被动预燃室发动机低温冷起动及低负荷试验研究

预燃室射流点火是改善汽油发动机热效率的有效手段,为了研究和改善被动预燃室低温冷起动及低负荷时的燃烧稳定性,设计了不同容积、孔面积、材料、喷孔结构的被动预燃室装置,安装在一台涡轮增压汽油发动机上,进行了低温冷起动试验,以及低速、低负荷燃烧稳定性试验。研究结果表明,被动预燃室容积、孔面积、材料、喷孔结构对低温冷起动性能有显著影响。预燃室容积较小时,预燃室内部淬熄层占预燃室容积的比例大,预燃室内部混合气少。较小的孔径或孔面积减少了预燃室内残余废气的排出。旋转孔使得预燃室内部废气分层,火花塞附近废气比例大。较高的导热率使预燃室冷起动时预燃室散热较快。因此,小容积、小孔径、高导热率材料以及旋转喷孔等均不利于发动机冷起动。优化结构的被动预燃室在-20℃～-8℃的冷起动工况下能实现发动机稳定着火起动。点火角和排气VVT对发动机的燃烧稳定性影响较小。进气VVT对预燃室燃烧稳定性影响较大,进气门开起时刻推迟,着火上止点附近缸内湍动能变强;另一方面实际压缩比变大,主燃烧压入预燃室内部的新鲜混合气比例提高,预燃室点火燃烧稳定性显著改善。     

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。     

汽油机直喷喷油器闪沸喷雾形态研究

利用定容喷雾特性试验研究平台,研究环境背压和燃油温度对闪沸喷雾二维及三维形态的影响,明确影响闪沸喷雾塌缩的关键因素。结果表明:环境背压及燃油温度是影响喷雾闪沸特性的关键因素,降低背压和提高油温可促进喷雾闪沸的发生;喷雾发生轻度闪沸后,整体形态不会发生明显塌缩,且贯穿距会略有缩短;当环境压力降低至40 kPa,燃油温度升高到65℃时,喷雾发生过度闪沸,整体形态严重塌缩,贯穿距会明显延长;喷雾过热状态下会在不同方向上发生闪沸塌缩,且单一油束之间的干涉作用是引起喷雾整体形态发生变化的关键因素;为避免过热闪沸喷雾的过度塌缩,在喷油器设计过程中需避免油束之间间隔过小。     

汽油发动机稀薄燃烧NO_x后处理系统试验研究

在一台1.5L涡轮增压缸内直喷汽油发动机上,使用不同的三效催化反应器(three-way catalytic,TWC)、稀燃NO_x捕集器(lean NO_x trap,LNT)、被动选择性催化还原器(passive selective catalytic reduction,PSCR)等排气后处理组合,研究了汽油发动机稀薄燃烧下不同NO_x后处理催化器性能。试验工况为基于该发动机在某车型的世界统一轻型车测试循环工况的14个聚类点。结果表明,稀薄燃烧能有效降低有效燃油消耗率,部分负荷下可减少3.1%～10.1%。稀燃模式下,过量空气系数每增加0.1,NO在NO_x总量中占比降低6.9%;浓燃模式下,总体趋势上,TWC前的NO体积分数每增加100×10~(-6),NH_3增加48×10~(-6);过量空气系数0.95时,TWC的NO—NH_3转化率在51%～74%之间;TWC+LNT+PSCR能有效提高浓稀工况切换时稀燃模式运行时间;稀燃工况,LNT能促进NO氧化成NO_2,提高NO_2比例,提高PSCR的催化效率。     

稀燃及废气再循环提高增压汽油机热效率的对比研究

在一台直列4缸增压直喷汽油机上针对万有特性最低油耗工况点,进行了稀薄燃烧与废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)提高发动机热效率的对比试验研究。试验结果表明:稀薄燃烧及EGR均能有效降低发动机燃油消耗率,稀释率分别为33%和19%时,采用稀燃和EGR时的最高有效热效率绝对值分别增加2.8%和1.7%,其中稀燃的有效热效率达到了39.9%,稀燃实现更高热效率主要归因于较低的传热损失和未燃损失。从燃烧角度来看,稀燃及EGR稀释都延长了燃烧滞燃期及持续期,但同样稀释率下稀燃的滞燃期更短,稀燃更高的稀释极限实现了更低的传热损失;但EGR抑制爆震,提前燃烧相位,使采用EGR时的排气能量损失低于稀燃。从排放角度来看,稀燃及EGR在高稀释率下均显著降低NO_x排放,而受益于高氧气浓度,相同稀释率下稀燃的HC及CO排放均低于采用EGR时,从而使稀燃的未燃损失更低。     

甲醇直喷及高压缩比对点燃式发动机性能的影响

将一台增压直喷米勒循环汽油机改制成高压缩比(13.8)甲醇直喷(MDI)点燃式发动机,在转速为2 750 r/min下研究了甲醇直喷和高压缩比对发动机燃烧、排放及有效热效率(BTE)的影响．结果表明：相同边界条件下,甲醇直喷在中大负荷(平均有效压力(BMEP)≥0.8 MPa)能够提高燃烧速度、缩短燃烧持续期,甲醇直喷由于低压缩温度和高燃料辛烷值,高压缩比下各负荷燃烧均不受爆震限制;甲醇直喷在各负荷下均有利于降低NOx、CO及HC,相同边界条件下甲醇直喷在不同负荷的未燃损失均降低1%以上;甲醇直喷结合高压缩比的最高有效热效率工况点BMEP从原机的1.1 MPa提升到1.5 MPa,当量比燃烧有效热效率从37.4%提升到42.6%,有效热效率提升主要是因为排气损失、传热损失及未燃损失均降低,而进一步提升有效热效率主要受发动机爆发压力极限限制．     

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．     

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。     

预燃室射流点火对汽油机性能影响研究

通过试验手段对比分析了预燃室射流点火模式及火花塞点火模式 （SI）对燃烧性能的影响,结果表明:SI点火模式的发动机受高负荷爆震的限制,仅在中等负荷达到最佳的油耗率和热效率。压缩比（CR）的增加仅在中小负荷对油耗率和热效率有改善效果;相比于SI点火模式,预燃室射流点火模式可实现更快的燃烧速度和火焰传播速度,对SI发动机的爆震有较好的抑制效果,在中等负荷具有更低的油耗率和更高的热效率,但在低负荷及高负荷阶段,油耗率和热效率恶化;采用预燃室射流点火模式,能有效增加缸内燃烧速率,减轻CA50推迟对油耗率恶化的效果,通过提高压缩比实现降低油耗率的潜力和效果更好。     

喷油策略对直喷发动机燃烧影响的可视化研究

在一台中置多孔喷油器的光学单缸发动机上,通过高压直喷供油系统和时序控制单元控制喷油压力、喷油时刻(SOI)来研究燃油喷射控制策略对缸内喷雾发展形态和燃烧特性的影响,研究结果表明,SOI影响缸内混合气的形成,合适的SOI可以避免喷雾撞击缸套或活塞;SOI对燃烧特性有显著的影响,通过调整SOI,可以改善燃烧稳定性,减小燃烧过程中碳烟生成的明亮区域;缸内直喷发动机中,喷油压力直接影响喷雾的宏观形态,随着喷油压力的增加,有利于燃油的破碎和雾化,有利于缸内混合气的形成,进而保证稳定的预混合燃烧过程。