喷射方式对直喷汽油分层燃烧的影响研究

利用快速压缩装置进行了喷射方式对直喷汽油分层燃烧的影响研究。研究结果表明 :在当量比小于 0 .5时 ,快速燃烧期保持相同的数值而与喷射方式无关 ;在当量比大于 0 .5时 ,单点喷射方式比双点喷射方式具有较长的快速燃烧期。双点喷射方式的后燃期随当量比的增加而缩短 ,而单点喷射方式的后燃期随当量比的增加而增长。双点喷射方式的燃烧持续期基本上保持一稳定值而不随当量比的改变而变化 ,单点喷射方式下较长燃烧持续期出现在大当量比区域。双点喷射方式由于燃烧持续期短和放热速率快而呈现高的压力升高值。CO在当量比小于 0 .8时具有很低的数值 ,而在当量比大于 0 .8时因强充量分层则随当量比的增加而急速上升。三种喷射方式下碳氢随当量比的增加而增加。双点喷射和单点喷射的 NOx 的最大值分别出现在 0 .6～0 .7和 0 .3～ 0 .5区域处。在当量比小于 0 .8时 ,CO2 不受喷射方式的影响。燃烧效率在当量比 0 .15～ 0 .90范围内均达到 0 .9以上而基本上不随喷射方式而改变     

利用快速压缩装置进行直喷天然气发动机燃烧特性的研究

利用快速压缩装置开展了直喷天然气发动机燃烧特性的研究,分析了3种不同喷射方式下的燃烧特性并与均相混合气燃烧进行了对比。研究结果:上喷天然气燃烧比均相混合气燃烧的最大压力高,在宽广的当量比范围内具有短的火娄发展期和快速燃烧,克燃烧放热率和压力升高率基本上与喷射方式无关。喷射方式与均相混合气相比,燃烧放热率,压力升高率大。缩短喷油和点火间的时间间隔将缩短火焰发展期和快速燃烧期,其时间间隔的优化对直喷天然气发动机极为重要。直喷天然气发动机的燃烧方式为预混控制充量分层燃烧,此燃烧方式燃烧速率,排放低。     

利用火花点火式快速压缩装置进行天然气直喷分层燃烧可行性的研究

利用快速压缩装置进行了天然气直喷分层燃烧可行性的研究。结果表明 :天然气分层燃烧具有短的初期火焰发展期和主燃期以及高的燃烧压力。分层燃烧可使稀燃极限延伸到很小的当量比。由于过度分层 ,CO在当量比大于 0 .8时急剧增加 ,而 NOx 的峰值也因充量分层而出现在小当量比处。燃烧效率在当量比处于0 .1～ 0 .9范围时高于 0 .92 ,在极小当量比时由于未燃混合气淬熄 ,在当量比时由于过度分层而使燃烧效率降低。根据燃烧产物计算的燃烧效率与根据放热分析获得的燃烧效率一致。因此 ,天然气直喷分层燃烧在宽广的当量比范围内可望实现高效燃烧火花助燃发动机的宽广的高效燃烧。     

不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性

开展了天然气高压缸内直喷发动机不同喷射时刻时的燃烧特性研究。研究结果表明：燃料喷射时刻对发动机性能及排放有较大影响,喷射太迟会导致天然气和空气混合时间短,混合效果差,燃烧持续期长,放热速率慢。喷射过早会导致充量系数下降,燃料容易进入燃烧室狭缝间隙处,造成较高的HC排放。对于给定转速,发动机存在一个最佳燃料喷射提前角,此时缸内最高压力值最大,最大压力升高率和最大放热率最大,放热速率快,燃烧过程等容度好,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期短,发动机热效率高,HC、CO排放也维持较低水平。     

利用快速压缩装置研究天然气直喷燃烧循环变动

利用快速压缩装置研究了天然气直喷燃烧循环变动，研究结果表明：借助于分层燃烧和由燃料喷射的湍流引发的快速火焰传播，天然气直喷燃烧在小当量比条件下能实现良好的燃烧稳定性，低的压力峰值循环变动，低的压力升高率峰值循环变动和低的燃烧放热率峰值循环变动，研究发现燃烧期和燃烧产物的循环变动。CO和未燃碳氢的循环变动依赖于后续燃烧期的循环变动，NOx的循环变动依赖于快速燃烧期的循环变动。在燃烧最佳喷射条件下，天然气直喷燃烧的循环变动随当量比的变化并不敏感。     

利用定容燃烧弹研究天然气掺氢混合燃料直喷燃烧循环变动

利用定容燃烧弹开展了天然气掺混0%～40%氢气混合燃料直喷燃烧循环变动研究,高压气体燃料(8.0 MPa)喷入定容燃烧弹模拟直喷发动机燃烧条件.在整体当量比为0.6和0.8下,试验采集了火焰发展图片和燃烧过程容弹内压力,从火焰发展图片和燃烧特征参数两个方面分析了掺氢和混合气分层分布对天然气直喷燃烧循环变动的影响.结果表明:燃烧循环变动起始于火焰发展初期阶段.随着掺氢比增加,火焰形态更规则且更集中于点火电极.同时,由于直喷燃烧方式混合气分层分布,能够实现低循环变动的稳定稀燃.循环变动随着掺氢比的增加而减小,这种趋势在稀燃工况((b=0.6)下更加明显.在直喷燃烧方式下,由于混合气分层分布减弱了火焰发展初期阶段对后续燃烧过程的影响,因此燃烧特征参数间呈现相互独立的关系.     

二甲醚对甲烷稀混合气燃烧过程影响的可视化研究

在一台安装有进气道喷射甲烷和缸内直喷二甲醚(DME)的单缸光学发动机上,研究了DME喷射时刻对甲烷空气稀混合气压缩着火燃烧过程和火焰发展过程的影响。结果表明:在直喷DME下,气缸内的燃烧放热过程主要受到DME直喷时刻的控制。在-60°～-40°喷射DME时,放热率曲线呈单峰,在-30°～-15°喷射DME时,放热率曲线呈两阶段放热特征。气缸内的燃烧呈现自燃+火焰传播的特征。此外,DME喷射时刻还影响着火点的位置。随着DME喷射时刻的推迟,着火区域分布更加集中。与火花点燃甲烷燃烧相比,在压缩着火方式下,直喷DME能大幅提高甲烷/空气混合气燃烧初期的火焰传播速度,使燃烧放热过程加快。     

燃料特性对双燃料燃烧影响的可视化试验

通过一台改装而成的光学发动机,采用双燃料喷射系统,固定气道喷射异辛烷,缸内直喷燃料先后使用正十六烷、聚甲氧基二甲醚(PODE_(3-6))和正庚烷,研究缸内直喷燃料特性对双燃料发动机自燃着火、火焰发展和燃烧放热过程的影响.结果表明:缸内直喷正十六烷时,火焰由初期的蓝色迅速过渡到亮黄色,燃烧光强最大;直喷PODE_(3-6)工况下,火焰主要为均匀透明的蓝色,局部为亮黄色,燃烧光强最弱;直喷正庚烷工况下,CA 50之前主要为蓝色火焰,CA 50之后为亮白色火焰,光强介于直喷正十六烷与直喷正庚烷之间.直喷正十六烷的火焰初期发展类似传统柴油机燃烧,即从油束的下游先着火,然后火焰向油束上游迅速发展至喷孔;缸内分别喷射PODE_(3-6)和正庚烷时,火焰发展特性相似,火核在燃烧室边缘出现,然后向燃烧室中心铺展,火焰达到准稳态后,高温反应的明亮火焰很难传播到燃烧室中心区域.     

喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机燃烧稳定性影响研究

基于一台光学发动机,在1 200 r/min转速下,采用进气道低压喷射氨气,缸内高压直喷高活性正十二烷的双燃料燃烧模式,应用火焰高速成像方法,研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律．结果表明,直喷燃料喷射压力降低,导致正十二烷浓度分层增大,自燃着火点增多,更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气;直喷压力在30 MPa和60 MPa工况下,火焰初期NH3燃烧的橘色火焰占主导,之后呈现正十二烷预混蓝色火焰与NH3橘色火焰叠加现象;在90 MPa喷射压力下,火焰发展初期正十二烷预混蓝色火焰占主导,随着燃烧发展NH3橘色火焰的比例逐渐增多．在30 MPa喷射压力下,缸内直喷正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火,但是燃烧反应速率过低,燃烧持续期过长．进气温度从100℃升高到125℃后,自燃着火点数量增加,氨双燃料燃烧反应速率提高,放热率峰值增大;然而进气温度进一步从125℃提高到150℃时,对燃烧压力和放热率影响很小．上述研究表明,较低的直喷燃料喷射压力和适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率的提升和氨在双燃料中占比的提高．     

不同点火时刻下天然气掺氢缸内直喷发动机燃烧与排放特性

在缸内直喷火花点火发动机上开展了天然气掺混0％-18％氢气的混合燃料不同点火时刻下的试验研究。结果表明：对于给定的喷射时刻和喷射持续期，点火时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射结束时刻与点火时刻的间隔对直喷天然气发动机极为重要，喷射结束时刻与点火时刻的间隔缩短时，混合气分层程度高，燃烧速率快，热效率高。最大放热率等燃烧特征参数随点火时刻的提前而增加。HC排放随点火时刻的提前而下降，CO2和NOx排放随点火时刻的提前而增加，NOx排放的增加在大点火提前角下更明显。掺氢可降低HC排放，对CO和CO2排放影响不大。掺氢量大于10％时可提高天然气发动机热效率。     

不同喷射时刻缸内直喷天然气燃烧特性

利用快速压缩装置研究不同喷射沓刻缸内直喷天然气燃烧特性。结果表明，天然气直喷燃烧可实现快速燃烧，缩短喷射时刻与点火时刻的时间差可明显缩短燃烧期。与均匀混合气燃烧相比，碳氢的排放增加，缩短喷射时刻与点火时刻的时间差可达到均匀混合气燃烧时相同的排放量。在很宽的当量比范围内，NOx增加，而CO仍维持很低数值，且不受喷射时刻的影响，直喷天然气燃烧可实现较高的压力升高值，且其数值不受喷射时刻的影响，所达到的高燃烧效率也不受喷射时刻的影响。     

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。     

缸内直接喷射式汽油机点火稳定性的数值分析

缸内直接喷射式汽油机的一个显著特点是依靠火花塞点燃喷入缸内的汽油油束。由于缸内混合气浓度极不均匀，所以其点火及火焰传播过程与普通均质燃烧式发动机有很大的不同。火焰核心的稳定形成及初始火焰发展对缸内的整个燃烧过程有极其重要的影响。本文利用二维两相混合模型模拟喷雾过程，利用一个详细的准维模型模拟火花塞的点火过程，并采用特殊处理方法使两个子模型相匹配，计算了缸内直接喷射式汽油机从喷雾到形成稳定火核的全过程，分析了多种因素对点火稳定性的影响，尤其是对涡流比、点火时刻和喷油定时之间的适当配合进行了模拟分析。计算结果对优化实验有明显的指导作用。     

直喷式汽油机缸内浓度场数值模拟

对直喷式二冲程汽油机缸内浓度场进行了数值模拟,选取两种代表性的发动机工况,采用球顶燃烧室,改变喷油定时和喷雾方向,研究它们对燃烧室内混合气浓度分布的影响。通过仿真分析得到:喷油定时和喷油方向对缸内浓度场分布有很大影响。当喷油器的中心轴线与气缸中心轴线的夹角为15°的喷油方向,喷油定时在低负荷选择95°CA、高负荷选择160°CA时,可以在火花塞附近形成有利于点火的混合气浓度,在整个燃烧室形成有利于分层燃烧的浓度场分布。     

The lean burn direct injection jet ignition gas engine

This paper presents a new in-cylinder mixture preparation and ignition system for various fuels including hydrogen, methane and propane. The system comprises a centrally located direct injection (DI) injector and a jet ignition (JI) device for combustion of the main chamber (MC) mixture. The fuel is injected in the MC with a new generation, fast actuating, high pressure, high flow rate DI injector capable of injection shaping and multiple events. This injector produces a bulk, lean stratified mixture. The JI system uses a second DI injector to inject a small amount of fuel in a small pre-chamber (PC). In the spark ignition (SI) version, a spark plug then ignites a slightly rich mixture. In the auto ignition version, a DI injector injects a small amount of higher pressure fuel in the small PC having a hot glow plug (GP) surface, and the fuel auto ignites in the hot air or when in contact with the hot surface. Either way the MC mixture is then bulk ignited through multiple jets of hot reacting gases. Bulk ignition of the lean, jet controlled, stratified MC mixture resulting from coupling DI with JI makes it possible to burn MC mixtures with fuel to air equivalence ratios reducing almost to zero for a throttle-less control of load diesel-like and high efficiencies over almost the full range of loads.     

Experimental study on combustion stability and performance of hydrogen-enriched compressed natural gas of a free-piston linear generator

Free Piston linear Generator (FPLG) engine fueled by compressed natural gas (CNG) has recently gained increased research attention. However, due to the low-velocity burning and poor lean limit of CNG fuel, the FPLG engine combustion stability, performance, and efficiency are still low. Hydrogen has a greater burning velocity with wider flame limits that could extend the lean burn limits and combustion characteristics of CNG. This paper compares pure CNG and 10% hydrogen-enriched CNG at various ignition speeds (0.6 ms, 0.8 m/s, and 1 m/s), injection positions (0 mm, 5 mm, 10 mm and 15 mm), and lambda ratios (0.9, 1.4 and 1.7) on the combustion characteristics, performance, and conversion efficiency are duly discussed. The findings show that the FPLG combustion stability limits increase with the hydrogen addition into the CNG. The CNG in-cylinder pressure increases significantly when the injection position is advanced, whereas the hydrogen addition reduces the influence of the injection position. The heat release rate increases by 15.62% and 23.72% with hydrogen addition, corresponding to the advanced and retarded injection positions. Consequently, the hydrogen addition increases the power RMS to 209.21 W and 232.64 W with an increment of 3.46% and 3.13%, respectively. Conclusively, the hydrogen addition into the CNG evidently shortens the combustion duration while improving the heat release rate, combustion stability, power RMS, Cycle-to-Cycle variation, and conversion efficiency.     

Multi-dimensional modeling of mixture preparation in a direct injection engine fueled with gaseous hydrogen

With the recent advances of direct injection (DI) technology, introducing hydrogen into the combustion chamber through DI is being considered as a viable approach to circumvent backfire and pre-ignition encountered in early generations of hydrogen engines. As part of a broader vision to develop a robust numerical model to study hydrogen spark ignition (SI) combustion in internal combustion (IC) engines, the present numerical investigation focuses on mixture preparation in a hydrogen DI SI engine. This study is carried out with a single hole injector with gaseous hydrogen injected at 100 bar injection pressure. Simulations are carried out for high and low tumble configurations and validated against optical data acquired from planar laser induced fluorescence (PLIF) measurements. Varying mesh configurations are investigated for the impact on in-cylinder mixture distribution. A particular emphasis is placed on the effect of nozzle geometry and mesh orientation near the wall. Overall, the computational model is found to predict the mixture distribution in the combustion cylinder reasonably well. The results showed that the alignment of mesh with the flow direction is important to achieve good agreement between numerical analysis and optical measurement data.