废气再循环与燃料辛烷值对均质压燃燃烧特性影响的试验研究

在一台单缸直喷式柴油机上研究了废气再循环（EGR）对不同辛烷值燃料均质压燃（HCCI）燃烧特性及排放特性的影响.结果表明,EGR使HCCI着火燃烧推迟、燃烧反应速度降低、缸内压力和平均温度降低,HCCI工况范围向大负荷工况扩展;混合气浓度增大或燃料辛烷值增大,EGR对燃烧效率的影响增大,EGR率升高,燃烧效率降低;不同辛烷值燃料最高燃烧效率出现在高比例EGR率、混合气较浓、靠近爆震燃烧边界的区域.试验结果也表明,辛烷值为60的燃料采用EGR后HCCI覆盖的工况范围最宽.     

运行工况对基础燃料均质压燃燃烧过程影响的试验研究

在一台经改装的单缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值基础燃料下发动机转速对均质压燃（HCCI）燃烧特性、工况范围和排放特性影响的试验研究。研究结果表明：发动机转速升高，不同辛烷值燃料着火燃烧时刻推迟，以曲轴转角计算的燃烧持续期延长，高辛烷值燃料的缸内最大爆发压力和缸内温度降低；在中间转速，HCCI实现的最高平均指示压力最大，高转速工况，最高平均指示压力降低；对于低辛烷值燃料，转速对燃烧效率影响不大，转速升高，指示热效率增大；对于高辛烷值燃料，转速升高燃烧效率降低，指示热效率在中间转速最高，高转速降低。排放测试表明，转速升高使得HCCI运转的HC和CO排放都升高，NOx排放则逐渐降低。     

压缩比对汽油HCCI燃烧和排放特性的影响

通过优化动力技术对一台四缸汽油机进行改造设计,实现均质混合气压燃(HCCI),考察了压缩比对汽油机HCCI负荷拓展及冷却液和进气温度对HCCI燃烧排放特性的影响。试验结果表明:提高压缩比可以在更低的进气温度下实现SI/HCCI燃烧模式的切换,CO排放升高,HC排放下降,NOx排放呈下降趋势,且在高负荷工况时下降得更加明显。在压缩比为15时,HCCI汽油发动机可以在1 200~3 600r/min转速范围内实现稳定燃烧,提高压缩比有效拓展了HCCI发动机负荷范围。随着进气温度及冷却液温度的升高,燃烧相位提前,燃烧持续期缩短,缸内压力、放热率及温度升高;缸内循环变动率减小,实现更稳定的HCCI燃烧;CO、HC排放也随之降低,但NOx排放有升高趋势。     

废气再循环与燃料辛烷值对均质压燃发动机性能和排放影响的试验研究

在一台单缸直喷式柴油机上研究了废气再循环（EGR）对不同辛烷值燃料均质压燃（HCCI）发动机性能和排放特性的影响。结果表明，混合气较稀，EGR对指示热效率影响较小，其影响和燃料辛烷值有关；混合气变浓，EGR对指示热效率的影响增大。不同辛烷值燃料最高指示热效率出现在高EGR率、混合气较浓的区域，并且靠近爆震燃烧边界，辛烷值为60的燃料最高指示热效率最高，并且覆盖的工况区域最宽。高EGR率区域，EGR对HC排放的影响十分明显，EGR率升高，HC排放急剧增大，而且随着燃料辛烷值增大，这种趋势越明显；CO排放与缸内燃烧温度有较大的相关性，EGR率升高，CO排放升高。NOx排放出现急剧升高的“拐点”是判断HCCI爆震燃烧的一个重要判据，EGR率增大，“拐点”出现的混合气浓度增大，在正常工作范围内，NOx排放极低，EGR对NOx排放几乎没有影响。     

HCCI甲醇发动机的燃烧与排放特性

在Ricardo Hydra单缸四冲程发动机上利用内部废气再循环策略实现了甲醇燃料的HCCI燃烧.通过调整HCCI发动机的过量空气系数和转速,研究了HCCI甲醇发动机的燃烧和排放特性.结果表明,甲醇燃料的HCCI燃烧不同于普通汽油,其着火更早、燃烧更快,但在低转速时,平均指示压力相对较低.甲醇燃料可以在更稀的混合气条件下实现HCCI燃烧.在相同的转速和过量空气系数下,甲醇燃料的NOx和HC排放低于汽油.     

火花点火激发均质压燃(SICI)组合燃烧的试验研究

均质混合气压燃(HCCI)燃烧高负荷拓展是内燃机燃烧领域的一个难题.在缸内直喷汽油机(GDI)上采用EGR、火花点火和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了3种燃烧方式:HCCI、火花点火激发均质压燃(SICI)组合燃烧方式、火花点火(SI)燃烧方式,研究了不同EGR率和点火提前角对SICI燃烧排放特性的影响.结果表明,汽油SICI组合燃烧方式呈现明显的两阶段燃烧特性,调整点燃放热比例可以实现HCCI燃烧向高负荷拓展(最大平均有效压力为0.82 MPa),同时能获得较低的NOx排放和高的热效率.     

双燃烧模式发动机性能和排放特性对比的试验研究

在一台经过改进的单缸发动机上实现了乙醇燃料火花点火（SI）燃烧和均质压燃（HCCI）燃烧.获得了两种燃烧方式各自的工作区,定义了乙醇HCCI燃烧的爆震边界和失火边界.研究结果表明,通过进气加热,仅靠空气稀释,乙醇燃料的HCCI燃烧工作上限最大达到了SI工作方式下的50%.与火花点火相比,在乙醇HCCI燃烧的工作区域内,由于采用的是稀混合气,排气温度低,NOx的排放降低幅度达到58%以上.发动机负荷越小,混合气变的更稀,缸内燃烧温度降低,NOx的降低幅度越大,但CO和HC的排放升高.     

不同进气温度条件下燃料特性对均质压燃燃烧过程影响的试验研究

为了研究不同进气温度(Tin)条件下燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧特性、工况范围和排放特性的影响,在一台改装的4缸直喷柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)、汽油和含氧燃料的进气加热发动机试验.结果表明,Tin较低时,PRF着火时刻最早,缸内最大爆发压力和峰值放热率最高,其次是汽油和含氧燃料,但Tin较高时,则是汽油燃料着火时刻最早,燃烧效率和能够实现的最高指示效率最高;Tin升高,所有燃料主燃烧着火时刻提前,缸内最大爆发压力和燃烧效率升高,HCCI正常运转工况范围向小负荷区域拓展,但Tin对指示效率的影响与燃料的RON有关.排放测试表明,Tin升高,所有燃料的HC和CO排放均降低,Tin较高时,燃料特性对两者的影响减小;Tin高于363 K时,汽油的HC和CO排放均最低;Tin和RON都相同,汽油燃料的Nox排放值相对较高,Tin对所有燃料的Nox排放的影响均不明显.     

DME/LPG燃料比例实时优化的HCCI燃烧控制新方法

根据燃料设计的思想，提出了混合燃料比例实时优化的HCCI燃烧控制新方法。在一台2135柴油机上，通过燃料成分设计（DME／LPG混合燃料）、混合气成分设计（进气添加二氧化碳）、发动机参数调整（改变压缩比）等多种模式对二甲醚HCCI燃烧进行了研究和比较。试验结果表明，在不同工况下实时进行DME／LPG比例优化，通过改变燃料的理化特性和可燃混合气的成分，实现了HCCI着火与燃烧的有效控制，能够显著拓展二甲醚HCCI燃烧的运行负荷范围，并且各个工况下热效率最高、HC和CO排放最低。     

用汽油和甲醇燃油分层拓展HCCI燃烧高负荷的试验研究

在一台单缸HCCI发动机上研究了进气道喷射汽油缸内喷射甲醇形成汽油甲醇燃油分层的HCCI燃烧排放特性,探索了其拓展HCCI燃烧高负荷的潜力。试验结果表明:在汽油HCCI燃烧中喷射甲醇能够有效降低缸内混合气的温度,推迟着火时刻,延长燃烧持续期,从而降低压力升高率和缸内最高燃烧压力,有利于拓展HCCI燃烧高负荷。一定的HCCI负荷工况存在最佳的汽油甲醇比例,且汽油甲醇最佳比例随着负荷的增加不断减小。在最大压力升高率0.5MPa/°CA和较高的指示效率的限制下,自然吸气条件下采用汽油和甲醇燃油分层的HCCI燃烧最高负荷比汽油HCCI燃烧提高了近50%,达到0.62MPa。     

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%.     

Experimental study of fuel stratification for HCCI high load extension

Fuel stratification has the potential to extend the high load limits of homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion by improving the control over the combustion phase as well as reducing the maximum rate of pressure rise. In this work, experiments were carried out on a single-cylinder engine equipped with a dual-fuel-injection system – a port injector for preparing a homogeneous charge and a direct in-cylinder injector for creating the desired fuel stratification. The homogeneous charge was prepared using gasoline fuel while the fuel stratification was created with the in-cylinder injection of either gasoline or methanol during the compression stroke. The test results indicate that high load extension using gasoline for fuel stratification is limited by the trade-off between CO and NO_x emissions. Weak gasoline stratification leads to an advanced combustion phase and an increase in NO_x emission, while increasing the stratification with a higher quantity of gasoline direct injection, results in a significant deterioration in both the combustion efficiency and the CO emission. Engine tests using methanol for the stratification retarded the ignition timing and prolonged the combustion duration, resulting in a substantial reduction in the maximum rate of pressure rise and the maximum cylinder pressure – a prerequisite for HCCI high load extension. Further tests were then conducted with methanol stratification to extend the HCCI load limit and to optimize the stratified methanol-to-gasoline fuel ratio. Compared to gasoline HCCI, a 50% increase in the maximum IMEP attained was achieved with an acceptable maximum pressure rise rate of 0.5 MPa/°CA while maintaining a high thermal efficiency.     

辛烷值对均质压燃发动机燃烧特性和性能的影响

通过不同比例的正庚烷和异辛烷混合得到不同辛烷值的混合燃料，在一台单缸直喷式柴油机上研究燃料辛烷值对均质压燃发动机燃烧特性、性能和排放特性的影响．研究结果表明，燃料辛烷值增加，着火始点推迟，燃烧反应速率降低，缸内爆发压力降低．燃料辛烷值增高，均质压燃向大负荷工况拓宽，燃料辛烷值较高时，存在极限转速，辛烷值增加，极限转速降低．对于每一工况，存在一个最佳经济性的燃料辛烷值，负荷增大，最佳辛烷值增高；随着燃料辛烷值增高，发动机NO、HC和CO排放增加，尤其是HC排放增加更为明显．对于均质压燃发动机，低负荷工况适合燃用低辛烷值燃料，高负荷工况适合燃用高辛烷值燃料。     

多缸HCCI汽油机SIAI/AI燃烧模式切换的试验

HCCI/SI复合燃烧模式是HCCI汽油发动机实用化的运行策略.但不同的空燃比和内部EGR率的需求给HCCI/SI模式切换带来了极大控制难度;同时由于HCCI负荷范围窄,使得燃烧模式切换频率过高,降低了发动机运行稳定性.在一台具备错位双凸轮机构的多缸汽油机上实现了火花点火激发混合气自燃着火(SIAI)燃烧方式,扩展了压燃模式下的负荷范围,研究了SIAI/SI燃烧模式的切换.结果表明,采用压缩冲程燃油喷射配合火花点火策略能够有效地避免燃烧模式切换中的失火现象,提高模式切换的稳定性;同时采用SIAI燃烧方式扩展内部EGR条件下的负荷范围,可以有效地减小模式切换频率.     

Active fuel design—A way to manage the right fuel for HCCI engines

Homogenous charge compression ignition (HCCI) engines feature high thermal efficiency and ultralow emissions compared to gasoline engines. However, unlike SI engines, HCCI combustion does not have a direct way to trigger the in-cylinder combustion. Therefore, gasoline HCCI combustion is facing challenges in the control of ignition and, combustion, and operational range extension. In this paper, an active fuel design concept was proposed to explore a potential pathway to optimize the HCCI engine combustion and broaden its operational range. The active fuel design concept was realized by real time control of dual-fuel (gasoline and n-heptane) port injection, with exhaust gas recirculation (EGR) rate and intake temperature adjusted. It was found that the cylinderto- cylinder variation in HCCI combustion could be effectively reduced by the optimization in fuel injection proportion, and that the rapid transition process from SI to HCCI could be realized. The active fuel design technology could significantly increase the adaptability of HCCI combustion to increased EGR rate and reduced intake temperature. Active fuel design was shown to broaden the operational HCCI load to 9.3 bar indicated mean effective pressure (IMEP). HCCI operation was used by up to 70% of the SI mode load while reducing fuel consumption and nitrogen oxides emissions. Therefore, the active fuel design technology could manage the right fuel for clean engine combustion, and provide a potential pathway for engine fuel diversification and future engine concept.     

基于高压直喷航空煤油点燃式发动机燃烧性能优化的试验研究

为提高航空煤油在点然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(RP-3)为基础燃料,基于一台单缸水冷、压缩比可调、4冲程点燃式发动机结合高压共轨缸内直喷技术,开展了单双点火、不同负荷、压缩比、喷射压力、喷射时刻和两次喷射策略下航空煤油燃烧特性的试验研究。结果表明,在原机压缩比为10的条件下,将直喷汽油改为直喷航空煤油后,由于航空煤油的抗爆性差、雾化困难、燃烧速率慢等理化特性,发动机的动力性损失约50.0%,油耗增加约60.0%,循环波动也大幅增加;相比于单点火,双点火可使缸内平均有效压力提高,燃烧相位提前,循环波动降低;为了抑制高压缩比下的爆震倾向,可通过降低压缩比来拓宽负荷范围,恢复原机功率。随着压缩比的降低,有效平均压力(BMEP)持续增大,当压缩比为6时,最大转矩可达39.5N·m,功率恢复至原机的88.0%。同时耦合高压及两次喷射策略,随着喷射压力的增大,有效燃油消耗率(BSFC)减小约30.0%,经济性有所提高。相比于单次喷射,采用两次喷射策略可降低油耗,提升缸内有效平均压力,提升燃烧效率,最终可实现发动机燃用航空煤油的性能接近原机水平,最大负荷达原机的90.0%且油耗增加量不超过15.0%。     

基于缸内直喷的甲醇汽油混合燃料HCCI燃烧排放特性研究

在缸内直喷发动机上研究甲醇汽油混合燃料的HCCI燃烧排放特性,分析了其非常规排放的性能。试验中选用汽油、M10(甲醇体积分数10%)、M20(甲醇体积分数20%)3种燃料,并通过FTIR方法测量甲醇及甲醛等非常规排放。研究结果表明:在汽油中添加甲醇可以有效拓展HCCI燃烧的高负荷范围,M20燃料的高负荷范围比汽油提高近9%,指示燃油消耗率比汽油高5%～10%,但指示能量消耗率比汽油低2%～6%。CO、THC、NOx等常规排放随甲醇添加比例的增加而降低,而甲醇和甲醛等非常规排放随甲醇添加比例的增加而增加,并随负荷增高呈先增加后减少的趋势。     

HCCI发动机着火过程控制参数的研究

为了研究HCCI发动机着火控制时刻影响因素,建立了模拟HCCI发动机燃烧的计算模型,以甲烷/丙烷混合物和正庚烷/异辛烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度和压力等因素对HCCI发动机着火时刻的影响.计算结果表明:随着燃料十六烷值的减小或辛烷值的增加,相同条件下燃料的着火延迟期增加;压缩比、燃空当量比和进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化;进气压力的变化对燃料着火延迟期的影响较小;气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大.研究结果为HCCI发动机的优化设计和燃烧控制提供指导依据.