【摘 要】
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我国已制定计划于2060年实现“碳中和”发展目标,高效可靠的内燃机燃烧技术对此目标达成具有重要战略意义。超声在多个行业成熟运用,已证实其具备微尺度流动混合加速、促进活性自由基生成、过程量化可控等优势。本文利用动网格结合坐标变换的方法将超声探头物理嵌入内燃机燃烧室,采用数值模拟方法研究相同工况下不同超声馈入策略对汽油机缸内流场、燃烧过程和排放物生成的影响规律。基于台架试验数据,采用GT-POWER和
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我国已制定计划于2060年实现“碳中和”发展目标,高效可靠的内燃机燃烧技术对此目标达成具有重要战略意义。超声在多个行业成熟运用,已证实其具备微尺度流动混合加速、促进活性自由基生成、过程量化可控等优势。本文利用动网格结合坐标变换的方法将超声探头物理嵌入内燃机燃烧室,采用数值模拟方法研究相同工况下不同超声馈入策略对汽油机缸内流场、燃烧过程和排放物生成的影响规律。基于台架试验数据,采用GT-POWER和CONVERGE搭建原机一三维仿真模型。通过对三维燃烧数值模型进行改造,实现将频率为20k Hz、振幅为100μm的超声馈入燃烧室。通过仿真对比分析在进气门关闭到排气门打开范围内,S1～S4四种不同时段馈入方案,得出在134°CA BTDC（Before Top Dead Center,BTDC）～120°CA ATDC（After Top Dead Center,ATDC）（14.1ms）馈入超声的S1方案对燃烧性能影响最大。选定20k Hz振幅为30～300μm的6组不同超声馈入方案开展深入研究发现,在SA1～SA6六种不同振幅仿真方案中,振幅越大,缸内湍动能（Turbulent Kinetic Energy,TKE）越强,点火时刻缸内最大TKE超过46.6%。较强的TKE促进了OH、O和H自由基的生成,提高了燃烧反应速率,缸压峰值相对原机提升了1.9MPa。然而,NOX和HC排放物却逐渐上升,最大分别可达32.4%和43.8%,但CO和soot排放物生成量均有下降,最大分别达11.4%和11%。对振幅为100μm、频率为20～50k Hz的4组超声馈入方案研究表明,随着SB1～SB4四种逐级增加的馈入频率,缸内TKE水平逐渐升高,点火时刻缸内TKE最高提升了16.4%。频率逐级增加的超声促进了活性自由基生成,一定程度提升了燃烧反应速率,缸压相对原机最高提升可达1MPa。同时,NOX、HC和soot排放物的生成量也均有较大增幅,分别达31.8%、17.9%和21.9%;CO生成量呈下降趋势,但下降幅度逐渐减缓,20k Hz下的最大降幅为6.5%。以上仿真分析以3000r·min-1全负荷工况为基础,在点火、喷油等原机控制参数不变的前提下分析得出,证明超声对排放物具有调控作用,可通过后期优化结合超声馈入策略的匹配标定,实现定向排放物排放的调控优化。
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