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/(k W·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。     

低压缸内直喷CNG发动机燃烧特性的影响因素

自主研发了低压缸内直喷压缩天燃气(CNG)发动机,研究了过量空气系数、喷气时刻、点火能量、点火时刻等 对发动机燃烧特性的影响.结果表明,喷气时刻对低压缸内直喷CNG发动机的燃烧性能有很大影响,对于给定的工况,发动机存在一个最佳喷气提前角;提高点火能量有助于改善CNG发动机的燃烧过程,增大点火提前角,可以在一定程度上弥补由于天然气燃料火焰传播速度慢所导致的热效率下降,从而改善发动机缸内的燃烧过程,使其功率增加,燃气消耗率降低.     

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。     

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。     

点燃型预燃室在大缸径甲醇发动机上应用

通过计算流体动力学数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径（320mm）甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NOx排放很低,SOx排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织Tier Ⅲ排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、声响强度和NOx排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、声响强度、指示热效率逐渐下降,NOx排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略：在平均有效压力低于1.8MPa时控制缸内过量空气系数为2.4并匹配较早的点火正时,在平均有效压力高于1.8MPa时控制过量空气系数为2.1并匹配较晚的点火正时。采用该策略可使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。     

点燃型预燃室在大缸径甲醇发动机上的应用

通过计算流体动力学数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径(320mm)甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NO_x排放很低,SO_x排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织TierⅢ排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、声响强度和NO_x排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、声响强度、指示热效率逐渐下降,NO_x排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略:在平均有效压力低于1.8MPa时控制缸内过量空气系数为2.4并匹配较早的点火正时,在平均有效压力高于1.8MPa时控制过量空气系数为2.1并匹配较晚的点火正时。采用该策略可使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。     

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。     

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.     

增压中冷稀燃天然气发动机燃烧特性试验研究

以190型天然气发动机为对象,采集了发动机的示功图,分析了点火提前角及负荷对燃烧过程的影响规律。试验结果表明,在BTDC28℃A到BTDC36℃A范围内,最高燃烧压力和最大瞬时放热率以及缸内最高燃烧温度随点火提前角的增大而增大;BTDC33℃A点火提前角下最高燃烧压力和最大瞬时放热率以及缸内最高燃烧温度随负荷的增大而增大;火焰发展期随点火提前角增大而增大,随负荷增加而减小;50%燃烧相位角随点火提前角、负荷的增加而减小,速燃期随点火提前角的增大先增大后减小,随负荷增加呈减小趋势。     

氢内燃机燃烧过程的数值模拟

基于三维CFD仿真软件FIRE,建立单缸进气歧管喷射的氢内燃机三维仿真模型,在验证仿真模型的有效性的基础上,重点研究了点火提前角和当量燃空比对氢内燃机燃烧及排放的影响。分析结果表明,推迟点火提前角,缸内最高压力不断增大。提高当量比会使燃烧放热率升高,燃烧持续期缩短,但过大的当量比易发生异常燃烧。延迟点火并配合稀燃技术可以降低NOx排放。     

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。     

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。     

乙醇汽油点燃压燃模式颗粒物排放特性试验

为了获得点燃压燃(SICI)模式下乙醇汽油颗粒物排放的规律，通过一台直列4缸汽油缸内直喷(GDI)发动机，研究了空气稀释和废气稀释条件下SICI模式颗粒物数量(PN)的排放特性，探究了乙醇体积分数对PN排放的影响．结果表明：控制点火时刻可以直接调节爆震强度及燃烧相位；在过量空气系数为1.0和1.2工况下，使用体积分数少的乙醇汽油会导致核态PN排放的大幅增加；强爆震会导致核态与凝聚态PN排放急剧恶化，但其粒径分布向凝聚态偏移；中等负荷下废气稀释对燃烧的抑制作用占主导，爆震强度和PN排放降低，小负荷下废气稀释对瞬时放热率和缸内压力影响相对较小，但核态PN排放大幅增加；从降低PN排放的角度，乙醇汽油更加适合一定程度稀燃、中等比例废气再循环(EGR)策略调控下的SICI燃烧．     

汽油机双火花塞燃烧室点火控制策略的测试分析

为分析158FMI汽油机双火花塞燃烧室对发动机缸内燃烧放热速率、循环变动和爆震燃烧等的影响,设计了五种不同的单/双火花塞点火控制策略。燃烧测试诊断证明:双火花塞可有效促进缸内燃烧过程,其最高燃烧压力和压力升高率均大幅升高,最高燃烧压力对应曲轴转角提前,燃烧持续期缩短,循环变动率降低;在低负荷工况,双火花塞加速缸内燃烧、缩短燃烧持续期、提高燃烧稳定性和降低循环变动率的效果更加显著。测试数据的分析揭示如下现象:全负荷工况双火花塞加速缸内燃烧的总体效应主要体现在已燃质量分数10%~50%的前期燃烧阶段,双火花塞比单火花塞更易出现爆震燃烧,双火花塞提升发动机动力性和燃油经济性的潜力很大程度取决于点火提前角的匹配优化;而双火花塞同相点火和非同相点火对缸内燃烧特性的影响并不明显。基于点火控制策略的优化,158FMI双火花塞汽油机通过热力学循环效率的提高获得5%~6%的动力性提升。     

被动预燃室汽油机当量燃烧特性的数值分析

对一台被动预燃室增压直喷汽油机的燃烧过程进行了三维数值模拟分析,研究了预燃室的不同设计参数如预燃室容积、射流孔数量、射流孔直径、射流孔结构等对当量燃烧时燃烧特性的影响。结果表明,预燃室射流点火优于常规火花塞点火的重要原因是主燃烧室内着火点增多,同时点火后预燃室内产生的高速冲击射流会提升主燃室内的湍流强度,从而加快湍流火焰的传播。在2 000 r/min转速和1.2 MPa平均指示有效压力工况下预燃室发动机的50%燃烧角相对火花塞发动机提前约8.5°。不同结构参数的预燃室模拟分析表明燃烧初期预燃室喷入主燃室射流的动量越大,对主燃室湍流强度的提升效果会越大,燃烧相位也会更优,在上述工况下不同结构预燃室50%燃烧角的差异最高可达约5.8°。变更预燃室结构造成的燃烧相位差异主要体现在燃烧前中期,随着转速和负荷升高,该差异有降低的趋势。     

大缸径点燃式天然气发动机爆震的影响因素

爆震被认为是缸内燃烧火焰传播过程中末端混合气局部热点自燃引起的压力振荡.通过抑制局部热点自着火的反应速率可以降低爆震强度.通过一台缸径为190,mm的天然气发动机,研究不同过量空气系数对降低爆震强度的影响.在过量空气系数较小的工况下,当自着火发生时可以观察到压力振荡;在过量空气系数较大的工况下,当自着火发生时爆震强度较微弱.爆震强度随着缸内最高温度和最大压力变化而变化.在过量空气系数大于1.45的工况下,爆震的发生由局部热点反应速率决定;而在过量空气系数小于1.45的工况下,爆震的发生受自着火出现时刻控制.     

湍流射流点火甲醇发动机燃烧特性及预燃室喷射策略研究北大核心CSCD

基于一台四冲程单缸发动机开展湍流射流点火甲醇发动机的性能表现和燃烧特性研究。结果表明,湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)燃烧模式放热率(heat release rate,HRR)曲线呈现“双峰”现象,放热率峰值明显高于火花塞点火(spark ignition,SI)模式,且具有更短的燃烧持续期。过量空气系数λ=1.0时,预燃室内不喷射甲醇的被动式TJI模式的平均指示压力略低于SI模式,指示燃油消耗率略高于SI模式。对于主动式TJI燃烧模式,λ=1.5,预燃室甲醇喷射时刻为压缩上止点前180°曲轴转角,喷射脉宽保持在350μs~600μs之间时,TJI甲醇发动机燃烧稳定性较好,同时动力性与经济性均有所提升。     

天然气-汽油双燃料发动机燃烧特性试验研究

为了探究天然气-汽油双燃料燃烧模式在现代发动机上的适用性及潜在优势,基于一台增压直喷发动机结合进气道喷射天然气和缸内喷射汽油,开展了不同负荷、过量空气系数和天然气替代率下天然气-汽油双燃料燃烧特性试验研究。结果表明,低负荷固定转矩工况下,随着天然气质量流量增加,发动机最高燃烧压力提高,燃烧相位提前,循环变动降低,且在稀燃条件下尤为明显。中等负荷固定转矩工况下的燃烧特性变化规律与低负荷工况相似,而在高天然气替代率、稀燃条件下有效热效率随天然气质量流量增加明显提高。高负荷节气门全开工况下,尽管发动机最大转矩有所下降,但爆震起点和强度得到有效抑制,燃烧相位也明显改善,因此可以通过增压来弥补发动机功率不足的问题。     

氢气缸内直喷发动机燃烧优化及热效率提升研究北大核心CSCD

基于一台1.5 L氢气缸内直喷发动机,通过试验研究了氢气燃料的燃烧特性,分析了深度增压和喷氢时刻对燃烧及热效率的影响。研究表明:稀燃模式下,随着过量空气系数增加,缸内最高燃烧压力越来越高且对应曲轴转角提前,放热率峰值逐渐下降同时放热始点提前,放热时长变长,缸内燃烧温度和压升率下降。深度增压后,有效热效率可提升3%。靠近上止点喷射时,缸内喷射背压增加,喷射流量减小,提前喷射容易出现早燃,优化喷射策略后的有效热效率达43.5%。     

高压缩比下扫气式预燃室湍流射流点火对废气再循环稀释汽油机性能影响研究北大核心CSCD

基于一台可调压缩比(compression ratio,CR)的单缸发动机和自主设计的湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)系统,开展高压缩比下扫气式预燃室湍流射流点火对废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)稀释汽油机性能影响的研究。研究发现在高EGR率时,扫气式TJI的点火方式燃烧稳定性最高,可以在EGR率超过30%时实现稳定燃烧。提升压缩比对提升TJI在高EGR率下的燃烧稳定性有积极作用,然而对提升高EGR率下火花塞点火(spark ignition,SI)的稳定性作用不大。对于TJI,在低EGR率时提升压缩比会造成发动机强烈爆震,过于推迟点火造成燃烧定容度下降,燃油消耗率上升。在高EGR率时,发动机爆震受到抑制,可以提前点火优化燃烧相位,降低燃油消耗率,在压缩比15时最低燃油消耗率相比压缩比11时降低2.2%。高EGR率时,提升压缩比有利于提升燃烧速率,降低滞燃期和燃烧持续期,提升发动机燃烧稳定性。在EGR率为30%而压缩比为15时,逐渐提前点火时刻会加大末端混合气自燃倾向,放热率出现两阶段高峰。