降的影响,在涡流比为0.5时碳烟排放最低.此外,对各种进气加湿率和初始涡流比获得的结果进行优化,其中有9种算例同时降低了NOx和碳烟排放,并且在初始涡流比为0.50时,加湿率100%和80%的两种方案满足TierⅢ的排放标准.     

在螺旋进气道内喷气的柴油机可变涡流进气系统

设计了一种在螺旋进气道内喷射空气的柴油机可变涡流进气系统——喷气式可变涡流进气系统。对该系统的稳流气道试验表明,喷嘴在特定位置上向气道内喷射空气,可以增强或者降低气缸内涡流强度。通过稳流气道试验,确定了最大程度改变缸内涡流强度的最佳喷嘴安装位置及空气喷射方向,选择了喷嘴尺寸及空气喷射压力,并测定了不同喷射压力下,气缸内涡流比与模拟发动机转速的关系。对该系统做了单缸柴油机试验,结果表明,喷气式可变涡流进气系统基本不影响充气系数,但通过该系统对气缸内涡流强度的调节,有效地改变了发动机的排放性能     

进气涡流和喷油系统参数对大功率柴油机混合气形成的影响研究

通过对大功率柴油机的油气混合及燃烧过程进行三维数值模拟,定量研究了进气系统和喷油系统的参数对混合气形成的影响。结果表明：进气涡流通过加速空气掺和到喷注中的过程,增强空气与油滴的相对运动,加速空气向油滴的传热等促进燃油与空气的混合;喷孔数通过影响燃油的贯穿距离以及空气夹带量进而影响油气的混合。利用燃油质心的偏转角和燃油质心贯穿距离定量表征进气涡流以及喷孔数对油气混合的影响。     

重型车用柴油机低排放直喷燃烧系统参数的优化

在车用柴油机上引用缩口低排放型燃烧室后，燃烧系统向直喷化发展。为了掌握和定量地评价这种新型燃烧室的结构及其内部气流特点，引入了涡流强度保持性的概念。并利用商用软件FIRE对这种新型直喷式燃烧室内气流的空间分布及其时间变化规律进行数值计算，结合MATLAB软件计算燃烧室内的瞬态涡流强度保持性大小，由此分析不同燃烧室结构参数对燃烧室内气流特性及其涡流强度保持性的影响。同时，通过台架试验分析这种燃烧室内的不同涡流强度保持性与喷射系统参数和进气涡流等参数匹配时对柴油机性能和排放特性的影响。结果表明，通过低排放缩口型燃烧室结构参数的优化，可有效地组织和控制燃烧室内气流分布规律及其强度，而且对于这种燃烧室结构存在着最佳的喷射位置和进气涡流强度，使得在动力性和经济性基本保持不变的条件下，可有效地改善柴油机的排放特性。     

Predictions of Flow and Heat Transfer in Low Emission Combustors

Flow and heat transfer predictions in modern low emission combustors are critical to maintaining the liner wall at reasonable temperatures. This study is the first to focus on a critical issue for combustor design. The objective of this paper is to understand the effect of different swirl angle for a dry low emission (DLE) combustor on flow and heat transfer distributions. This paper provides the effect of fuel nozzle swirl angle on velocity distributions, temperature, and surface heat transfer coefficients. A simple test model is investigated with flow through fuel nozzles without reactive flow. The fuel nozzle angle is varied to obtain different swirl conditions inside the combustor. The effect of flow Reynolds number and swirl number are investigated using FLUENT. Different RANS-based turbulence models are tested to determine the ability of these models to predict the swirling flow. For comparison, different turbulence models such as standard k ? ε, realizable k ? ε, and shear stress transport (SST) k?ω turbulence model were studied for non-reactive flow conditions. The results show that, for a high degree swirl flow, the SST k?ω model can provide more reasonable predictions for recirculation and high velocity gradients. With increasing swirl angle, the average surface heat transfer coefficient increases while the average static temperature will decrease. Preliminary analysis shows that the k?ω model is the best model for predicting swirling flows. Also critical is the effect of the swirling flows on the liner wall heat transfer. The strength and magnitude of the swirl determines the local heat transfer maxima location. This location needs to be cooled more effectively by various cooling schemes.     

Flame structure and NOx emission characteristics in a single hydrogen combustor

In this study, the effects of fuel-induced swirl number on the flame structure and NOx emissions are observed. A tube-type nozzle with four fuel injection holes is used. The fuel injection holes are located away from the centerline of the nozzle to induce a low swirl effect in the flow. First, the flame structure changes with the fuel-induced swirl number, separating into four small flames in the high-swirl region; the flames are classified into three types. Subsequently, NOx emissions decrease with an increase in the fuel-induced swirl number. However, this shows a stepwise discontinuous change rather than a gradual change. The NOx emission is linearly proportional to the residence time of the combustion gas, which is calculated using the flame volume and flame structure. In conclusion, the change in the flame structure by the fuel-induced swirl is a decisive factor in the reduction of the NOx.     

空气运动对小型直喷式柴油机着火前喷雾混合过程的影响

本在单缸试验柴油机上，采用同步摄影技术，研究了空气运动对不型直喷式柴油机着火前喷雾混合过程的影响。试验结果表明，进气涡流对油束的吹偏作用较小；提高涡流强度使油束保持不被“撕裂”的初始段减小，碰壁前油束端部平均速度降低，油束喷雾锥角增大。提高涡流强度还使油束背风面的“撕裂”程度加剧，顺涡流方向壁面油束扩展加快。着火前燃油喷雾沿燃烧室径向分布与涡流强度和在周向气流作用下油束碰壁后的“撕裂”程度有关。     

Effects of Variable Jet Nozzle Angles on Cross-Flow Suppression and Heat Transfer Enhancement of Swirl Chamber

This paper investigated the effects of variable jetting nozzle angles on the cross-flow suppression and heat transfer enhancement of swirl cooling in gas turbine leading edge. The swirl chamber with vertical jet nozzles was set as the baseline, and its flow fields and heat transfer characteristics were analyzed by 3D steady state Reynolds-averaged numerical methods to reveal the mechanism of cross-flow weakening the downstream jets and heat transfer. On this basis, the flow structure on different cross sections and heat transfer characteristics of swirl chamber with variable jetting nozzle angels were compared with the baseline swirl chamber. The results indicated that for the baseline swirl chamber the circumferential velocity gradually decreased and the axial velocity gradually increased, and the cross-flow gradually formed. The cross-flow deflected the downstream jets and drawn them to the center of the chamber, thus weakening the heat transfer. For swirl chamber with variable jetting nozzle angles, the air axial velocity is axial upstream, opposite to the mainstream, so that the impact effects of cross-flow on the jets were reduced, and the heat transfer was enhanced. Furthermore, with the increase of axial velocity along the swirl chamber, the jetting nozzle angle also gradually increased, as well as the effect of cross-flow suppression, which formed a relative balance. For all swirl chambers with variable jet nozzle angles, the thermal performance factors were all larger than 1, which indicated the heat transfer was enhanced with less friction increment.     

汽油机可变进气门相异升程机构研究

提出了汽油机可变进气门相异升程机构方案,通过调整进气凸轮相异角改变两个进气门升程差产生涡流和调整涡流。计算表明当齿轮螺旋角增大、分度圆半径减小时,相异角增大;存在相异角时,两进气凸轮转角不同,转矩与液压平衡力也不同,进气持续期随相异角增大而增加。有限元分析结果显示该机构凸轮轴安全系数为2.04,最大等效应变为6.73×10-4 mm,强度及刚度均符合要求,且不会发生共振。缸内稳流试验证实进气门相异升程能够产生大尺度涡流,并且进气流量几乎不变。当相异角为8°时涡流强度可达0.24,平均流量系数偏差仅为0.93%,滚流随相异角增加略有增强。相异升程汽油机性能试验表明适当的相异角会使中低速转矩提高2.94%,高速功率提高3.03%。     

可变涡流对高速柴油机性能影响的仿真研究

采用计算仿真的方法模拟某高速柴油机缸内的工作过程,分析柴油机缸内及进排气道内的流场、缸内燃烧过程以及有害排放物的生成。计算过程中采用部分或完全关闭一个进气道的方法改变缸内涡流状况,分析不同气道关闭方案下缸内涡流的强度,及其对柴油机动力性、经济性及排放性能的影响。计算结果表明,对柴油机完整工作循环进行三维数值模拟计算可获得缸内瞬态流场参数,当转速低于2400r·min-1时,完全关闭一个进气道可以在对动力性和经济性影响很小的情况下显著提高缸内涡流强度,减少碳烟的峰值生成量;部分关闭一个进气道,可以在对动力性、经济性几乎不影响的情况下减少NOx的生成量。     

燃油碰撞形成混合气在直喷式柴油机上的应用

介绍一种新型直喷式柴油机燃烧系统。在普通轴针式喷油嘴头部加装一挡块，燃油束经其撞击后，部分燃油向垂直于轴针方向四周扩展，增大燃油与空气的接触面积，加快燃油与空气的混合速率，实现了在较低涡流比条件下用单孔轴针式喷油嘴进行直喷式燃烧。实验在一台卧式单缸柴油机上进行。结果表明，该燃烧系统可行，对燃油品质要求不高、工作可靠、起动性好。