火花点燃发动机使用汽油-氢气燃料时燃烧规律的研究

在单缸汽油试验机上分别以汽油-氢气及汽油为燃料进行了一系列性能对比试验,对其燃烧规律作了深入的研究,并用CB-366燃烧分析仪测取了发动机的燃烧放热规律和气缸压力变化规律,对此进行了较详细的理论分析。研究结果表明汽油机中添加少量氢后,氢起到助燃剂的作用,加宽了着火界限;大大缩短了着火延迟期;提高了火焰传播速度。在稀混合气燃烧的条件下,对燃烧后期的改善尤为明显,缩短了燃烧持续期。性能试验结果证实了燃烧规律研究的结论,即汽油机加氢后在一般负荷下热效率提高率为10%～15%,小负荷下提高更为明显;发动机经济稀混合气区域加宽,能够燃烧过量空气系数为1.3的稀混合气;有害排放量降低;气缸内压力循环变动量减小,使发动机柔和。     

汽油机的循环变动及其影响因素

通过在单缸机上进行的试验和缸内进行的分析,说明了汽油机循环变动主要受约于着火延迟期的长短。那些对着火延迟期有直接影响的因素都影响着循环变动,其中混合气成分(即空燃比)的影响最为明显。混合气偏浓,循环变动明显减小。其他如发动机转速、点火提前角、冷却水温度、压缩比等都不同程度地通过着火延迟期影响着循环变动,从而掌握了降低循环变动的基本要领。     

点燃式发动机燃用不同燃料的燃烧特性及循环变动

围绕点燃式发动机燃用汽油、LPG和CNG的燃烧特性及循环变动开展了研究.发动机在最大转矩工况运行,分别从压力参数方面及燃烧参数方面对循环变动进行了分析.结果表明,汽油的燃烧循环变动系数最小,LPG燃烧过程中循环变动系数增大,CNG燃烧过程中循环变动系数最大;燃烧阶段循环变动是产生发动机循环变动的主要原因,采用进气道预混的方式燃用气体燃料时,进气阶段变动是造成发动机循环变动的原因之一;汽油燃烧时,火焰发展期与燃烧持续期线性相关,良好的着火决定燃烧过程的稳定,LPG和CNG燃烧时,火焰发展期与燃烧持续期的相关性减弱,着火和火焰的传播共同影响燃烧过程的稳定性;放热率型心与平均指示压力有良好的线性关系,说明发动机的平均指示压力受放热过程的影响.     

利用快速压缩膨胀机研究火花点火LPG发动机的燃烧过程

利用快速压缩膨胀机对火花点火LPG发动机的燃烧过程进行了模拟与测量，分析了混合气浓度，点火提前角，压缩比以及燃烧室形状等对LPG燃烧过程的影响，可供汽油机改装成汽油／LPG双燃料发动机的参考。     

不同点火提前角时HCNG发动机的燃烧与排放特性

在一台火花点火天然气发动机上开展了在不同点火提前角下燃用不同体积掺氢比(O%～50%)的天然气掺氢燃料(HCNG)的试验研究,进行热效率、燃烧放热率、循环变动及排放特性的分析.结果表明:与原天然气发动机相比,HCNG发动机的最大扭矩点火提前角(MB了)减小,MBT时指示热效率变化不大;点火提前角增大时,火焰发展期增长,最大压力变动率减小,快速燃烧期和平均指示压力变动率先减小后增大;在相同点火提前角时,以上4个参数均随掺氢比的增加而减小.N0x、CO排放浓度随掺氢比增加而增大,CH4排放則相反.     

基于首次着火循环的低温冷起动特性(Ⅱ)

在一台125cm^3单缸风冷电控喷射LPG发动机上，进行了单循环冷起动实验研究．通过分析发动机最初几个循环的瞬时转速、缸压以及HC排放，得到了发动机首次着火循环冷起动时的燃烧及排放情况．在对首次着火循环分析的基础上，研究了过量空气系数、环境温度、点火提前角和蓄电池电压对LPG发动机首次着火循环燃烧情况的影响．结果表明，蓄电池电压影响发动机冷起动首次着火循环的HC排放，同时对首次着火循环的起动转速也有影响；点火提前角对首次着火循环起动转速影响较大，但对单循环冷起动时的HC排放影响不大；LPG发动机首次循环可靠起动的最佳点火提前角为上止前10℃A．     

稀燃点燃式天然气发动机的燃烧特性

通过对一台6102型稀燃点燃式天然气发动机在不同混合气浓度和不同点火提前角下的燃烧特性进行试验,深入分析了点火提前角和混合气浓度对天然气发动机燃烧特性的影响.结果表明,当进气压力和转速一定时,随着混合气变稀,NO_x排放降低,但输出转矩有减小趋势,耗气率升高且燃烧稳定性变差;适当增大点火提前角,可以使输出转矩增大,耗气率降低,提高燃烧稳定性,但NO_x排放会有所增加.因而需综合考虑动力性、经济性和排放来选择最佳的混合气浓度和点火提前角.找出了在满足动力性、经济性和排放的特定工况点的适宜浓度和点火提前角范围,为进一步标定全工况下的MAP图也提供了参考依据.     

均质压燃燃烧着火时刻的循环变动

在一台改装单缸机上,研究了进气温度、进气压力、外部废气再循环率等运行参数对汽油均质压燃(HCCI)燃烧着火时刻循环变动的影响.结果表明:着火时刻对应的曲轴转角对HCCI燃烧循环变动有重大影响.着火时刻提前,HCCI燃烧循环变动较小.不同运行参数对燃烧循环变动的影响不同.进气温度和冷却水温度升高、进气压力增大有助于减小着火时刻循环变动,过量空气系数和EGR率增大会增大着火时刻循环变动.     

热裂解生物质气发动机燃烧循环变动研究

利用农林废弃物可控热裂解产生的生物质气作为火花点火发动机的燃料,测录了发动机的示功图.通过对峰值压力变动系数、峰值压力出现位置、峰值压力和峰值平均压力的差值及出现位置进行数学统计,研究了影响发动机燃烧循环变动的因素.统计数据表明:热裂解火花点火生物质气发动机中等负荷时的燃烧循环变动系数较大,高负荷时燃烧循环变动系数较小;峰值压力差值及出现位置的波动性均随点火提前角的增大及压缩比的提高而变大,燃烧循环变动亦随之增强;在整个功率范围内发动机的燃烧稳定性较好.     

氢气在发动机中的应用研究

氢气作为最清洁、最环保、可再生的能源,将其应用于发动机可大大减少大气污染和缓解石油资源短缺的问题。但由于氢气燃烧速度快、着火极限范围宽,在应用于发动机时常常出现回火、爆震等异常燃烧,从而影响发动机的性能和正常使用。本文通过对一台ZS1100单缸机燃用氢气燃料的试验基础上,系统地研究了氢气发动机混合气形成方式。剖析了氢气发动机异常燃烧机理,总结了异常燃烧的抑制技术。通过试验指出了发动机的点火提前角、压缩比对发动机的性能和异常燃烧的影响。     

缸内直喷式汽油机废气滞留条件下的燃烧特性

研究了缸内直喷式汽油机废气滞留条件下,负气门重叠角、点火提前角、压缩比及分层混合气对废气滞留燃烧的影响。研究结果表明:GDI发动机在部分负荷时利用废气滞留可减小泵气损失,但使燃烧持续期增长、循环波动增大;负气门重叠角增大导致循环波动增大;适当地提前点火时刻有助于降低循环波动;废气滞留燃烧采用高压缩比会产生点燃触发压燃的组合燃烧方式,可缩短燃烧持续期但使循环波动增大;利用2次喷射策略形成分层混合气有助于降低废气滞留燃烧时的循环波动,缩短滞燃期和燃烧持续期,从而提高循环热效率,第2次喷射比例和时刻对性能产生重要影响。     

基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究

在电控气口喷射四冲程单缸试验机上,利用特殊设计的小包角配气凸轮,通过负气门重叠角实现了由内部残余废气控制的汽油HCCI燃烧,详细研究了气门定时参数对HCCI燃烧的影响.结果表明,就进排气门定时比较而言,排气门关闭时刻对内部EGR率和负荷的影响更大,而进气门开启时刻对HCCI燃烧的影响相对较小.在进排气门相位对称条件下,随着气门重叠负角的减小,最大压力升高率增加,着火时刻提前,负荷也增大.随着转速的增加,内部EGR率增加,排气温度升高,着火时刻也提前.通过调整气门定时,在不需要进气加热的条件下,可在转速880～4 000 r/min,负荷0.25～0.75 MPa（pIMEP）的范围实现HCCI燃烧.     

在汽油机上实施HCCI的技术策略

均质混合气压燃(HCCI)燃烧方式，是一种克服常规柴油机和汽油机缺点、集常规汽油机和柴油机优点于一体的新概念燃烧。本文分析了汽油机实施HCCI的可行性，介绍了HCCI发动机实用化所面临的问题，提出了双工作模式的折衷方案：在中低负荷工况实施HCCI，而在大负荷工况和冷起动工况恢复常规发动机工作方式。推荐可变压缩比(VCR)方案、可变废气再循环率(EGR)方案、可变排气门关闭时刻方案，以及废气再循环滚流分层充气方案等。为尽快在汽油机上实施HCCI燃烧方式指出了技术方向。     

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。     

进气压力对汽油低温压燃的影响

在一台装有电液可变气门的单缸柴油机上,通过改变进气压力,研究了不同喷油正时和内部废气再循环(EGR)率下汽油压燃的燃烧特性和排放特性,并对实现汽油燃料高效清洁稳定低温燃烧(如平均指示压力循环波动系数5%,NOx排放低于0.4g/(kW·h),烟度低于0.1FSN,CO和HC排放尽可能低)的控制区间进行了探索研究。内部EGR通过排气门两次开启实现,发动机转速和循环喷油量分别固定为1 500r/min和28mg。研究结果表明,基于燃油早喷、较低内部EGR率和适量进气压力(0.12MPa)的协同控制可以使辛烷值为93的汽油在平均指示压力约为0.47MPa的工况下实现高效清洁燃烧。     

乙醇/汽油双燃料双直喷模式下分层稀薄燃烧试验研究

针对乙醇与汽油固定掺混比例下使用不能充分发挥乙醇燃料优势的问题,开发出了乙醇汽油双燃料-双直喷系统,并在一台点燃式单缸试验机上进行试验,研究了稀薄燃烧下3种不同的喷射策略对发动机燃烧和性能的影响。研究发现:在稀薄燃烧的情况下,随喷射时刻的推迟,不同喷射策略下动力性呈现先增长后降低的趋势。在保证喷油量不变时,有效热效率随过量空气系数增大而明显提高,当量燃油消耗率逐渐降低。随喷射时刻的推迟,热效率呈现先升高后降低的趋势。在过量空气系数为1.2,汽油喷射时刻为上止点前180°,乙醇喷射时刻为上止点前300°时,有效热效率达到最高值40.5%。此外,相比于汽油,添加乙醇燃料使得稀薄燃烧更稳定,循环波动更小。     

Effect of addition of hydrogen and TiO2 in gasoline engine in various exhaust gas recirculation ratio

The effects of hydrogen ratios on combustion and emission characteristics of gasoline engine were studied under different exhaust gas recirculation (EGR), ignition timing and ignition pressure. The test performed in a modified gasoline direct ignition engine at different hydrogen ratios of 0%, 5%, 10% and 25%. In addition, the EGR rate set to 0%, 5%, 10% and 20% to study the combustion and emission characteristics. Addition to the different hydrogen fractions, 5% of TiO₂ is added to increase the combustion characteristics with reduced emission. Regarding the results of the current study, the engine torque increases by 15% due to the addition of hydrogen in gasoline, while mechanical efficiency is improved by achieving a large throttle opening. At the same time, NOx emission decreased by 62% compared to the unmodified engine due to the influence of EGR, hydrogen ratio and high oxygen concentration TiO₂. Moreover, the emission of CO and HC also reduced due to the influence of hydrogen fuel. Additionally, few more tests are taken to monitor the effect of the injection pressure for the hydrogen fuel. Higher injection reports higher effective thermal efficiency at 4 MPa and lower NOx. Reasonable injection pressure results in shorten flame development period.     

过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响

在一台Ricardo Hydra单缸四气门汽油机上,利用气门重叠负角方法实现了均质充量压缩着火(HCCI)燃烧,并通过试验研究了过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响.研究结果表明,在相同的转速和气门相位角下,随着过量空气系数的增加,平均指示压力减小,缸内残余废气率也减小,但燃油消耗率的变化趋势与转速有关.在大多数工况下,过量空气系数为1.05时,HCCI发动机的着火时刻最早,燃烧持续期最短.过量空气系数对循环波动的影响与转速和气门相位角有关.随着转速的增加,循环波动增大.     

Effect of ignition timing and hydrogen fraction on combustion and emission characteristics of natural gas direct-injection engine

An experimental study on the combustion and emission characteristics of a direct-injection spark-ignited engine fueled with natural gas/hydrogen blends under various ignition timings was conducted. The results show that ignition timing has a significant influence on engine performance, combustion and emissions. The interval between the end of fuel injection and ignition timing is a very important parameter for direct-injection natural gas engines. The turbulent flow in the combustion chamber generated by the fuel jet remains high and relative strong mixture stratification is introduced when decreasing the angle interval between the end of fuel injection and ignition timing giving fast burning rates and high thermal efficiencies. The maximum cylinder gas pressure, maximum mean gas temperature, maximum rate of pressure rise and maximum heat release rate increase with the advancing of ignition timing. However, these parameters do not vary much with hydrogen addition under specific ignition timing indicating that a small hydrogen fraction addition of less than 20% in the present experiment has little influence on combustion parameters under specific ignition timing. The exhaust HC emission decreases while the exhaust CO₂ concentration increases with the advancing of ignition timing. In the lean combustion condition, the exhaust CO does not vary much with ignition timing. At the same ignition timing, the exhaust HC decreases with hydrogen addition while the exhaust CO and CO₂ do not vary much with hydrogen addition. The exhaust NOx increases with the advancing of ignition timing and the behavior tends to be more obvious at large ignition advance angle. The brake mean effective pressure and the effective thermal efficiency of natural gas/hydrogen mixture combustion increase compared with those of natural gas combustion when the hydrogen fraction is over 10%. __________ Translated from Transactions of CSICE, 2006, 24(5): 394–401 [译自:内燃机学报]     

改善现代轿车汽油机燃油经济性的试验研究

对影响现代轿车汽油机燃油经济性的诸多因素,如：空燃比、点火提前角、压缩比、配气相位以及传动比等参数进行了深入的研究及相应的试验。在试验及分析的基础上,得到了在不影响动力性和排放等技术指标的前提下,改善现代轿车汽油机燃油经济性的途径。