直喷米勒循环汽油机燃用甲醇/汽油燃料燃烧及排放特性分析

围绕高压缩比米勒循环发动机的热效率潜力及甲醇及甲醇/汽油混合燃料对燃烧过程和排放特性的影响进行了深入分析。通过试验对比分析,研究了不同压缩比下米勒循环与传统奥托循环的热效率,探究了甲醇燃料对发动机燃烧性能和排放影响的机理。结果表明,米勒循环在高速高负荷工况下相比奥托循环展现出更高的热效率潜力,同时能够提高对高压缩比的耐受性。试验所选2 000 r/min、总平均指示压力（global indicated mean effective pressure, GIMEP）为0.66 MPa工况下,采用米勒循环后在压缩比分别为11.5和14.5时,指示热效率可相对于奥托循环提升约0.6和0.8个百分点。燃用甲醇/汽油燃料能够在保持负荷不变的情况下使燃烧相位提前,有助于进一步提升发动机指示热效率水平。当燃用纯甲醇时,高负荷工况下可显著改善燃烧过程,相比于汽油燃料,缸内最大压力增加约30%,指示热效率增加7.2个百分点,NO_x排放明显升高,增幅达80%。此外,燃用甲醇燃料时核模态颗粒物数量显著升高,同时积聚模态微粒数量减少,不同模态微粒峰值均向小粒径方向迁移。     

不同喷油压力对汽油压燃中高负荷性能试验研究

基于一台改装后的压缩比为17的压燃式单缸发动机,展开不同喷油压力对汽油压燃燃烧模式发动机燃烧特性、爆震特性、效率特性和排放特性的研究,结果表明随着喷油压力的增加,缸内混合气形成速度加快,混合气着火时刻提前,燃烧持续期缩短,热效率呈现出先增大后略微降低的趋势。喷油压力的增加使得发动机爆震趋势增强,为降低最大压力升高率和爆震强度,采用推迟喷油策略,但高喷油压力下缸内燃烧对喷油时刻变得敏感,易产生较大的平均指示压力循环波动或爆震,燃烧控制难度增加。对不同喷油压力下爆震循环的缸压信号进行分析得出喷油压力对爆震频率无明显影响。喷油压力升高会使得未燃碳氢和CO排放降低,但同时也会使得NO_x排放增加。     

高滚流Atkinson循环燃烧系统研究

为进一步提高发动机热效率,提出高滚流Atkinson循环燃烧系统概念。其特征是采用高滚流气道和活塞组合,配合Atkinson循环和废气再循环(EGR)技术,提高缸内的滚流和湍流水平,加快燃烧速度,同时降低汽油机爆震倾向。利用GT-Power和AVL FIRE软件针对某型汽油机进行了一维整机工作过程和三维计算流体动力学(CFD)模拟分析。结果表明:高滚流气道有利于促进缸内滚流运动,滚流比由原机的0.5提高到2.6;配合高滚流活塞后,使进气过程中产生的缸内初始滚流和压缩过程中的滚流维持作用都比原机有所增强,湍动能水平提升6.3%,瞬时放热率与原机相比平均提高15%;在此基础上,采用进气门晚关的方式实现Atkinson循环,并增加EGR系统,降低高压缩比带来的爆震倾向,比油耗在整个万有特性中均呈下降趋势,最低比油耗区明显变大,最低比油耗相比原机下降11.3g/(kW·h)。     

高压直喷点燃式发动机燃用航空煤油掺混乙醇对燃烧性能优化的试验研究

为提高航空煤油在点燃式发动机中的燃烧热效率,改善发动机爆震及拓宽发动机负荷范围,以3号航空煤油(RP3)为基础燃料,以乙醇为辅助燃料,基于一台单缸水冷、压缩比可调、四冲程点燃式发动机结合高压共轨缸内直喷技术,开展了不同负荷、不同乙醇和航空煤油掺混比、不同喷射压力、不同喷射时刻下航空煤油燃烧特性的试验研究。结果表明,在压缩比为7的条件下,由于爆震的限制,发动机负荷仅能达到原机的72.0%。而乙醇具有较强的抑制爆震的能力,随着乙醇在航空煤油中掺混比例的增加,发动机负荷区间不断拓展,当乙醇的掺混比为10%时发动机可实现全负荷工作。继续增大乙醇的掺混比例,可进一步提升功率并降低油耗。为探究喷油时刻对动力性、经济性的影响,试验测定了5种喷油时刻对燃烧性能的影响。当喷油时刻为压缩上止点前300°时,发动机具有较好的动力性;当喷油时刻为上止点前360°时,发动机具有较好的经济性。     

压力自适应活塞在船用发动机上的试验与仿真研究

为兼顾发动机低负荷热效率和高负荷爆震倾向,研制了一种适用于高压缩比的压力自适应活塞。采用试验研究方法在发动机台架上测试了压力自适应活塞对发动机性能的影响,在此基础上采用数值模拟的方法建立了发动机工作过程数值计算模型和爆震模型,研究了活塞头部位移和活塞对缸内压力、燃烧循环波动、燃油消耗率的影响及活塞的爆震抑制性能。台架试验和仿真研究结果表明：通过提高压缩比,在负荷较低时,活塞头部无位移或位移较小,缸内压力相较原机有所提升,燃油消耗率相较原机有所降低,如25%负荷工况下的燃油消耗率相较原机降低了6.67 g/（kW·h）;在负荷较高时,活塞头部位移较大,降低了过高的缸内压力和压力升高率,爆震得到有效抑制,峰值压力循环波动系数的最大降幅为1.11%,100%负荷工况下的爆震诱导时间积分相较原机降低了0.19。     

二次燃油喷射对自吸直喷汽油机低速性能影响的试验研究

对一台自吸直喷汽油机采用不同的燃油喷射模式在2 000r/min全负荷工况进行试验,研究了二次喷射对发动机低速动力性和经济性的影响,并根据缸压参数、燃烧参数及排放物的变化规律对二次喷射影响发动机低速性能的机理进行了探讨。结果表明,相比单次喷射,通过优化二次喷射时刻可以使动力性提升5%,经济性提升约6%。二次喷射的优化机理主要是实现了燃烧室内油气浓度的不均匀分布,可提升燃烧速度,通过分层燃烧实现动力性和油耗的改善。     

两级相继增压对船舶柴油机性能影响的数值模拟与试验

以某中速船舶柴油机为研究对象,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,完成两级相继增压系统对船舶柴油机性能影响的计算与试验研究,研究结果表明,增压压力、米勒正时、压缩比、喷油正时之间存在可以使柴油机动力性、经济性、排放性同时得到优化提高的匹配关系,且喷油正时对缸内热负荷分布的影响明显.通过采用两级相继增压系统,实现柴油机全工况性能的优化提高.试验结果表明:通过采用两级相继增压技术,适当降低压缩比并使用米勒循环,该柴油机功率提升15％,全工况油耗平均下降3.9g/(kW·h),增压系统效率达到71.3％,NOx加权排放满足IMO Tier Ⅱ限值要求.     

两种米勒循环对机车柴油机性能的计算分析与研究

利用GT-Power软件建立某机车柴油机仿真计算模型,通过试验验证了仿真模型的准确性。对采用两种米勒循环时该柴油机在1 000r/min不同负荷条件下的功率、油耗和排放影响建立了仿真方案,在全负荷条件下进行了两种米勒循环对比。结果表明,两种方式米勒循环都能显著降低NO_x排放;综合分析柴油机各性能结果,选取变凸轮型线米勒循环、米勒度为30°曲轴转角为提高该机车柴油机性能的优化方案。该方法对机车柴油机应用米勒循环具有一定指导意义。     

利用废气再循环与米勒循环提高氢内燃机压缩比的研究

建立了氢内燃机一维模型,分别仿真分析了废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)技术和米勒循环技术对抑制爆震及氮氧化物(NOx)排放的效果,最后结合两种技术探索了可达到的最大压缩比和最好的NOx排放性能.结果显示EGR技术对抑制NOx排放更有效,米勒循环对抑制爆震更有效,最终在本研究的工况...     

不同电增压方式对米勒循环柴油机性能影响的模拟研究

利用GT-Power进行建模,探究独立式与一体式两种电增压方式对米勒循环柴油机性能的影响。仿真结果表明:两种电增压都可以拓宽米勒循环的应用范围,一体式电增压适用于过量空气系数高的工况,独立式电增压适用于过量空气系数低的工况。与高转速大进气量工况相比,低转速小进气量工况使用电增压能获得更好的增压效果。     

基于仿真计算的船用柴油机性能优化研究

以某船用大功率高增压柴油机为研究对象,采用一维工作过程软件进行仿真计算,研究不同排气管方案和不同米勒正时方案对柴油机性能的影响规律。结论是:通过匹配柴油机排气能量利用率更高的排气管和适当强度的米勒正时,可以在满足排放法规的前提下,降低柴油机热负荷和燃油消耗率,有利于提高柴油机的可靠性和经济性。     

可变压缩比技术的研究与展望

解决动力性、燃油经济性及排放性能之间的矛盾一直是发动机技术研究的重点,而可变压缩比技术是解决这一矛盾的技术之一。主要介绍了发动机可变压缩比技术的概念、研发进展、实现方案、优点及存在的问题,对其未来的发展做了展望并提出了一些建议。     

缸内直喷天然气低速船机压力振荡抑制方法数值研究

基于计算流体力学(CFD)软件CONVERGE建立了大型低速2冲程柴油引燃缸内直喷天然气船用发动机燃烧仿真模型。首先通过试验结果对模型进行了验证,进而开展了天然气高压喷射模式(high pressure direct injection,HPDI)下米勒循环和天然气两次喷射策略对发动机压力振荡的抑制效果研究。结果表明,推迟排气门关闭时刻,整体燃烧压力降低,燃烧相位推迟,发生剧烈压力振荡的时刻也推迟。排气门关闭时刻推迟较小时压力振荡强度降低,但过度推迟反而提高缸内压力振荡的强度,这主要是缸内热力学状态变化和燃料自燃特性相互作用的结果。通过调整预喷射量,可以降低燃烧前形成的可燃混合气量,从而影响燃烧过程中预混合燃烧比例,可以有效抑制压力振荡.但会导致输出功率降低及能耗增大。相比预喷射量,喷射间隔对缸内压力振荡的影响较小,但过大喷射间隔会影响燃烧相位,导致功率损失严重。合理的喷射策略可以在抑制压力振荡的同时保证功率输出。     

A comparison of Miller and Otto cycle natural gas engines for small scale CHP applications

This paper presents an investigation into the feasibility and potential advantages of a small scale Miller cycle natural gas engine for applications such as domestic combined heat and power systems. The Miller cycle engine is compared to a standard Otto cycle engine using cycle analyses and multidimensional simulation, and basic engine design implications are discussed. It is found that the Miller cycle engine has a potential for improved fuel efficiency, but at the cost of a reduced power to weight ratio. A fuel efficiency advantage of 5→10%$5\to 10\%$ compared to a standard Otto cycle engine appears possible, however it is stated that further investigations, in particular into the topic of engine friction, are required in order to validate the findings.     

压缩比对四行程内燃机性能的影响分析

通过分析压缩比在使用过程的变化趋势,以及压缩比与工作参数的关系,进而分析压缩比对四行程内燃机性能的影响。     

Optical study on the effects of the hydrogen injection timing on lean combustion characteristics using a natural gas/hydrogen dual-fuel injected spark-ignition engine

Lean combustion has the potential to achieve higher thermal efficiency for internal combustion (IC) engines. However, natural gas engines often suffer from slow burning rate and large cyclic variations when adopting lean combustion. In this study, using a dual-fuel optical engine with a high compression ratio, the effects of direct-injected hydrogen on lean combustion characteristics of natural gas engines was investigated, emphasizing the role of hydrogen injection timing. Synchronization measurement of in-cylinder pressure and high-speed photography was performed for combustion analysis. The results show that the direct-injected hydrogen exhibits great improvement in lean combustion instability and power capability of natural gas engines. Visual images and combustion phasing analysis indicate that the underlying reasons are ascribed to the fast flame propagation with hydrogen addition. Regarding the direct injection timings, it is found that late injection of direct-injected hydrogen can achieve higher thermal efficiency, manifesting advanced combustion phasing, and increased heat release rate. Specifically, the flame propagation speed is elevated by approximately 50% at ?100 CAD than that of ?250 CAD. Further analysis indicates that the improvement of engine performance is ascribed to the increased volumetric efficiency and in-cylinder turbulence intensity, manifesting distinct flame centroid pathways at different injection timings. The current study provides insights into the combustion optimization of natural gas engines under lean burning conditions.     

点燃式发动机爆震测量及其强度分析

利用光纤传感器和压力传感器对发动机缸内爆震燃烧进行探测,在研究和测量临界爆震及轻度爆震时,探索其应用的可行性,利用信号变化率以及表征爆震强度的带通信号峰值幅值指标和信号幅值时域均方根指标,系统比较了光信号和压力信号在测量临界爆震方面的应用。试验研究表明,光信号在研究临界爆震及轻度爆震燃烧等方面具有更明显优势。     

汽油机爆震边缘检测的研究

汽油机爆震的难点是爆震边缘点检测,爆震边缘点是汽油机点火闭环控制的前提。研究了利用振动信号检测汽油机爆震边缘的方法。研究表明,利用离散小波变换能够有效地从振动信号中检测出爆震边缘特征,而且利用一只振动传感器即可以有效地检测出多缸汽油机各缸的爆震边缘。     

废气再循环率对高压缩比增压直喷汽油机燃烧与排放特性的影响

以一台采用废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）技术的增压直喷汽油机为研究样机,试验研究了高压缩比15.0时不同EGR率（0%、5%、10%、15%）下该机的燃烧和排放特性。研究结果表明,与常规的压缩比11.5相比,采用高压缩比15.0时,该机缸内最高燃烧压力升高,点火正时提前,燃烧持续期延长,平均指示压力变动系数增大,有效热效率显著提高;碳氢化合物（hydrocarbon,HC）排放和颗粒物数量增加,CO排放和颗粒物质量降低,NO_x排放略有升高。采用EGR技术能够有效抑制爆震和降低NO_x排放。相同工况下,随着EGR率升高,该机的燃烧持续期延长,平均指示压力变动系数增大,低负荷(制动平均有效压力（brake mean effective pressure,BMEP）为0.5 MPa)下的缸内最高燃烧压力逐渐下降,有效热效率变化不大。高负荷（BMEP为1.0 MPa）下的缸内最高燃烧压力先上升后下降,有效热效率整体呈上升趋势,高压缩比情况下该机EGR率为10%时的热效率最高,为38.45%;CO排放先减小后增加...