滚流比对缸内直喷汽油机燃烧速度的影响研究

滚流比会影响缸内直喷汽油机的混合过程,从而影响缸内燃烧。利用2种具有不同滚流比的单缸机缸盖,在汽油光学单缸机平台上开展了不同转速和负荷的试验研究,探究滚流比对滞燃期、碳烟排放与燃烧循环稳定性的影响。试验结果表明,提高滚流比能够减小喷雾宽度和喷雾锥角,提高火焰扩散速度。提高滚流强度能显著缩短发动机的滞燃期,推迟喷油正时,能够加强高滚流对滞燃期的缩短程度。对于不同的滚流比,从点火到火焰向单侧传播20 mm的时间与燃烧滞燃期息息相关。喷油正时较早时,低滚流比会引起燃烧循环波动增加、碳烟排放增加;但高滚流比不会引起燃烧循环波动和碳烟排放的严重恶化。因此,提高滚流强度能拓展最佳喷油正时。     

可变滚流对GDI发动机低速工况喷雾和燃烧影响的试验

在可视化缸内直喷(GDI)汽油机台架上,通过进气道入口处翻板和进气道内挡板改变缸内滚流比,使用粒子图像测速技术(PIV)研究了可变滚流对低速条件下喷雾过程的影响,得到喷雾油束的速度场及其对应的剪切应变率和涡量场;进一步通过台架试验,研究可变滚流对燃烧和排放特性的影响.结果表明:翻板和挡板的组合可使缸内较早地形成高强度滚流,滚流比相对于原始状态提高近2倍;高滚流使剪切应变率最大值提高到2,400,s-1,增强了油束内部的剪切作用,涡量最大值也增加到6,000,s-1左右,油束卷吸作用增强,油滴与空气接触面积增大,动量交换加剧,使得喷雾角加大、贯穿距缩短,燃油液滴破碎加剧、蒸发加快,增强缸内油气混合,燃烧放热率增加,燃油消耗率得到改善;高滚流下的CO排放降低,相比低滚流下最大降低32.5%,;但HC和NOx排放增加,相对于低滚流比最大增加54%,和91%,.     

气道和燃烧室形状对汽油机缸内流场影响的计算研究

为探究气道及燃烧室形状对汽油机缸内流场的影响,以某1.4L多点进气道喷射(MPI)汽油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件对原机进气道形状进行稳态数值模拟计算,并对原汽油机在2 800r/min最低比油耗工况点进气及燃烧过程进行瞬态数值模拟计算。基于计算结果对进气道及燃烧室形状进行优化设计,提出4种计算方案,对优化前后各计算方案的缸内速度场、湍动能场、火焰前锋面密度和瞬时放热率进行对比分析。结果显示:改进气道的滚流比明显高于原机气道;结合改进气道,进气侧凸起活塞能够更好地维持滚流;在点火时刻,改进气道结合进气侧凸起活塞这一计算方案的缸内湍流分布及湍动能优于改进气道结合大曲率凹坑活塞、原机气道结合原机活塞(压缩比12)与原机计算方案,点火后火焰传播速度最大,燃烧速度最快。优化进气道及燃烧室形状能够加强缸内气流运动,提高点火时刻缸内湍流强度,加速火焰传播,改善燃烧过程。     

涡流-滚流拓宽汽油机稀燃极限的试验

基于一台4气门直喷汽油机,在部分负荷工况下对比研究了低滚流、高滚流以及涡流-滚流结合(简称涡流-滚流)3种不同的进气形式在废气和进气两种稀释氛围中对燃烧和排放的影响.结果表明:在进气稀释条件下,与稀燃极限λ为1.37的低滚流原机相比,高滚流可将λ拓宽至1.44、燃油消耗率(BSFC)降低10%,涡流-滚流可拓宽极限λ至1.51、BSFC降低12%;在废气稀释条件下,与稀燃极限废气再循环(EGR)率为23%的低滚流原机相比,高滚流可拓宽极限EGR率至27%、BSFC降低5%,涡流-滚流可拓宽极限EGR率至28%以上、BSFC降低8%.排放方面,与原机低滚流无稀释工况相比,高滚流结合稀释燃烧最多分别使NO_x降低69%、CO降低89%和HC升高74%;涡流-滚流结合稀释燃烧最多分别使NO_x降低63%、CO降低87%和HC升高44%.     

进气道对缸内直喷增压汽油机性能的影响

应用稳态CFD方法对高、低滚流比进气道进行了分析,高滚流比气道较低滚流比气道流量系数降低16%,滚流比提高22%.基于这两种气道对缸内直喷增压汽油机进气和压缩冲程油气混合的影响进行了瞬态CFD分析.结果表明,高滚流比气道在缸内能形成更规则的大尺度漩涡,且缸内瞬态滚流比更高,两种对称气道瞬态涡流比基本为零,进气道流量系数...     

高滚流燃烧系统对小型增压汽油机性能的影响

针对一款3缸增压气道喷射汽油机,采用三维仿真与台架试验相结合的方式,研究了中、高滚流比燃烧系统在外特性工况下对缸内燃烧、整机动力性、经济性的影响。结果表明:滚流比数值大小直接影响湍动能峰值出现时刻及湍动能中心位置,进而影响火焰传播及发展;过高滚流比会导致湍动能中心偏心,影响火焰传播。采用中等滚流比的燃烧系统A有利于火核形成及火焰传播,缩短总燃烧持续期,进而提高热效率。在中低转速时,中等滚流燃烧系统A燃烧50%燃料所对应的曲轴转角比高滚流燃烧系统B提前,最多可提前3.4°,指示平均压力循环波动率可维持在3%左右。     

汽油机可变滚流进气系统瞬态模拟研究

运用动态网格技术对直喷汽油机在不同转速下缸内气体运动进行瞬态模拟研究，分析可变滚流进气系统中滚流调节阀工作状态对进气流动、喷雾及油气混合特性以及缸内燃烧特性的影响。模拟结果显示，滚流阀开启和关闭对缸内燃油分布有着显著的影响。通过关闭滚流阀提高滚流强度，可加快缸内燃油雾化速度，有助于点火时刻在缸内形成浓度均匀的混合气并提高燃烧效率；在低转速下关闭滚流阀，增加缸内滚流比，可以显著提高缸内燃烧压力，增加点火时刻的湍动能，配合较晚的点火时刻形成稳定而快速的燃烧。模拟结果有利于分析和评价不同参数对可变滚流直喷汽油机混合气形成及燃烧特性的影响规律，为可变滚流进气系统的整机开发提供理论依据。     

不同压缩比米勒循环和低压废气再循环对增压直喷汽油机性能影响

通过对一台增压汽油直喷(gasoline direct injection,GDI)发动机活塞和凸轮型线的重新设计实现了高压缩比米勒循环,并在此基础上引入了废气再循环(EGR),研究了不同压缩比米勒循环和EGR综合作用对发动机的性能影响。结果表明:增大压缩比和采用米勒循环技术对爆震影响存在取舍(trade-off)关系,低速全负荷下高压缩比米勒循环相比原机油耗略有上升;而低压冷EGR技术由于缸内稀释冷却作用可以优化燃烧相位,对外特性工况有效燃油消耗率有明显的改善作用;在部分负荷工况下,压缩比的增加和米勒燃烧循环可使油耗较原机下降6.3%,在整合低压冷EGR技术后,油耗进一步下降3.1%。可以得出结论,合理地增加压缩比,采用米勒循环技术并匹配低压冷EGR技术,可以大幅改善发动机的燃油经济性。     

滚流和挤气对汽油机燃烧和性能影响

采用CFD技术和台架试验手段研究了燃烧室挤气形状及进气滚流对汽油机燃烧特性和性能的影响.结合一台4气门屋脊顶燃烧室结构气道喷射发动机,分别对倾斜挤气/平顶挤气燃烧室、高滚流/低滚流气道组合而成的4种燃烧系统进行了研究.CFD分析表明,低滚流气道与倾斜挤气燃烧室配合,可在压缩冲程上止点附近形成反向挤流并转化为湍动能,这对...     

超高滚流对高热效率汽油机燃烧过程影响研究

以某自然吸气高压缩比直喷汽油机为研究对象,利用一维软件和三维软件对汽油机的工作过程进行了数值模拟,探究了超高滚流进气系统在高热效率燃烧系统中对燃烧性能的趋势性影响。研究中设计了三款不同滚流比气道和四种计算方案,对不同计算方案的瞬态滚流比、瞬态湍动能、缸内速度场、当量比分布、放热率和缸内平均压力等进行了对比分析。研究结果表明:滚流比的大小影响缸内混合气的分布和湍动能的强度,较强的滚流比可以将更多能量保留到上止点附近,提高点火时刻缸内平均湍动能,从而影响缸内燃烧,进而影响发动机的性能;带凹坑的活塞形状设计可以使湍动能在不同滚流比下都保持在相对中心位置,使火花塞处在湍动能较高区域,有利于点火之后火焰的迅速传播;在此燃烧系统中,滚流比增大到一定程度后,缸内的平均压力峰值难再提高,对性能的增益已接近极限,过高的滚流比对发动机性能的提升已无明显作用。     

电增压及EGR共同作用下对降低汽油机燃油消耗率的试验研究

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火（turbulent jet ignition, TJI）的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。     

进气道和燃烧室形状对大缸径天然气发动机缸内流动和燃烧的影响

为了提升采用当量燃烧的大缸径天然气发动机的指示热效率,提出了组织弱涡流、强滚流、高湍流强度的缸内气流运动的理念,据此设计了不同形状的进气道和燃烧室,并采用三维数值模拟的方法研究了进气道和燃烧室形状对缸内流动和燃烧的影响。研究发现:与原机相比,当将原螺旋进气道改为直进气道并配合原缩口型、新的直口型、敞口型和半球型燃烧室时,缸内涡流运动显著减弱,滚流运动明显增强,在压缩冲程中最大滚流比分别可达0.76、0.83、1.03和1.71;点火时刻缸内平均湍动能分别增加了35.27%、36.26%、50.33%和135.99%,燃烧速率逐渐加快,指示热效率逐渐增加。综上,半球型燃烧室配合直进气道更有利于缸内强滚流的形成和点火时刻湍流强度的提高,指示热效率也由原机的39.51%提高到42.14%。     

废气再循环率及点火时刻对天然气发动机燃烧和排温的影响

基于一台当量比燃烧的天然气发动机,采用三维燃烧分析与发动机一维热力学计算相结合的方式开展了废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)率及点火时刻对缸内燃烧过程和发动机排温的影响研究。研究结果表明:随着EGR率的增加,燃烧相位后移,燃烧持续期延长,放热率峰值减小,最大压升率、缸内最高燃烧压力和最高平均燃烧温度均降低,再循环废气的稀释作用和热容效应能够抑制混合气的燃烧。随着点火时刻的提前,燃烧重心(CA50)前移,燃烧持续期缩短,最大压升率、缸内压力和放热率峰值均增大。排温随EGR率的增大和点火时刻的提前而降低。保持空气和燃气进气量不变,EGR率增大至23%,点火时刻提前至-18°能够将原机标定功率提升7.4 kW,有效燃料消耗率降低4 g/(kW·h)。当空气和燃气进气量增加11.6%,EGR率大于19%,点火时刻早于-10.5°时,可将原机标定功率提升36 kW并且将排温控制在760℃以内。     

高效Atkinson循环TGDI发动机作为传统动力的研究

基于涡轮增压缸内直喷(TGDI)发动机,采用高几何压缩比和大范围可调的可变气门正时(VVT)机构,选择合适的阿特金森(Atkinson)循环率,在兼顾高负荷动力性的同时降低部分负荷的油耗,以解决阿特金森循环发动机动力性不足的问题。制作样机并进行台架试验,研究了阿特金森循环对发动机换气过程的影响和燃油经济性的改善效果及阿特金森循环对排放和动力性的影响。结果表明:阿特金森循环可以容忍更大的几何压缩比以提升热效率,同时有利于降低部分负荷下的泵气损失并提高低负荷时的燃烧稳定性,可降低油耗、颗粒物排放及高负荷时的爆震倾向;但进气门关闭推迟会严重影响发动机的动力性能,因此需要降低高负荷时的阿特金森循环率并提高增压压力。     

Experimental investigation of the Exhaust Gas Recirculation effects on irreversibility and Brake Specific Fuel Consumption of indirect injection diesel engines

An experimental study was carried out to investigate the effect of using Exhaust Gas Recirculation (EGR) on various exergy terms of an IDI diesel engine cylinder. In this paper also the effectiveness of total in-cylinder irreversibility on Brake Specific Fuel Consumption (BSFC) in a diesel engine is investigated. To serve this aim an exergy analysis is conducted on the engine cylinder which provides all the availability terms by which the evaluation of in-cylinder irreversibilities is possible. The availability terms including heat transfer, inlet and exhaust gases and work output are presented during the engine operation at different load and speeds. To clarify the effect of using EGR in each case, EGR is introduced to the cylinder at various ratios during the tests. Finally, the dependence of total in-cylinder irreversibility and engine BSFC at particular engine operating conditions is introduced and the variations are compared. The results show that using EGR mostly increases the total in-cylinder irreversibility mainly due to extension of the flame region which reduces maximum combustion temperature. Also, the results revealed that the variations of the total in-cylinder irreversibility and engine BSFC follow the same trend especially at high load conditions.     

柴油机进气-压缩过程的三维瞬态数值模拟研究

应用动网格技术,对某柴油机在进气和压缩过程中气道-气门-气缸内的瞬态流场进行了数值模拟。模拟结果表明：在进气过程初期,缸内气流运动是紊乱的;随后,逐渐形成多个小涡流;到进气过程中后期,单一大尺度进气涡流形成并逐步得到发展、稳定和加强。而压缩过程初期,在进气涡流继续保持的同时,压缩涡流形成;到压缩过程后期,挤压涡流出现,气流以螺旋方式从气缸进入燃烧室,同时缸内的滚流逐渐加强。压缩过程中缸内气体的平均湍动能随曲轴转角的增大呈先减小后增大再减小的趋势。压缩上止点附近气缸边缘的湍动能很弱,而气缸中部挤流区域的湍动能则相对很强。水平方向的涡流、轴线方向的滚流以及湍动能的这种分布特性都有利于燃油的雾化以及与空气的混合。     

Methods for in-cylinder EGR stratification and its effects on combustion and emission characteristics in a diesel engine

The effects of in-cylinder EGR stratification on combustion and emission characteristics are investigated in a single cylinder direct injection diesel engine. To achieve in-cylinder EGR stratification, external EGR rates of two intake ports are varied by supplying EGR asymmetrically using a separated intake runner. The EGR stratification pattern is improved using a 2-step bowl piston and an offset chamfer at the tangential intake port. When high EGR gas is supplied to the left (tangential) port, a high EGR region is formed at the central upper region of the combustion chamber. Consequently, combustion is initiated in the low EGR region, and PM is reduced significantly. When high EGR gas is supplied to the right (helical) port, a high EGR region is formed at the lower periphery of the combustion chamber. Therefore, combustion is initiated in the high EGR region, and NO_x is reduced without PM penalty. Stratified EGR potentially reduces NO_x by maximum 45%, without penalties of performance and other emissions. A proper in-cylinder swirl with stratified EGR maximizes the effects and achieves simultaneous reduction of NO_x by 7% and PM by 23%. Moreover, the robustness of stratified EGR is evaluated under various operating conditions and injection strategies.     

四气门发动机气缸内气流运动的LDA试验研究

在倒托工况下对四气门发动机气缸内流场进行了实验研究和分析。试验工作是在一台经过改造后的四气门发动机上进行的。采用加长活塞结构及透明活塞顶，利用激光多普勒测速仪（LDA），分别对气缸轴线以及燃烧 内和气缸上部两条水平直线上的速度分布进行了测量，结果表明：在进气过程中，气缸内产生了双涡结构；在压缩过程初期，由于从进气门流向排气门侧的滚动涡旋逐渐增强，而另一侧的反向涡旋逐渐减弱，形成了单一大尺度的滚动涡流；在压缩过程中后期，滚流经历了加强、衰减、变形和破碎的过程。