直喷二甲醚对稀汽油混合气燃烧过程影响的研究

在一台四冲程单缸汽油机上,通过缸内直喷二甲醚(DME)实现了空气稀释汽油混合气的稳定燃烧。研究结果表明:在1 500r/min下,固定循环燃油热值时,直喷DME可以降低汽油机稀燃下的循环变动,加速初期火焰发展速度,缩短燃烧持续期,提高汽油稀燃稳定燃烧的过量空气系数上限。稀燃和直喷DME相结合可以改善发动机在稀燃下的燃油经济性。与理论空燃比混合气相比,稀燃能使指示燃油消耗率最多降低11.7%。改变点火时刻和直喷DME比例能实现不同过量空气系数下的最佳燃烧相位。随着过量空气系数的增加,最佳放热中心相位提前。     

主动预燃室式直喷汽油机稀薄燃烧性能研究

为明晰不同点火方式对汽油机稀薄燃烧特性的影响规律,在一款排量为0.5L的研究型单缸机上试验研究了传统火花塞和主动预燃室两种不同点火方式下发动机燃烧及排放特性,探索主动预燃室拓展稀薄燃烧极限的多种影响因素。研究结果表明,稀薄燃烧可有效降低油耗,提高发动机热效率。传统点火线圈的稀燃极限处于过量空气系数1.5附近,最高指示热效率为45.0%,而采用主动预燃室系统后,稀燃极限可进一步拓展,过量空气系数可达2.0,指示热效率提升至46.5%,氮氧化物排放比采用传统火花塞点火技术时降低约88%;主动预燃室匹配高压缩比14.80的燃烧系统,可进一步拓展稀燃极限至过量空气系数2.1,指示热效率可达48.0%,氮氧化物排放继续降低,在过量空气系数采用2.1时NOx排放最低可达58×10-6。     

预燃室湍流射流点火甲醇发动机稀薄燃烧和排放特性试验研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室湍流射流点火（turbulent jet ignition, TJI）甲醇发动机燃烧特性、性能表现和排放特性的试验研究。结果表明,TJI燃烧模式燃烧速率较快,放热率（heat release rate, HRR）峰值明显较高,且具有更短的滞燃期和燃烧持续期。随着过量空气系数变大,缸内压力和放热率峰值变小,TJI和火花塞点火（spark ignition, SI）燃烧模式滞燃期和燃烧持续期均变长。此外,TJI燃烧模式可有效提升甲醇发动机的稀薄燃烧稳定性,可将稀燃极限拓展至过量空气系数2.0。TJI燃烧模式下平均指示压力略低于SI模式;然而对于过量空气系数大于1.1的稀燃工况,TJI燃烧模式指示燃油消耗率更低,在过量空气系数1.3时低于570 g/（kW·h）,说明其具有更好的燃油经济性。TJI燃烧模式下氮氧化物排放量明显低于SI燃烧模式,过量空气系数1.1时降低约37.2%,并且在过量空气系数大于1.3的极稀燃工况具有相对较低的甲醛CH₂O和碳氢化合物排放。     

电喷LPG发动机快速燃烧过程的应用研究

介绍了应用于高速单燃料LPG电喷发动机的高能双火花塞快速燃烧系统的组成及其在发动机稳态运行工况的稀燃研究。开发了发动机多通道瞬态燃烧分析系统用于LPG快速燃烧过程的研究，快速燃烧系统的同步、异步点火通过ECU及其控制策略的控制实现。试验结果表明：LPG混合气的火焰传播速度得到提高，LPG的燃烧稀限由过量空气系数1．25—1．4拓展为1．4—1．5；结合燃烧室和火花塞位置的优化，火焰传播距离被缩短以实现LPG稀混合气的快速燃烧。     

不同过量空气系数下射流点火发动机燃烧、排放和爆震特性的试验研究

基于单缸试验机研究了过量空气系数对射流点火发动机性能的影响。通过分析发动机性能曲线、缸内燃烧情况及爆震特性探究射流点火最佳运行区间,并与火花点火燃烧方式进行对比。结果表明,射流点火可以有效提升瞬时放热率并拓展发动机稀燃极限,缩短缸内混合气滞燃期与燃烧持续期,同时燃油经济性有一定提升。在稀燃条件下氮氧化物排放极低。爆震方面,随着点火提前角增大,射流火焰的多点点火效应会在缸内产生明显压力震荡,继续增大点火提前角会诱导末端混合气自燃。因此射流点火爆震缸压表现为两阶段压力震荡,爆震因子集中性高。提升过量空气系数可以降低射流点火爆震因子幅值,使发动机工作在轻微爆震或无爆震状态。     

稀燃条件下主动预燃室式直喷汽油机燃烧和排放特性研究

为明晰不同点火方式对汽油机稀薄燃烧特性的影响规律,在一款排量为0.5L的研究型单缸机上试验研究了传统火花塞和主动预燃室两种不同点火方式下发动机燃烧及排放特性,探索主动预燃室拓展稀薄燃烧极限的多种影响因素。研究结果表明,稀薄燃烧可有效降低油耗,提高发动机热效率。传统点火线圈的稀燃极限处于过量空气系数1.5附近,最高指示热效率为45.0%,而采用主动预燃室系统后,稀燃极限可进一步拓展,过量空气系数可达2.0,指示热效率提升至46.5%,氮氧化物排放比采用传统火花塞点火技术时降低约88%;主动预燃室匹配高压缩比14.80的燃烧系统,可进一步拓展稀燃极限至过量空气系数2.1,指示热效率可达48.0%,氮氧化物排放继续降低,在过量空气系数采用2.1时NO_x排放最低可达58×10~(-6)。     

湍流射流点火对天然气发动机燃烧特性影响的试验研究

湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition,TJI）是一种有效的燃烧增强技术,可提供更高的点火能量,使发动机稳定着火,且可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现发动机稀薄燃烧的有效手段。基于一台带有预燃室的点燃式单缸试验机,开展了TJI模式下天然气发动机性能的试验研究。首先,研究了不同过量空气系数下TJI对天然气发动机动力性能、排放性能及燃烧特性的影响,并与火花塞点火（Spark Ignition,SI）模式进行对比;其次,在稀燃条件下分别探究了进气增压和预燃室喷氢对天然气发动机动力性、经济性及燃烧过程的优化作用。结果表明：TJI的使用可有效拓展天然气发动机的稀燃极限,且燃烧滞燃期和燃烧持续期均更短,放热率更高;过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且可实现氮氧化物近零排放;此外,采用进气增压的方式可以提高TJI发动机在高负荷下的经济性;TJI模式下,相较于预燃室喷甲烷,预燃室喷氢气可进一步缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。     

预燃室射流点火对汽油发动机性能影响

基于一台单缸汽油发动机,设计了主动预燃室系统,试验了预燃室混合气状态对燃烧及排放的影响,通过对比不同点火能量的火花塞点火和预燃室点火,明确预燃室射流点火对燃烧过程影响机理．结果表明：随着预燃室内喷油量的增加,颗粒物数量(PN)排放增加;预燃室内浓混合气能改善燃烧相位、加快燃烧速度,提高点火性能,但预燃室内当量比附近的混合气有更大的节油潜力．当全局过量空气系数φglobal小于1.4时,预燃室点火燃油消耗率恶化;当φglobal大于1.4时,预燃室改善热效率的能力开始凸显．当预燃室中燃油量占总循环油量的分数为2%时,预燃室点火能将稀燃极限扩展至φglobal为2.1,在φglobal为1.8时总指示热效率达到48.5%的最大值．     

进气流态对天然气发动机性能影响的试验研究

对原涡流进气道进行了改制,设计了具有滚流特征的进气道,在试验台架上分别对匹配这两种进气道的天然气发动机进行了性能测试．结果显示：相同工况和控制参数下,与涡流进气道相比,匹配滚流进气道涡前压力和涡前温度更低,燃气消耗率降低1～2 g/(kW·h),并且缸内压力更高、循环变动更低,燃烧始点(AI05)和燃烧中心(AI50)提前2°～3°CA,但燃烧持续期整体长5°～7°CA．进一步分析发现,滚流进气道的性能优势在于可以实现更好的火花塞扫气,但滚流进气道加速燃烧的效果不明显,并且爆震倾向增加明显,这与其点火滞燃期短和设计滚流强度较弱有关．此外,滚流进气道循环变动低、燃烧稳定性好,这种特性使得滚流进气道对废气再循环(EGR)率的耐受度更高,对降低排气温度有利．     

稀薄燃烧结合高能点火对高压缩比汽油机小负荷工况燃油经济性的影响

汽油机小负荷工况由于泵气损失较大,燃油经济性较差.针对这一问题,基于一台压缩比16的直喷汽油机,结合自主研制的高能点火系统将稀燃极限从1.5拓宽到1.65,最大相对热效率提升22%,其中稀薄燃烧贡献了17%,高能点火贡献了5%.一维数值模拟结果表明,稀薄燃烧可以提高比热比,降低泵气损失和传热损失,高能点火的作用在于加快燃烧初期的湍流火焰速度,增大火焰面积以及生成更多促进燃烧的中间产物,从而缩短滞燃期和燃烧持续期,拓宽稀燃极限.     

采用高能点火的均质稀薄燃烧汽油机试验

均质稀薄燃烧能够有效提高汽油机热效率,而高能点火可以提高汽油机的燃烧速度,是实现均质稀薄燃烧的有效技术途径.通过一台单缸汽油机分别研究了普通火花点火和高能点火对均质稀薄燃烧过程的影响,分析了两者燃油经济性、燃烧特性以及NOx排放特性的差异,结果表明:相比于普通火花点火,高能点火能够有效拓宽汽油机均质稀薄燃烧的空燃比极限;采用高能点火系统A可以实现过量空气系数φa为1.65的均质稀薄燃烧,指示燃油消耗率(ISFC)最低达到184.0 g/(kW·h);采用点火能量更高的高能点火系统B可以实现φa为1.94的均质超稀薄燃烧,指示燃油消耗率最低达到180.7 g/(kW·h),对应的指示热效率为48.2%;将φa进一步提升至2.00时,NO_x原始排放将降至188×10~(-6),但受限于燃烧过程恶化,此时ISFC将增加至185.3 g/(kW·h).     

基于射流点火和气道喷水技术的缸内直喷汽油机稀薄燃烧特性研究

在一台4缸涡轮增压汽油机的基础上,增加预燃室和进气道喷水系统,在最佳油耗工况附近（转速2 500 r/min,平均有效压力为0.8~1.2 MPa）开展了试验,研究和分析了汽油机稀薄燃烧特性,以及射流点火和进气道喷水技术对稀薄燃烧性能的影响。结果表明,稀薄燃烧可以将有效热效率从当量燃烧的39.5%提高到42.4%左右,但是当过量空气系数超过1.4以后,燃烧稳定性和碳氢排放变差。采用射流点火技术可以将稳定燃烧的过量空气系数拓展到1.7以上,热效率增加至43.0%以上,燃烧持续期最大缩短37.6%,循环波动不超过1.3%。在此基础上增加进气道喷水,对于平均有效压力在1.1 MPa以上的负荷,抑制爆震效果明显,喷水脉宽达到4 ms时,爆震限制的燃烧重心可以提前到活塞上止点后8°左右,同时最大热效率超过44%,循环波动不超过3%;但是对于平均有效压力低于1.1 MPa的负荷,爆震现象不严重,喷水反而会降低燃烧速率和热效率,同时燃烧稳定性和未燃碳氢排放也随之恶化。     

火花点火式稀薄燃气发动机

<正> 1 引言在预燃室稀薄天然气发动机上进行了燃烧过程详细研究。这种发动机引入主燃烧室的燃气非常稀薄(通常50％～100％的过量空气),而预燃室引入少量较浓燃气。压缩之后,预燃室燃气浓度达到化学当量混合比。预燃室内燃气一旦被火花塞点火引燃,燃烧迅速发生,仅在曲轴转角几度之后火焰射流进入主燃烧室,火焰射流能量比原来火花能量大几个数量级。事实上预燃室在这里起一个“能量放大器”作用,放大后的能量用来引燃主燃烧室的稀薄燃气。     

新型两阶段点火系统对稀燃效率的影响

基于自行开发的两阶段点火系统,采用准纳秒级伏安特性测试和发动机试验,研究了系统的放电特性、各阶段能量分配规律和在稀燃工况下的表现.结果表明:该系统放电过程主要由击穿阶段、高功率阶段和辉光阶段构成;高功率阶段可在持续时间约为20,μs内释放150~550,m J能量,约占整体释放能量的80%,~90%,,且受到气压变化的影响较小;击穿阶段持续时间约为10,ns,能量占比小于1%,,击穿能量随气压升高而增加;发动机对比测试显示两阶段点火可以使稀燃边界从过量空气系数φa=1.36提升至φa=1.70;结合稀薄燃烧,与普通点火相比相对热效率可提升最高10%.     

离子信号与空燃比关系的探讨

在定容燃烧弹中通过对点火电极附近离子信号的测量,表明了该信号主要由火焰前锋和火焰后区两部分组成．理论分析证明,火焰前锋的信号主要与电极附近火核中的H3O 离子和自由电子浓度有关,火焰后区的信号主要与已燃区中高温下激态的NO 和自由电子浓度有关,特别是火焰前锋区的信号与空燃比有直接关系．实验研究发现火焰前锋和后区的信号峰值随过量空气系数的变化趋势相同,当过量空气系数为1时均达最大值．因此,利用该信号可以实现空燃比的探测．     

高电压下浓/稀天然气燃烧特性的对比研究

利用定容燃烧装置研究了高电压作用下浓/稀天然气火焰的燃烧特性,并探讨了以自由电子为主的阴离子对火焰燃烧的作用机理。试验中加载电压为0kV、5kV和10kV,浓/稀混合气的过量空气系数λ分别为0.8和1.4。在加载电场作用下,球形膨胀火焰在与电场相反方向上的火焰传播明显加快,火焰传播速度和火焰拉伸率随加载电压的增强而增大,稀燃混合气的火焰传播的增强程度最为明显。加载10kV电压时,λ为0.8和1.4火焰的平均速度比没有电场作用时分别增加了36.4%和49.5%。火焰传播速度的增强,促进了燃烧过程的进行,使得混合气燃烧的滞燃期缩短,压力升高率增加,且压力峰值时间提前。稀燃混合气的燃烧压力峰值有较大提高,而浓燃混合气的压力峰值变化不大。试验中加载电场对球形膨胀火焰燃烧的作用机理可用火焰中的阴离子,尤其是O_2~-主导的离子风效应来说明。同时,电场在一定程度上也促进了火焰燃烧化学反应的进行。     

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。     

纯氢和天然气掺氢燃料发动机的试验研究

在某点燃式发动机上,试验研究了纯氢和不同比例天然气掺氢的燃烧与排放特性。结果表明：纯氢燃料燃烧快,燃烧持续期短,缸压和放热率升高率大且峰值较高,λ=1．1时,峰值压力为3．9MPa,燃烧持续期为12℃A。氢燃料的稀燃界限宽,过量空气系数λ=3时,峰值压力降低到1．7MPa,NOx排放趋于零。天然气掺氢可以改善天然气燃烧特性,拓展天然气的稀燃极限。在相同工况下,掺氢30％的混合气燃烧持续期比天然气缩短20℃A,但缸压峰值和NOx排放增加,这可以通过稀燃和优化点火提前角来降低峰值压力和NOx排放。掺氢30％的混合气可以在λ=1．857时稳定的工作,此时峰值压力降低到1．57MPa,NOx的排放小于50×10^-6。     

液化石油气与汽油燃烧特性的对比试验研究

在点燃式发动机上分别燃用液化石油气和汽油,通过采集示功图并进行放热规律计算,对两种燃料在相似工况、相同过量空气系数下的燃烧特性进行对比分析。结果表明,在不改变样机结构和点火提前角的情况下,燃用液化石油气造成样机最大输出功率下降了7.64%。标定工况下,过量空气系数的变化对样机燃用汽油时的功率影响较大。两种燃料标定工况下的比热耗均随过量空气系数的增大而降低,但液化石油气降低的幅度较小。相似工况、相同过量空气系数下,相对于汽油,液化石油气的滞燃期短,燃烧持续期短,燃烧速度快。     

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.