对置活塞二冲程汽油机燃烧特性试验

通过对置活塞二冲程缸内直喷汽油机进行原理样机燃烧特性试验,研究了对置活塞运动相位差、扫气压力、点火正时和点火方式等对燃烧过程和整机性能的影响规律.对置活塞二冲程汽油机缸内放热规律试验结果与传统汽油机一致,可分为火焰发展期、快速燃烧期和燃烧后期.对置活塞运动相位差过小会导致缸内扫气效率较低、残余废气量较高,不利于燃烧过程的组织;同时,对置活塞相对运动速度过快会导致内止点过后气缸工作容积变化率较大,缸内压力和温度下降较快.对置活塞运动相位差为15°,CA时,可有效改善扫气过程和燃烧组织.随着转速的升高,需要提高扫气压力,在提高扫气效率的同时增加混合气质量,提高燃烧速率.扫气压力为0.12,MPa时可兼顾中、高转速下缸内扫气过程和燃烧组织.对置活塞采用平顶结构时,需要配合双火花塞对置点火且点火提前角为20°,CA,可保证中、高负荷具有最高的指示热效率.     

对置式液压自由活塞发动机扫气过程的仿真

根据所开发的对置式液压自由活塞发动机样机的基本参数,基于AVL FIRE平台建立了缸内流场的三维仿真模型.分析了扫气口几何参数、活塞下止点停留时间对扫气过程的影响,探讨了利用扫气口几何参数实现缸内混合气分层的方法.结果表明:扫气口径向夹角为5°时,扫气效率和扫气捕获率都达到最大值;随着活塞下止点停留时间的加长,扫气效率呈现先提高再稳定的过程,扫气捕获率则随停留时间的加长而单调下降;采用较大的扫气口径向夹角,可以在压缩上止点附近,实现缸内轴心处废气浓度高、外围废气浓度低的分层分布.     

对置活塞二冲程汽油机直流扫气系统参数研究

通过进行对置活塞二冲程汽油机直流扫气系统扫气过程的分析,提取了影响扫气过程的关键参数,包括进排气口高度、进排气口圆周率及进气口径向倾角。采用GT-Power软件建立对置活塞二冲程汽油机工作过程一维仿真模型,并通过正交试验设计方法,对进排气口高度和圆周率进行3水平正交试验模拟,优化进排气口流通面积。同时,采用AVL-FIRE软件建立对置活塞二冲程汽油机扫气过程计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真模型,对进气口径向倾角进行优化分析。通过对进排气口高度和圆周率的正交试验分析,得出其对扫气效率和给气比的影响大小和相关系数。研究表明:适当的进气口径向倾角能促进扫气过程中的新鲜充量和废气的分层,但倾角太大导致进气阻力增大,扫气效率降低;当倾角为15°时,扫气效率和捕获率最大。     

基于活塞运动规律的自由活塞发动机燃烧放热规律

自由活塞发动机具有异于传统发动机的活塞运动规律,为研究其对自由活塞发动机燃烧放热规律的影响,提出了等效转速变换的概念,将试验示功图反算得到的燃烧放热规律以曲轴转角为计量单位表示,分析了自由活塞发动机与传统发动机放热规律的差异,最后采用三维仿真与试验的结论进行对比.结果表明:自由活塞发动机在压缩行程比传统发动机有较高的运动速度与加速度,这使其在压缩行程有良好的雾化与油气混合效果,预混燃烧量达到80%,;膨胀行程缸内容积变化率较大,缸内压力温度下降较快,因而缓燃期和后燃期持续时间远低于传统柴油机;双韦伯函数拟合的自由活塞内燃发电动力系统(FPEG)放热规律预混合燃烧品质系数和扩散燃烧品质系数分别为3.451和10.24,与传统柴油机相比均偏大;受活塞运动规律的影响,自由活塞发动机与相同缸径的传统发动机相比最高爆发压力较小,出现最高爆发压力的时间较晚,且滞燃期较短.     

自由活塞式内燃直线发电机的燃烧性能研究

对一台二冲程汽油自由活塞式内燃直线发电机(FPLG)的活塞动态特性、缸内压强、缸内温度和NO_x排放进行了数值分析。针对FPLG特点,具体分析了其NO_x污染物的来源及形成机理。借助于数值分析软件Matlab/Simulink,计算并分析了点火提前时间和燃烧持续时间对FPLG缸内压力、缸内温度和NO_x排放的作用。计算结果表明:点火时刻在上止点前171°~126°而燃烧持续时间为36°~108°曲轴转角(点火提前时间相对上止点前为0 6ms,燃烧持续时间在412ms)时,增大提前点火时间和缩短燃烧持续时间都会使缸内的压力和温度上升,相应的NO_x的排放量也会急剧增大。     

液压自由活塞柴油机控制参数影响特性试验

在研制的单活塞式液压自由活塞柴油机上开展了控制参数影响特性、启动特性及运行特性等规律性试验.结果表明:改变压缩压力可以实现压缩比的控制,随着压缩压力的增大压缩比将增大;循环喷油量、喷油正时和排气门正时等参数对自由活塞发动机的膨胀行程、压缩比和下止点位置等具有决定作用;频率控制阀信号脉宽影响发动机的启动过程,脉宽较小时会导致活塞运动速度减慢甚至启动困难.对其特性的研究结果表明:活塞运动规律呈明显的非对称性,膨胀行程用时较压缩行程短;缸内燃烧过程呈近等容燃烧;液压输出能量受单向阀响应性影响会损失掉一部分高压能.     

4100QBZ增压柴油机活塞机械负荷与热负荷耦合分析

针对4100QBZ废气涡轮增压柴油机活塞的机械负荷和热负荷问题,实测了标定功率工况下活塞表面19个特征点的温度和缸内燃烧压力,并结合有限元分析法分析了机械负荷与热负荷共同作用下活塞的耦合应力场与变形.研究结果表明,标定功率工况下,4100QBZ增压柴油机活塞头部表面工作温度最高达367 ℃,缸内最高燃烧压力11.9 MPa,其曲轴转角363.75°CA;在机械负荷和热负荷共同作用下,最大耦合应力125.7 MPa,出现在活塞销座与销接触面上以及销孔上方销座内侧;最大变形0.416mm,出现在活塞头部主推力面上.     

液压自由活塞发动机活塞运动规律自适应特性的研究

在一台液压自由活塞发动机(HFPE)样机上进行了活塞运动规率的试验。研究表明:活塞的运动规律对于燃烧相位和累积放热量的变动具有自适应性;随着燃烧相位的提前或累积放热量的增大,活塞换向提前,最大升程和压缩比降低;这种自适应性可有效避免均质压燃过程中的爆震与后燃现象,保证缸内最高压力、最大放热速率的稳定,减少指示功的损失。     

液压自由活塞发动机直流扫气设计及优化研究

基于气门-气口直流扫气方式的设计及自由活塞本身运行特点设计了液压气门的控制策略,通过试验对气门控制策略进行了验证并获取了缸内压力及活塞运行曲线。将获取的部分试验数据作为三维仿真的边界条件,通过AVL FIRE ENGINE PLUS建立的三维仿真模型探讨了排气门正时、气口高度及扫气压力对给气比、捕获率及扫气效率的影响规律。在此基础之上,提出了一种基于给气比、捕获率及扫气效率的优化函数,优化计算结果表明:当扫气压力ps为0.16MPa、扫气口高度hs为26mm、排气门开启角EVO为48mm时,液压自由活塞发动机最大扫气效率ηs可达到84.7%。     

基于排气VVT的直喷汽油发动机性能试验研究

在一台自然吸气直喷汽油发动机上进行运行工况内的进、排气可变气门正时(VVT)相位扫点试验,根据不同排气VVT相位下的发动机动力性和燃油经济性,结合进气流量、最高燃烧温度、指示热效率和泵气损失等因素,分析了发动机性能变化的原因。研究结果表明,外特性工况排气VVT推迟15°曲轴转角时,进气量增加,动力性提高;继续推迟排气VVT相位,泵气损失增加,动力性降低。在转速低于2 400r/min的中、高负荷区域,开启排气VVT使得指示热效率增大,泵气损失减少,发动机油耗降低;在排气VVT相位大于-15°曲轴转角、转速高于2 800r/min的中、高负荷区域,发动机经济性变差。     

二冲程发动机工作时扫气口气流向量的测量

本文以实验手段研究了小型二冲程发动机工作时扫气口处气流流向的变化。采用LDV光纤系统测定了气缸进口处的二维扫气向量,讨论了发动机不同转速下扫气向量的变化,并测量了不同曲轴转角时排气管压力与气流方向之间的关系。试验表明,在扫气口处扫气速度是不定常的,并且不可能测得其瞬时速度。但是可以由不同的曲轴转角时排气管内压力得知扫气流的特性。由于缸内滞留的废气及高压使扫气流开始扫气的时刻滞后。扫气向量达到峰值时其方向基本保持不变。而当气缸内气体倒流进曲轴箱时该向量倒转并达其最低值,该最低峰值点是由排气管内压力波反射造成的。最后还测量了活塞销和气缸间的气体泄漏量。     

二冲程船用柴油机稳态扫气流动特性

设计了一台船用柴油机稳态扫气光学试验装置,用以研究低速二冲程船用柴油机的扫气过程.利用立体粒子图像测速技术对不同参数下的缸内扫气流场进行了研究.结果表明:随着扫气口径向切角的增大,平均涡心位置与气缸轴线的偏离增大,涡流强度有所增强,气流的轴向速度呈现先增大后减小的趋势;随着扫气口开度的减小,涡心附近的轴向速度先有所增大,当扫气口开度降低到25%时,轴向速度大幅度减小,并出现回流现象.为通过流场评估扫气性能,提出了"扫气非均匀性系数".试验发现在扫气口径向切角为15°及20°时扫气性能较好,此外,扫气口开度对扫气性能的影响仅体现在扫气口开度较小时,此时在扫气口附近的轴向速度均匀性差,影响扫气性能.     

对置活塞二冲程发动机耗气特性研究

针对对置活塞二冲程发动机对扫气效率优化和功率目标匹配的需求,基于试验和理论分析研究了发动机的耗气特性。采用试验数据和数学模型联合得到发动机的等效流量系数,分析了不同进排气参数、气口开启面积等对发动机耗气量的影响规律。研究结果表明:耗气量只由扫气压力、排气压力和绝热效率三个因素决定,与发动机转速无关;该发动机的等效流量系数近似等于0.272;不同曲轴转角所对应的流量系数与气口开启面积有关,当气口开启面积增加到一定值(4 500~4 668mm2),并继续增加时流量系数保持不变。     

直喷化1105柴油机燃烧过程的三维模拟仿真及分析

利用KIVA-3V程序对经过直喷化改装的1105柴油机燃烧过程进行了三维模拟仿真,对计算结果进行了高级可视化后处理,得到了缸内空气运动、平均性能和排放曲线及各曲轴转角的温度场、压力场、湍动能分布等大量实时数据信息,形象地展示了缸内燃烧过程及流场变化。结果表明:数值模拟与实验结果较为吻合,可获得缸内工作过程的细节,对理解和改进柴油机燃烧系统具有重要的意义。     

二冲程液压自由活塞发动机换气过程影响因素的仿真研究

利用CONVERGE软件建立了二冲程液压自由活塞发动机换气过程的三维计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真模型，并且基于液压自由活塞发动机的独特结构，研究了气口比时面值、扫气箱压缩比、活塞顶倾角和活塞杆直径对换气过程的影响。结果表明：在未发生废气倒流时，扫气效率主要与扫气比时面值有关，增大扫气比时面值有利于提高扫气效率；捕获率主要与排气比时面值有关，减小排气比时面值有利于增大捕获率；提高扫气箱压缩比有利于提高扫气效率，扫气箱压缩比从1.2增加到2.1，扫气效率提升9.8%；适当增大活塞顶倾角有利于扫气效率和捕获率的提高；减小活塞杆直径有利于提升扫气效率，但同时会导致捕获率下降。     

自由活塞发动机结构传热特性

建立了系统动力学、缸内热力学与结构传热耦合仿真模型,并试验验证了仿真模型准确性.通过仿真对比了相同结构及工况下燃烧室各部件在自由活塞式发动机与曲轴式发动机两种形式运行时热负荷、传热损失及结构温度上的差异性.结果表明:自由活塞发动机燃烧室部件所受热负荷的峰值和作用时间小于曲轴式发动机,具有较小的传热损失与较高的能量转换效率;受活塞运动规律的影响,其缸内燃气与缸套对流传热量占结构总传热量的比例较高;各结构关键点的温度值与温度波动幅度低于曲轴式发动机,热负荷较小,性能有进一步提升的潜力.     

对置活塞二冲程柴油机扫气系统优化方法研究

分析了对置二冲程柴油机扫气系统参数对发动机工作过程特征参数的影响规律,分别提出了以扫气效率为优化目标和以平均指示压力(IMEP)为优化目标的优化函数。结合正交优化方法,优化计算并对比分析不同优化函数的优缺点。研究结果表明:IMEP可有效地兼顾扫气系统参数对扫气效率与发动机指示热效率的影响,更适合作为对置二冲程柴油机扫气系统优化目标。优化结果显示:扫气口宽度比为0.85,排气口宽度比为0.6,扫气口高度为22mm,排气口高度为29mm,扫气口倾角为10°时发动机IMEP达到最优值。     

高功率密度柴油机的喷油时刻对燃烧排放的研究

运用AVL FIRE软件,建立某台单缸高功率密度柴油机模型,研究喷油时刻对该柴油机燃烧排放的影响规律,并用柴油机台架试验验证模型的合理性。着重仿真分析了不同喷油时刻对柴油机缸内压力、温度、放热率、功率、燃油消耗率以及排放的影响。分析结果表明:喷油时刻每提前3°曲轴转角,缸内压力和温度分别升高6.55%和2.8%;放热速率快,放热相对集中;NO_x排放增加,碳烟排放降低;功率下降,燃油消耗率升高;当喷油时刻为上止点前16°曲轴转角时,NO_x和碳烟排放都能满足排放法规要求,且动力性和经济性能较好。     

对置活塞二冲程汽油机多点点火燃烧特性研究

由于取消了气缸盖,对置活塞二冲程(OP2S)汽油机的火花塞只能布置于气缸侧壁。因此在单火花塞点火时,缸内火焰传播不对称,导致OP2S汽油机具有较明显的爆震倾向。为了有效地抑制爆震的发生,利用三维CFD软件对OP2S直喷汽油机在不同火花塞数目下缸内的燃烧过程进行了数值仿真,并结合试验研究了火花塞数目对混合气燃烧特性的影响,分析了不同火花塞数目对缸内燃烧压力、燃烧持续期及燃烧放热率的影响规律。研究结果表明,增加火花塞数量可以有效改善缸内的燃烧情况,而对侧布置双火花塞的布置形式为最佳方案。     

基于爆压测试下的燃气发电机组燃烧分析

燃烧过程对内燃机性能的影响是至关重要的。它是内燃机工作循环的中心环节,它与内燃机的基本运行参数,如功率、效率和排放等直接关联。因此,对既可以表征机组工作状态和燃烧过程,又可以作为研究动力学特性依据的缸内燃烧压力的精确测量和有效分析是十分重要的。本文通过对12V190型燃气发电机组的缸内压力、曲轴转角信号进行采样,进而形成不同功率段下的燃烧压力曲线,同时可以获得包括示功图,循环变动率,压力升高率,最大爆发压力等多种参数,还可通过气缸压缩线法确定气缸上止点,确定出机组缸内最大压力发生时刻以及气缸放热所经过的曲轴转角时刻,从而对内燃机缸内燃烧情况进行实际监测及有效分析。