运行参数对微型内燃机微燃烧特性影响机理分析

微型内燃机微燃烧过程对当量比和转速变化非常敏感,采用层流有限速率模型和甲醇氧化反应机理对其预混层流微燃烧过程开展仿真研究,探讨当量比和转速对微燃烧特性的影响规律及临界运行参数。在此基础上,提出采用热着火理论和化学反应动力学理论探索当量比对微燃烧特性的影响机理。结果表明仿真与实验比较吻合。当量比从0.6增加到1.1时,燃烧速率增加,压力和温度增加,压力最高值增加约1.5E+6Pa,温度最大值增加约1 300K,此后随当量比增加,燃烧速率减小,压力和温度减小。研究还进一步揭示了当量比影响微燃烧特性的机理:稀燃区当量比主要通过温度变化来影响微燃烧特性,随当量比增加,燃料浓度增加,燃烧释放的总热量增加,所以温度和压力增加,燃烧速率增加;浓燃区当量比主要通过氧气量变化来影响微燃烧特性,当量比越大,氧气量越不足,基元反应速率越小,所以燃烧速率越小,温度和压力越低。转速越高,燃烧时间越短,燃烧越不充分,所以温度、压力越低。受微燃烧相对热损大、驻留时间短的特征影响,微型发动机实现完全燃烧的运行区域较窄,其实现完全燃烧的稀燃极限约0.9,最高转速约6 000r/min。这在设计微型内燃机时值得关注。     

催化壁面对微型燃烧腔内甲烷燃烧影响的数值模拟

为研究不同催化壁面对燃烧的影响,采用甲烷和空气预混催化燃烧方式,运用连续介质层流有限速率模型和二阶离散方法对微型燃烧腔内不同催化壁面对甲烷催化燃烧的影响进行了三维数值模拟.结果表明,壁面温度、甲烷与氧气摩尔比和甲烷质量流量变化时,下催化壁面对甲烷催化燃烧效率影响最大,侧面次之,上催化壁面最小.下催化壁面单位面积催化燃烧效率约是上催化壁面的3倍,其催化剂利用率也最高.涂敷催化剂时,下底面应适当多涂,侧面适量,上底面尽量少涂.得到了不同催化壁面对甲烷催化燃烧的影响规律和贡献率,提出了涂覆催化剂的优化策略,降低催化燃烧成本.     

先进旋涡燃烧室燃烧特性数值模拟

为研究先进驻涡燃烧室的燃烧特性,采用三维数值模拟方法,得出AVC中钝体布置对旋涡稳定性和总压损失系数的影响规律,并恰当选择AVC几何结构.对AVC燃烧和污染物排放特性的研究结果表明,AVC具有燃烧稳定性好、燃烧效率高、污染物排放水平低等优点.     

氢氧混合气在微型TPV系统燃烧管内燃烧的数值模拟

介绍了微型TPV系统的工作原理,并对微型燃烧管内氢氧混合气体的燃烧,分别从流动控制方程、燃烧模型、微型燃烧管内网格的划分及其边界条件的设置等方面进行了详细的数值模拟。模拟结果与实验结果的对比表明,当混合气流量为1200mL/m in(下同)、氢氧混合比ε=2时,管壁温度分布最高,其均值可以达到1100K,能满足微型TPV系统的要求。     

微型热光电系统中分层多孔介质燃烧特性

采用多孔介质燃烧技术的微型燃烧器能明显改善燃烧过程,影响多孔介质燃烧的因素主要体现在孔隙率的变化上。通过试验分析了微型燃烧器内多孔介质燃烧的燃烧状态,探讨了分层多孔介质对微型燃烧器外壁面温度的影响,为微型燃烧器内部填充变孔隙率的多孔介质的应用提供了试验支持。     

新型纽扣式涡喷发动机燃烧室数值模拟

为了给超微型燃烧室提供数据参考,对设计的某微型燃烧室的稳态燃烧过程进行数值模拟。采用三维建模,入口参数采用等熵数值计算,考虑了湍流化学反应、热辐射等情况,不仅得到燃烧室稳态工作时的速度场、温度场及各组分浓度分布,而且分析了燃料/空气的流动与回流、燃烧效率以及总压恢复系数的情况,并与实验数据进行对比。计算结果可以较为准确地反映燃烧室的实际燃烧情况。结果表明,燃烧室出口速度约为65m/s,出口温度约1000K,仿真与实验数据契合度高,燃烧室结构设计合理。      

微型热光电系统燃烧器结构对燃烧过程的影响

强化微燃烧器内部燃烧过程,对提高微型热光电系统能量输出和实现较低排放有重要的意义,为实现这一目的,本文进行了不同结构尺寸的微燃烧器的燃烧试验。研究结果表明:改变微燃烧器形状,能够改善燃烧器内部燃烧反应过程,从而提高微型燃烧器的外壁面温度和辐射强度,并且能够降低排放;在试验的燃烧器结构中,平板1型具有较高壁面平均温度和较低的CO、HC排放。     

微型管道内氢气催化燃烧的数值模拟

根据空间气相和表面催化详细化学反应机理,应用耦合计算流体力学软件Fluent和化学反应动力学软件Chemkin,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行数值模拟,并讨论不同反应模型的燃烧特性以及导热壁、管壁材料(Pt,Si和Al)、预混合气体入口速度和当量比等因素对催化燃烧反应的影响.计算结果表明:表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;在微型管道内,通过导热壁轴向间的传热,预热入口混合气体,使氢气燃烧更加充分;随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在着表面催化反应和空间气相反应两种控制因素;管壁材料和当量比对氢气的催化燃烧过程有重要的影响.计算结果为在微动力机电系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据.     

耦合动力学的微型发动机燃烧特性

为了获得微型均质充量压燃(HCCI)自由活塞发动机着火燃烧特性参数,根据自由活塞发动机的动力学特点,建立了理想状态下的数学模型,提出了单次冲击微型HCCI自由活塞发动机工作过程的模拟方法.在单次活塞冲击情况下,耦合丙烷详细化学动力学反应机理,对微型HCCI自由活塞发动机着火燃烧过程进行了变参数研究,获得了不同混合气初始条件下着火时刻变化特性以及燃烧特性变化规律.计算结果表明:初始温度、初始压力以及燃料当量比对微型HCCI自由活塞发动机着火燃烧过程有重要的影响.     

微尺度环形燃烧室的燃烧特性

进行了不锈钢环形微燃烧器的氢气预混燃烧实验，发现在2mm间隙的微燃烧室内可以维持稳定燃烧. 测量了微燃烧器的燃烧运行界限，其最大过量空气系数可达到4.5. 获得了微尺度燃烧器的壁面温度场和出口烟气温度随过量空气系数的变化规律，发现微尺度燃烧器的最高温度出现在过量空气系数为0.9附近而不是在化学当量比1处. 计算了微燃烧器外壁面的散热量，微燃烧器的散热量占整个燃烧热功率的50％以上，且辐射换热在整个散热量中占主要部分. 针对这些特点，提出了减小热损失的建议，为微燃烧室和微燃烧/透平发电机的设计提供了科学依据.     

内燃机燃油喷射雾化过程的边界条件分析

根据流体力学理论和微分几何知识，分析推导了内燃机燃油喷射雾化过程的边界条件，它描述了在自由面上燃油与气体间的相互作用，其分析推导为进一步揭示燃油喷射雾化过程的机理提供了理论基础。     

自由活塞初速度对微发动机燃烧特性的影响

根据自由活塞发动机的动力学特点,提出单次冲击微型均质充量压燃（HCCI）自由活塞发动机工作过程的模拟方法,并对目前定容燃烧模型进行一定的修正．考虑自由活塞的动能变化对燃烧参数的影响,提出自由活塞截断速度的概念,比较改进后的燃烧模型与目前的定容燃烧模型的计算结果,显示出改进模型的合理性．同时运用改进模型对HCCI自由活塞发动机不同初始速度下的燃烧特性进行模拟,得到了工作压力、温度、着火时刻的变化规律,以及自由活塞运动特性,为该微动力装置的设计提供了理论依据．     

基于S变换的内燃机噪声信号时频特性

简述了S变换的基本原理,设计了仿真试验,对比分析短时Fourier变换与S变换的时频分析和信号检测能力.结果表明,S变换是一种更加有效的非稳态信号时频分析方法.以某六缸发动机为研究对象,采集机体前端和顶部噪声信号.采用S变换对噪声信号进行时频分析,分析信号能量在时频域内的分布规律及其频率成分随时间的变化情况,结合发动机的结构特点,分析噪声信号中比较突出的频率成分产生原因.S变换比较适合于发动机噪声信号时频特性研究,研究结果对发动机低噪声改进设计具有一定的参考价值.     

燃烧室几何形状和位置对燃烧过程的影响

采用自制的喷雾燃烧多功能动态可视化试验装置,对柴油机燃烧室几何形状和位置对燃烧过程的影响进行光学法研究,获得口径为62 mm圆柱形、55 mm缩口形、55 mm缩口偏置凹坑形3种不同形状燃烧室的喷雾燃烧过程照片。研究结果表明:与圆柱形燃烧室相比,缩口形燃烧室和缩口偏置形燃烧室的燃油蒸发速度及混合速度增加,始燃点(曲轴转角)提前3°~5°,后期扩散燃烧速度加快,整个燃烧持续期(曲轴转角)缩短7°~9°。     

燃烧室几何尺寸对喷雾碰壁过程的影响

运用CFD软件对小缸径柴油机三种燃烧室进行了两相喷雾碰壁过程的数值模拟,考察了不同燃烧室形状对碰壁后燃油沿壁面运动、蒸发过程的影响,并比较了近壁面区域燃油浓度和缸内速度场的分布情况.结果表明,燃烧室的几何尺寸对缸内流场有着重要影响,不同的燃烧室对碰壁处燃油堆积程度明显不同,φ℃A=380°时,B型燃烧室燃油堆积情况较A型与C型严重,这主要受凹坑内壁面不同曲率的影响.当活塞运行到φ℃A=390,°碰壁点移动到挤流唇时,进入挤流区的燃油受缸内逆挤流的影响,其发展形态存在很大差异,A型与B型燃烧室油束前锋略微翘起,将有助于避免与缸壁发生“淬冷”,降低未燃HC的排放.在φ℃A=400°时,活塞下行使三种燃烧室后期的流场涡团各异,并直接影响燃油蒸气的分布.     

一种新的内燃机振动信号时频分析方法

本文针对现有时频分析方法在内燃机振动信号特征提取中存在的问题,提出利用经验小波变换(EWT)结合同步压缩变换(SST)对相关信号进行处理。仿真及实例验证结果表明,该方法不仅能够对内燃机振动信号时频特性进行有效表征,而且较传统时频分析方法具有更高的时频分辨率,对含噪信号表现出较强的鲁棒性。     

甲烷在具有隔热通道的微燃烧器中的燃烧特性

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,用平板Swiss-roll燃烧器进行CH4/空气预混气的燃烧实验,获得了不同甲烷流量时燃烧器的熄火极限,分析了燃烧产物成分.结果表明:该燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心;当存在回热时,未燃气体被加热,燃烧器的可燃极限范围增大,但上下极限并不对称,富燃极限比较小,而富氧极限比较大,预混气体能够在较大的空气流量下稳定燃烧;燃烧器最高的壁面温度在理论当量比附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降;空气过量时甲烷可实现较完全燃烧,空气不足时过剩的甲烷转化为H2和CO,减小了燃烧放热量,使燃烧器容易熄火.