复合供气压缩着火天然气发动机的试验研究

设计开发的天然气发动机压缩着火燃烧系统采用球形涡流室式燃烧室结构及天然气复合供气系统,通过台架试验研究了不同天然气供气方式、进气加热温度、高压供气定时和高、低压供气比例对着火燃烧和排放的影响.结果表明,高压供气定时、高低压供气比例、进气加热温度对天然气压燃和排放的影响均存在最优值;与天然气低压供气方式相比较,复合供气方式实现天然气发动机的着火起动需要较高的辅助加热条件;但是在扩展发动机运转范围方面具有明显优势.     

压燃式天然气发动机着火和敲缸的试验研究

提出了一种压燃式天然气发动机燃烧系统。该燃烧系统采用了低散热的分隔式燃烧室和复合供气系统,即利用分别安装于进气管和气缸盖上的高、低压天然气喷射阀在一个工作循环中的分时供气,以在副燃烧室内形成较浓的混合气,在主燃烧室内形成稀混合气。在接近压缩终点处,副室内的混合气首先着火,其火焰喷入主燃烧室点燃其中的稀混合气。在单缸试验机上研究了这一燃烧系统的着火起动特性和敲缸现象。试验结果说明：仅采用进气道低压喷射天然气的供气方式在发动机气缸内形成天然气／空气的均质混合气,可很容易地实现压缩着火和起动发动机;电热塞温度、进气温度及副室与主室之间通道尺寸对发动机的着火和起动性有显著的影响,可以实现仅利用电热塞辅助加热即可在常温进气条件下起动发动机。在主、副燃烧室内实现混合气浓度的时间-空间控制,以实现混合气浓度分层,有助于避免敲缸现象。     

改善热面点火天然气发动机起动和运转性能的研究

针对热面点火天然气机起动困难以及低负荷循环波动大、高负荷燃烧敲缸、Nox排放数值较高的问题,通过台架试验,分别研究了3种燃料添加剂、进气加热温度、隔热措施及热EGR对发动机起动和运转性能的影响.结果表明,采用3种添加剂、提高进气温度和燃烧室隔热,有利于天然气着火起动和稳定燃烧.采用热EGR有助于天然气发动机扩展功率范围并有利于降低Nox排放.     

复合供气压燃式天然气发动机的燃烧特性

根据分层燃烧理论,设计了分隔室复合供气压燃式天然气发动机燃烧系统.采用化学动力学简化机理模型与CFD耦合对发动机的着火和燃烧过程进行了模拟计算,并验证了模拟计算结果的有效性.结果表明,进气温度、电热塞温度、喷气时刻、供气量对发动机的燃烧特性有较大影响.进气温度过高时,燃烧趋向单级燃烧,将导致爆燃,而且产生较高的NO排放.电热塞温度过高同样导致高的燃烧速率,增大爆燃趋势;高压供气时刻提前使燃烧压力、温度和压力升高率上升,NO排放随之增加;在现有的较低喷气速率下,当缸内喷气持续期控制在40～50 °CA时,燃烧时刻最佳;当进气道供气量比例较高时,会发生敲缸现象.     

分隔室压燃式天然气发动机燃烧过程模拟

为了研究分隔室压燃式天然气发动机燃烧系统的燃烧机理和缸内气体运动的规律,依据该发动机的工作特点以及天然气燃料本身的特性,开发了一简化的天然气化学动力学模型(其中包含23种组分和74个反应式)。应用相关文献中提供的试验数据,首先对该化学动力学模型的精度进行了验证,然后用所建模型对分隔室压燃式天然气发动机中的燃烧和流动进行了三维模拟计算。模拟计算结果表明,在采取进气预热措施后,天然气在分隔室燃烧室中可以可靠着火,并能迅速燃烧。压缩上止点时在分隔室中存在较强的涡流及副涡流。此外,还对着火时刻及NO排放进行了模拟计算及分析。     

压燃式天然气发动机缸内流动特性

本文提出了一种压燃式天然气发动机燃烧系统,并在不同的燃烧室结构参数下对其燃烧特性和缸内流场分布进行了模拟计算.结果表明,半球型副燃烧室着火性能要优于平底型副燃烧室;较小通道直径有利于抑制燃烧敲缸和扩大功率输出;如果将通道进行适当的右偏移后,在不改变着火性能的基础上,可以有效降低燃烧速率,避免燃烧敲缸.     

船用预燃室式天然气发动机稀薄燃烧特性试验

以船用预燃室式天然气发动机为研究对象，以点火正时(SOI)和过量空气系数(φ_a)为变量开展缸内稀薄燃烧特性影响规律的研究．在此基础上对试验数据开展主效应和帕累托分析，得出量化的规律性结果．结果表明：一方面，影响着火延迟和燃烧放热速率权重较大的为SOI，通过优化可以将滞燃期缩短至12°CA以内，将燃烧重心控制在14°CA ATDC以前；而对于燃烧持续期，影响权重较大的为φ_a，将各工况下φ_a控制为1.66～1.84，可以将燃烧持续期控制在28°CA以内；另一方面，φ_a的运行范围已经达到并超过了车用重载的稀薄极限．由于采用了独立供气的预燃室形式，船用预燃室式天然气发动机可在缸径较大、平均有效压力(BMEP)较高的前提下实现比重载天然气发动机更加稀薄的燃烧组织，从而有利于实现较高的热效率，同时更好的兼顾NO_x排放．     

基于多维模型的天然气发动机敲缸趋势数值研究

研究了天然气发动机关键参数对敲缸趋势的影响。将自点火和两步湍流燃烧两个子模型集成在发动机缸内流体动力学多维模型程序KIVA-3V中,采用数值计算与试验相结合的方法修正多维模型,然后调整操作条件使发动机处于敲缸状态,解析点火提前角、压缩比、涡流比和等价率四个参数对敲缸时刻(KOCA)和敲缸强度(KI)的影响。研究表明:压缩比下降,敲缸强度明显下降。点火提前角增大,敲缸时刻提前,并且敲缸强度增加。当等价率从0.72增加到0.78,敲缸强度增加,敲缸时刻提前;而当等价率从0.78到0.92,敲缸强度增加,发生时刻反而推后。当涡流比从0.0到2.0变化时,敲缸时刻提前;而从2.0到3.11,敲缸时刻反而推后。压缩比对敲缸趋势影响最大,其次是等价率,相比之下,点火提前角和涡流比的影响较小。     

分隔室压燃式天然气发动机燃烧过程变参数多维模拟计算

利用详细的化学动力学机理与CFD多维数值模拟计算软件,对分隔室压燃式天然气发动机的着火及燃烧过程进行了变参数模拟研究。研究的参数包括：喷气时刻、进气终了温度、天然气成分。模拟内容有：着火时刻、缸内平均压力、NO质量分数。结果表明,喷气提前使最高温度压力增加,NO排放增加;提高进气终了温度可以改善着火性能;天然气中乙烷含量增加可以改善着火性能,同时使最高温度压力增加,NO排放增加。     

直喷式柴油机涡流室燃烧系统的模拟与试验研究

为改善直喷式柴油机缸內的喷雾分布特性及混合气形成质量,从加强燃烧室內的气流运动角度出发,提出了直喷式涡流室燃烧系统,应用AVL FIRE软件对缸內混合气形成过程进行了数值模拟研究,并在单缸四气门135柴油机上进行了初步性能试验.结果表明:直喷式涡流室燃烧系统能够有效提高缸內混合气均匀性,从而改善燃烧;使用4×0.36×150°油嘴在供油提前角为7℃A时要低于10℃A时的N0x和碳烟排放.     

二甲基醚/天然气双燃料均质压燃的燃烧特性

应用零维热力学模型和化学反应动力学模型计算并分析了二甲基醚(DME)／天然气(CNG)双燃料均质压燃(HCCI)运行工况范围，计算与试验结果相吻合．采用DME／CNG双燃料方式可以有效地扩展HCCI的运行工况范围，发动机转速为1400r／min，最大平均有效压力可达O．52MPa．在一台单缸直喷式柴油机上进行了DME／CNG双燃料HCCI燃烧过程的试验研究，结果表明，DME／CNG双燃料燃烧过程表现出明显的两阶段放热过程，随着CNG浓度增大，缸内最大爆发压力增大，燃烧始点略有推迟，燃烧第二放热峰值增大．而DME浓度对燃烧过程的影响主要通过影响第一阶段放热过程，进而影响第二阶段放热，随着DME浓度加大，第一放热峰值增大，燃烧始点提前，导致第二放热峰值增大，缸内最大爆发压力增大，主燃期缩短，当DME浓度太高时，发动机将出现爆震．     

废气再循环对二甲醚/天然气双燃料均质压燃燃烧过程和排放特性的影响

在一台单缸直喷式柴油机上研究了冷却废气再循环(EGR)对二甲醚(DME)／天然气(CNG)双燃料均质压燃(HCCI)燃烧过程和排放的影响．结果表明，EGR率加大，着火时刻滞后，放热速率降低，燃烧持续期延长，DME比例加大，着火始点提前，放热率峰值上升，燃烧持续期缩短，EGR率增大，发动机“失火”和爆震燃烧的DME比例增大，但“失火”和爆震燃烧之间的DME比例区间变宽，EGR可以拓宽HCCI发动机的工况范围．对应不同比例的EGR，有一个热效率最佳的DME比例区域．HC排放和CO排放随EGR率的增高而增加，随DME比例的增大而降低．NO。排放在不发生爆震的情况下保持在极低的水平．因此，控制DME比例和EGR率是控制DME／CNG双燃料HCCI发动机燃烧过程、性能和排放的关键。     

Applying the multi-zone model in predicting the operating range of HCCI engines

In this paper, a multi-zone model is developed to predict the operating range of homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines. The boundaries of the operating range were determined by knock (presented by ringing intensity), partial burn (presented by combustion efficiency), and cycle-to-cycle variations (presented by the sensitivity of indicated mean effective pressure to initial temperature). By simulating an HCCI engine fueled with iso-octane, the knock and cycle-to-cycle variations predicted by the model showed satisfactory agreement with measurements made under different initial temperatures and equivalence ratios; the operating range was also well reproduced by the model. Furthermore, the model was applied to predict the operating range of the HCCI engine under different engine speeds by varying the intake temperatures and equivalence ratios. The potential to extend the operating range of the HCCI engine through two strategies, i.e., variable compression ratio and intake pressure boosting, was then investigated. Results indicate that the ignition point can be efficiently controlled by varying the compression ratio. A low load range can be extended by increasing the intake temperature while reducing the compression ratio. Higher intake temperatures and lower compression ratios can also extend the high load range. Boosting intake pressure is helpful in controlling the combustion of the HCCI engine, resulting in an extended high load range.     

气门正时对柴油燃料HCCI燃烧影响的初步实验研究

开发了变进排气正时控制机构,实现气门正时的调节,采用在进气上止点前进行柴油燃料的喷射,利用缸内残余高温废气余热加速燃油蒸发,实现了柴油燃料的HCCI燃烧,同时,研究了不同气门重叠期下HCCI燃烧的燃烧特性,不同负荷的工作稳定性和排放特性,结果表明,对于低温自燃性好的柴油燃料,排气门早关和进气门晚开引起的缸内温度升高比由此引起的残余废气增加对工质的稀释效果更大,使HCCI燃烧的着火始点提前,易引起大负荷工况HCCI燃烧的工作粗暴,但有利于小负荷工况HCCI燃烧的工作稳定性。     

二甲基醚/天然气双燃料均质压燃化学动力学数值模拟

使用零维详细化学反应动力学模型，研究了二甲基醚和天然气双燃料均质压燃燃烧的化学反应动力学过程，缸内压力计算值和实测结果相当一致，计算结果表明，双燃料燃烧过程分为低温反应和高温反应两个阶段，低温反应主要是二甲基醚燃烧氧化，而高温反应主要是天然气的氧化，低温反应二甲基醚生成了大量自由基加速了天然气的燃烧反应．混合气初始温度升高，放热率增大，燃烧持续期缩短；二甲基醚浓度主要影响低温燃烧过程，天然气浓度则主要影响高温燃烧过程；惰性气体(CO2)使燃烧反应推迟，燃烧反应速率降低．通过控制二甲基醚、天然气和惰性气体浓度可以有效控制均质压燃燃烧过程，拓宽运行范围。     

废气再循环和进气加热实现汽油机HCCI燃烧的性能对比

废气再循环和进气加热是实现汽油机HCCI燃烧的两种不同方式,其对HCCI燃烧性能的影响也不同,为此,在同一台汽油机上分别采用废气再循环和进气加热实现HCCI燃烧,并分析了其在HCCI燃烧性能上存在差异的机理.试验结果表明,相对于进气加热,废气再循环的工质比热容高,但由于稀释比较小,使得其工质总热容反而低,从而缸内燃烧温度高.废气再循环HCCI燃烧的未燃HC排放比进气加热的排放值低41%～59%;NOx排放是后者的2～20倍;而CO排放与负荷有关;其燃烧效率比进气加热HCCI的值高0.8%～14%.然而,由于进气加热的PMEP低,缸内工质比热比大,传热损失小,最终使得进气加热HCCI燃烧的ISFC比废气再循环HCCI燃烧的值低6.6%～16.4%.     

预混点燃式天然气发动机燃烧过程CFD研究(二)

采用AVL三维CFD软件FIRE对一台预混点燃式天然气发动机的燃烧过程进行了CFD研究。通过模拟仿真得到了发动机缸内气体的压力场、流场、温度场及湍动能等信息,并详细分析了压缩及燃烧过程气体的流动、温度的分布以及湍动能对火焰传播的影响。在此基础上对点火提前角、燃空当量比对燃烧过程的影响进行了模拟研究,为该天然气发动机燃烧过程的设计优化提供了理论性指导。     

预混点燃式天然气发动机燃烧过程CFD研究(一)

采用AVL三维CFD软件FIRE对一台预混点燃式天然气发动机的燃烧过程进行了CFD研究。通过模拟仿真得到了发动机缸内气体的压力场、流场、温度场及湍动能等信息,并详细分析了压缩及燃烧过程气体的流动、温度的分布以及湍动能对火焰传播的影响。在此基础上对点火提前角、燃空当量比对燃烧过程的影响进行了模拟研究,为该天然气发动机燃烧过程的设计优化提供了理论性指导。