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方向一:柴油机喷雾与燃烧的研究

1)国产电控喷油器性能及其燃油喷射雾化质量的研究

基于高压燃油共轨喷射系统和高压定容弹装置,模拟真实发动机工作条件,开展不同喷油器电磁阀驱动脉宽下电磁阀响应特性和喷油嘴针阀运动特性的研究,优化喷油器电磁阀的设计;开展不同环境气体压力(或者密度)和燃油喷射压力条件下喷油器燃油雾化特性的研究,给出燃油雾化质量好坏的衡量标准;开展不同结构(包括喷油嘴压力室结构,喷孔尺寸,喷孔长度等)喷油嘴的喷雾特性试验及数值模拟研究,优化国产喷油嘴精密偶件的设计。

2)柴油机燃油喷射雾化机理的研究

基于喷雾光学测试方法,利用先进的光学可视化技术,获取柴油喷雾射流近喷嘴区域表面精细结构,从宏观和微观层面观察和研究近喷嘴液核区流动特征,弄清楚液核界面上气液相互作用机制,以及由此产生的非稳定表面波的发展规律,阐明柴油机燃油喷射雾化机理。

3)柴油喷雾初次雾化模型的研究与再构

在喷雾近场结构和液核表面波扰动机制和非稳定发展研究基础上,引入空穴、湍流以及气流扰动对非稳定表面波作用机制,基于KH非稳定性理论,在现有初次雾化模型的基础上,精确计算液核表面非稳定波破碎的特征长度尺度和时间尺度,分析更为合理的液核表面非稳定波破碎的判据,并根据喷油嘴喷孔出口处空穴的时空分布,给出更为准确的初始大液滴的破碎条件,构建精确的初次雾化模型,并将新的初次雾化模型向现有发动机CFD喷雾模型嵌入。

4)发动机流固耦合平台的研究与开发

发动机缸套热变形研究主要有试验研究和数值计算两种方式,但由于试验测试布点有限,加上试验周期长,因此受到一定限制;另一方面,一般缸套热变形的数值研究是在缸套温度测试的基础上,通过不断改变边界温度和传热系数(HTC),使模拟计算的温度与试验点温度吻合,获取缸套温度场,从而计算出热应力与热变形,这种试算法简单实用,在活塞、机体、缸盖等零部件的温度场分析中应用非常广泛。但是通过试算法得出的边界温度和HTC往往与实际差距较大,需要不断调整,工作量比较大。采用流固耦合对发动机冷却水套与流固界面之间热量传递的定量关系进行数值计算,为解决冷却不均匀性带来的缸套失圆问题提供分析和解决方案。

5)柴油机缸内气体流动及可燃混合物湍流燃烧机理的研究

国内外目前在柴油机新型燃烧方式(包括均质充量压缩着火(HCCI),预混合压缩着火(PCCI)和稀扩散燃烧(LDC)方面进行了大量研究,但仍存在难以克服的问题。通过试验和数值计算方法开展柴油机缸内气体流动研究,在此基础上,在不同燃油喷射策略下,组织柴油缸内混合气形成过程,并通过可视化方法获得燃烧过程清晰图像,研究柴油机缸内燃烧过程,阐明可燃混合物湍流燃烧机理。

方向二:天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射与燃烧研究

1)天然气/柴油双燃料喷射器及其控制性研究

基于已有的同轴喷射技术,研发天然气/柴油双燃料发动机的燃料喷射装置,实现天然气、柴油的同轴喷射,进而开发双燃料喷射系统,实现双燃料喷射的精确控制,包括油气喷射脉宽、喷射频率、喷射相位差等。

2)天然气/柴油双燃料喷射混合特性以及浓度场的研究

利用PLIF(激光诱导荧光)结合定容弹技术,开展实验,探究不同喷射策略、环境压力、环境温度对双燃料喷射混合特性,以及浓度场分布的影响。并根据实验结果对喷射策略进行优化,确定最佳喷射策略下的的浓度场分布情况。

3)天然气/柴油双燃料发动机缸内燃烧特性、排放和动力性能研究

通过在光学发动机上进行可视化实验研究,对天然气/柴油双燃料喷射器的燃料喷射特性、双燃料着火特性、燃烧特性以及动力性能和排放性能进行测试,同时利用FIRECHEMKIN等软件模拟双燃料喷射器的油气喷射在发动机上的着火和燃烧过程。根据实验和数值模拟结果进一步优化双燃料喷射策略以及控制系统。

4)天然气/柴油双燃料发动机的优化设计

根据之前的实验模拟研究,对双燃料喷射器、喷射策略、控制系统进行不断优化,实现不同工况下油气喷射的精确控制,进而实现天然气和柴油在缸内的清洁高效燃烧,最终完成天然气/柴油双燃料发动机的研发工作。

方向三:多种燃料转子发动机缸内流动和燃烧过程的研究

1)转子发动机工作环境下的燃料喷射和燃烧基础特性

在转子发动机工况范围内,通过实验测试并分析燃料在不同压力、温度、湍动能等条件下的喷射特性,以及不同混合气分布下的燃烧基础特性。并根据实验数据修正和改进数值模拟的喷雾模型、点火模型和燃烧模型,结合详细的化学反应机理进行反应机理简化。

2)转子发动机缸内混合气浓度场的形成规律

通过实验测试缸内流场和混合气浓度场,获取不同进气参数对缸内流场的影响规律,揭示燃料在不同喷射参数和缸内流场作用下的运动过程。并在此基础上,进一步修正和改进湍流模型和喷雾模型,建立可靠的三维动态模拟模型。通过实验和数值模拟相结合的方法,获得缸内混合气的形成规律。

3)转子发动机缸内燃烧过程发展规律

通过实验测试火焰传播过程以及重要中间组分迁移过程,并在此基础上,进一步修正燃烧模型和污染物生成模型,耦合简化的反应机理,建立基于化学反应动力学的三维动态模拟模型。通过实验和数值模拟相结合的方法,获得缸内混合气着火、火焰传播和污染物生成规律,并给出能实现发动机高效低排放燃烧的最理想混合气分布形式。

4)高效低排放转子发动机设计参数的优化

根据研究内容3中所获得的最理想混合气分布形式,确定在不同转速和负荷工况下实现该混合气分布形式的发动机最优设计参数,包括进气道形状、燃烧室形状、喷油位置、喷油正时、喷油持续期、点火正时和点火位置等。

2、前沿性、基础性及共性技术研究情况

受网格精细度导致的计算机容量和运行速度的限制,详细数值模拟用于模拟实际发动机喷雾燃烧预测还有相当的距离,因此,在重点实验室建设期间,研究开发了实用的喷雾模型,这对准确模拟发动机内部燃烧具有重要的意义;关于燃油喷射雾化宏观特性及燃烧过程已有研究,但对于燃油喷射雾化和新型燃烧方式由于其本身的复杂性,本重点实验室研究人员对喷雾燃烧的机理进行了详细的阐述,相关文献发表于Combustion and flame, Proceedings of the combustion institute, Applied Thermal EngineeringEnergy Conversion and Management以及Energy等高水平学术期刊中,并得到高外专家的认可。然气/柴油双燃料发动机采用的是缸内高压天然气直喷柴油压燃引燃技术,该技术不仅克服了传统进气道低压喷射天然气发动机的燃烧不充分、动力性能低下等问题,而且较柴油机相比污染物的排放得到了明显的改善。但是,目前为止国内尚未掌握成熟的天然气缸内高压直喷喷射器的理论,加之缸内高压直喷喷射器的加工工艺要求较高,致使该技术一直无法得到推广。本重点实验室结合国外研究进展,基于已有的同轴喷射技术,对双燃料的喷射与燃烧开展深入研究,最终完成天然气/柴油双燃料发动机的研发,具有国内领先地位。



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