充量密度和氧体积分数对柴油机高负荷下热效率和排放的影响

采用试验和数值模拟相结合的方法研究了上止点时的充量密度、温度和氧体积分数对柴油机高负荷条件下的燃烧路径、排放和热效率的影响.结果表明:高的充量密度导致低的全局燃氧当量比,增强了燃氧混合率和化学反应速率,有利于提高热效率.提高充量密度对NOx的形成有两个相反的作用:增加充量的总热容,抑制燃烧温度;增加空气的卷吸率,提高混合气的温度.低的氧体积分数降低了燃油/气体混合气的化学反应速率,推迟放热率.高负荷柴油发动机在燃烧过程中有大量不完全燃烧产物CO形成和存在,这被称为"CO的冷储藏",其推迟了放热率相位,降低了已燃气体的温度,致使NOx排放降低.研究还发现发动机的碳烟排放与"CO的冷储藏"量相关.     

柴油机高密度-低温燃烧过程参数对碳烟生成影响的模拟

在发动机高、满负荷工况下,基于发动机试验和前期提出的多步现象学碳烟模型深入研究了充量密度、氧体积分数、燃烧温度以及混合气浓度等状态参数对于碳烟表面生长以及氧化作用的影响,研究表明:充量密度促进混合、增加热容的作用可以减缓碳烟表面活化程度的衰减速率,同时使碳烟表面活化程度降低;随着充量密度增加,燃烧温度以及未燃碳氢的降低有利于减少碳烟单位面积生长速率RCH,进而影响碳烟生成量降低.提高充量密度增加进气中氧气的绝对量是提高碳烟氧化速率的主要因素,这些因素共同导致碳烟排放量降低.另一方面,进气氧体积分数降低使燃烧温度降低,积累了大量浓混合气与未燃碳氢,化学动力学机理表明,这不利于未燃碳氢转化生成乙炔的过程,导致乙炔生成的最大峰值降低.由未燃碳氢化合物浓度(乙炔、UHC自由基)以及燃烧温度共同影响的RCH随着初始氧体积分数的降低呈现出减小的趋势.而浓混合气会促进碳烟表面活化程度增加.因此,RCH随着初始氧体积分数的降低呈先减小而后增大的趋势.     

柴油机高密度-低温燃烧的数值模拟

从柴油机燃烧过程控制的思想出发,解释了高密度-低温燃烧概念的内涵.数值模拟结果表明,高充量密度在提高热容方面与EGR具有相同的作用.因此,低温燃烧使用较低的EGR率时就能实现很低的NOx和碳烟排放;另外,高充量密度促进了燃空混合率,特别是促进了燃烧后期的混合速率,极大地缩短了燃烧持续期,提高了指示热效率,高密度-低温燃烧的这一特征对柴油机高负荷和全负荷下实现高效、低排放运行具有突出的优势.研究结果还显示,充量密度对燃烧过程参数的影响是多重的,不同于传统柴油机燃烧.     

柴油喷雾燃烧发光机理分析

为探讨柴油机燃烧光的性质,在容弹上采用光强传感器,并应用双色法在不同温度、压力、氧浓度与二氧化碳浓度的条件下,对柴油喷雾的燃烧光强波进行了测量分析。结果表明：在柴油机燃烧过程中,同时存在碳粒的氧化与还原两种反应,其中以氧化反应占优势,碳粒与其附面层温度基本一致。碳粒的附面层反应与柴油中其它气体成分的氧化反应形成火焰,所以可认为碳粒与火焰处于热平衡状态,碳粒的表面反应热以热辐射的方式向外界传递。表面反应热与辐射传热的平衡确定了碳粒的体积与密度。因此柴油喷雾的燃烧光强反映的是碳粒的辐射热强度,燃烧光强波反映的是碳粒的氧化过程。燃烧光强与火焰内的总碳量、氧的分压力、碳粒温度有关,同时还受二氧化碳等还原性气体浓度的影响     

基于TPDF方法正庚烷喷雾燃烧特性模拟

采用输运概率密度函数模型(TPDF)开展了不同初始环境温度、氧体积分数下正庚烷喷雾火焰发展过程模拟研究.以发动机燃烧网络(ECN)试验数据为基准,首先将模拟得到的着火延迟期和火焰浮升长度与均质反应器模型(WSR)模拟结果以及试验结果进行对照,发现氧体积分数较低时,由于TPDF模型能够对小尺度上组分和温度的湍流波动进行精确求解,可获得准确的燃烧特征量.然后基于TPDF方法,系统分析和对比了不同初始环境条件下准稳态火焰结构以及火焰发展过程的燃烧特征,发现在不同的初始温度和氧体积分数条件下,着火均首先出现在浓混合气区域.降低初始环境温度,高当量比区域反应活性下降,导致着火推迟,燃油与空气有更长的时间进行混合;降低温度的同时降低氧体积分数,则导致着火进一步推迟,油、气混合更为充分.着火位置混合气的浓度较高温、高氧体积分数条件有所降低,燃烧消耗了本来就不足的氧气,导致高当量比区域更难发生反应.     

2013年CIMAC大会介绍(三)

<正>张贴论文议题1:产品开发一柴油机64:进气密度和氧浓度对高负荷柴油机在高负荷工况下热效率和排放的影响105:大型二冲程船用柴油机模拟的半试验建模法338:高涡轮增压四冲程柴油机性能因分轴式涡轮增压废气系统得到进一步提高议题2:产品开发一气体机和双燃料发动机204:船用发动机的双燃料模式295:米勒循环对火化点火气体机的影响297:火花塞位置对火花点火燃烧性能的影响348:基于AVL-Boost的气体发动机开发议题3:基础工程123:基于AVL Boost的4190系列船用柴油机整体性能优化的模拟研究246:进气温度对双燃料HCCI燃烧式发动机燃烧和排放的影响293:扭振测试技术的对比分析340:缸套预紧变形和结构的影响因素研究360:船用中速柴油机上止点确定方法的试验研究     

柴油机HCCI燃烧阶段缸内工质状态的模拟研究

针对柴油机均质充量压燃（HCCI）燃烧过程燃烧始点难以控制和大负荷爆燃的技术难点,建立了HCCI柴油机缸内燃烧阶段模型,通过对R4102柴油机的模拟计算,获得了燃烧阶段缸内工质T—P变化历程,分析了进气温度、过量空气系数、压缩比以及喷油时刻等因素对柴油机HCCI燃烧过程的影响,鉴于发动机实际运行工况,最后模拟研究了综合因素效应对柴油机HCCI燃烧始点的影响．研究结果为HCCI柴油机优化设计和燃烧控制提供指导依据。     

高充量密度重型柴油机燃烧室形状优化数值模拟研究

为解决采用较高充量密度后出现的燃烧室与喷雾匹配不合理的问题,基于一台采用阶梯(stepped-lip)型燃烧室的重型柴油机,利用计算流体动力学软件CONVERGR建立了仿真模型并进行了标定验证,在中低转速全负荷工况、高充量密度条件下,通过三维数值模拟研究了燃烧室的唇口直径、唇口深度、底部凹弧半径的变化对缸内燃烧过程和传...     

气体燃料的再燃

在一台93kW卧式单角炉上进行了气体燃料再燃的详细试验研究,并采用包含再燃机理的一氧化氮子模型耦合三维煤粉燃烧数值模拟程序对再燃工况进行了数值模拟.试验和模拟结果显示,在最佳再燃工况下可降低一氧化氮排放量达50%以上.数值模拟对炉内温度、氧及NO浓度分布预报与测量数据基本一致.研究结果表明,模拟采用的一氧化氮子模型能够经济而有效地模拟气体燃料再燃过程中一氧化氮浓度变化,该模型为准确模拟实际气体燃料再燃过程提供了一种有效方法.     

环境湿度对柴油机NO_x及Soot排放特性的影响

采用发动机台架试验和数值模拟相结合的方法,进行了某重型柴油机在不同进气湿度下的排放特性研究,探索了进气湿度对柴油机燃烧和排放的内在机制,并确定了进气湿度对柴油机排放特性影响的范围.结果表明:进气湿度对燃烧和排放的影响主要体现在进气湿度变化导致缸内环境氧浓度、工质比热容、水煤气反应以及高温离解自由基能力等情况发生变化.进气温度为30,℃时,氮氧化物(NO_x)排放随着进气湿度的增加迅速降低,直至接近0;进气湿度的含湿量达到27.20,g/kg(D30)前,碳烟(soot)排放缓慢增加;当进气湿度超过D30后,soot排放出现一个拐点,随着进气湿度的增加而大幅上升.在饱和湿空气下,当进气温度较低时,进气温度对燃烧的影响比进气湿度明显,进气温度越高,放热率峰值越大,NO_x排放增大,soot排放减小;当进气温度达到15,℃后,进气湿度对燃烧和排放的影响开始显现;随着进气温度的提高,饱和湿空气含湿量迅速增大,当进气温度达到25,℃后,进气湿度对燃烧的影响显著增强,使缸内最高燃烧温度和最高爆压都逐步降低,NO_x排放逐渐减为0,soot排放逐步增大.     

喷油时刻对柴油机富氧燃烧颗粒物排放特性的影响

为改善柴油机颗粒物排放问题,进行了柴油机富氧燃烧的试验.通过一台单缸高压共轨柴油机在不同的进气氧体积分数条件下研究了预喷时刻和主喷时刻对柴油机颗粒物排放的影响.采用DMS500型快速颗粒光谱仪测试分析了柴油机富氧燃烧排放颗粒物的数量浓度、质量浓度、粒径分布和几何平均直径.结果表明:随着预喷时刻提前,颗粒物数量浓度和质量浓度变化范围不大,几何平均粒径略有增大;随着主喷时刻推迟核态数量浓度减小,凝聚态数量浓度增加,颗粒物质量浓度增大,凝聚态质量浓度和几何平均粒径增大;进气氧体积分数增加,核态数量浓度增大,凝聚态数量浓度减少,颗粒物质量浓度下降,几何平均粒径减小.     

应用高速内窥摄影和火焰温度测量法对富氧燃烧过程的研究

本文在简述高速内窥燃烧摄影和火焰温度光谱测量法之后,介绍了在一台0.53L 高速直喷柴油机上对下述现象的观察和测量结果。为此测录了富氧和标准充量时典型的高速燃烧摄影和火焰温度,此外还借助于精密数据分析系统同步地测量了气缸压力、针阀升程和火焰幅射强度,并计算了放热规律。     

均热炉低热值燃料富氧燃烧过程模拟研究

文中采用CFD商用软件对低热值燃料采用富氧燃烧技术后的炉内传热特性进行了模拟分析并简要探讨其节能减排特性,在数值模拟中,考虑流体流动、辐射、燃烧等,获得了炉内典型位置的温度及速度的分布规律。传热特性方面,使用低热值燃料时,随着氧气浓度的增加物料表面的平均对流换热系数减小,但炉内气体的辐射率随着氧浓度的增加而增加,总的热流密度和辐射热流密度随氧气浓度的增加而增加。最终得到结论,低热值燃料在使用富氧燃烧条件下完全可以达到很好的使用性能。     

195柴油机进气系统的改进

本文介绍了改进195型柴油机进气统的试验研究工作。试验表明,通过降低进气道、进气管和空气滤清器的流动阻力,以及适当利用进气气体动力效应,可以提高柴油机的充量系数和改善燃烧过程,使燃油消耗率下降2～4%。文中还简介一种能较可靠地判断进气道流通能力的模拟试验方法。     

基于改进的详细碳烟模型的柴油燃烧碳烟颗粒物的生成特性

采用改进的详细碳烟模型,耦合了由正庚烷和甲苯组成的混合燃料的简化反应机理.在碳烟模型中,考虑了反应中生成的乙炔类异构体和多环芳香烃前驱物对碳烟颗粒成长过程的影响作用,分别以可视化发动机和单缸柴油机台架试验的结果,对详细碳烟模型预测柴油机碳炯生成和氧化过程的准确性和有效性进行了验证.结果表明,模拟得到的缸内压力、放热率曲线以及着火时刻和试验结果吻合较好,得到的碳烟浓度瞬态二维分布与采用双色法得到的试验结果较为接近,碳烟排放量的模拟值与试验值的变化趋势基本一致,因而本文的详细碳烟模型可较好地预测不同工况条件下柴油机碳烟颗粒排放的变化趋势.同时,采用提出的详细碳烟模型对柴油机内碳烟颗粒数密度和平均尺寸进行数值模拟,研究其在柴油机缸内的变化情况,结果表明,碳烟颗粒的直径在预混燃烧期和急燃期急剧增加,在缓燃期以及燃烧后期收敛于某一稳定值.     

煤矿通风瓦斯在燃气轮机中的催化燃烧特性

在不同进口温度、工作压力和当量比条件下,研究了煤矿通风瓦斯气在燃气轮机催化燃烧室内部的燃烧特性,对数值模拟结果与试验结果进行了对比,并分析了催化燃烧对超低浓度瓦斯气性能的影响.结果表明:增加甲烷浓度(或当量比)可促进超低浓度甲烷的催化燃烧;提高催化燃烧室进口温度或工作压力可相应提高煤矿通风瓦斯燃气轮机系统的效率.     

柴油机预混合燃烧滞燃期的试验

滞燃期是柴油机预混合燃烧当中一个极为重要的参数.在电控共轨柴油机上进行了EGR率、喷油始点、喷油压力、负荷、转速和进气温度等单一参数对预混合燃烧滞燃期的试验研究.结果表明,名义过量空气系数能够帮助解释各试验参数对柴油机预混合燃烧滞燃期的影响.混合气的温度、压力和混合气中O2浓度影响柴油机预混合燃烧的滞燃期.提高进气温度...     

中冷后进气温度对国六柴油机NO_x排放的影响

为研究中冷后进气温度对国六柴油机NO_x排放的影响,对中冷后进气温度与柴油机缸内燃烧温度和NO_x浓度关系进行理论模拟和台架试验研究。模拟结果表明,柴油机缸内最高燃烧温度和涡轮后排气温度都随着中冷后进气温度的升高而升高;台架试验结果表明,提高中冷后进气温度有助于降低世界统一瞬态测试循环(world harmonized transient cycle,WHTC)废气中NO_x的体积分数;一级中冷系统和二级中冷系统对WHTC瞬态循环中冷后气温的冷却效果对比表明,采用二级中冷系统能够较好地保证试验结果的一致性和有效性。     

混合气的氧燃比和温度对富氧燃烧柴油机PAH、碳烟和NO_x排放和燃烧路径的影响

构建了包含PAH和NOx反应的正庚烷氧化反应动力学详细组合模型,并对其进行了验证.以该组合模型为基础,开展了混合气的氧燃比(R)和温度(T)对富氧燃烧柴油机排放和燃烧路径影响的理论计算工作.结果表明,所构建的组合模型是可信的,可以用来对柴油机的燃烧和排放特性进行预测.富氧燃烧柴油机有害排放物PAH、碳烟和NOx受混合气的氧燃比和温度的影响显著,其生成规律在R-T图中呈"半岛"型分布.在R-T图中,富氧柴油机的燃烧路径有别于传统柴油机,导致其PAH和碳烟排放降低,而NOx排放增加.最后,为了降低富氧燃烧柴油机的NOx排放,提出了两种富氧燃烧路径的控制策略.     

富氧氛围下煤粉锅炉等离子冷风直接点火过程的数值模拟研究

富氧氛围下煤粉锅炉等离子冷风直接点火是一项有前景的技术,对启动没有风温要求.采用Fluent对该技术的点火过程进行数值模拟.计算结果表明,该点火在一定的氧气浓度和煤粉浓度下能够实现煤粉气流的点火,对应的一次风最低氧浓度为27％、最低煤粉浓度为0.24 kg/kg.通过比较富氧冷风气氛与空气温风气氛下燃烧器点火情况,证实了氧浓度的提高加快了煤粉燃烧速度,煤粉燃烧生成的CO量更小,火焰温度提高,利于降低等离子的能量输入.