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。     

稀燃条件下射流点火与火花点火的燃烧特性

结合快速压缩机与高速摄影,对比研究了稀燃条件下射流点火和火花点火的火焰发展与爆震过程,并采用CFD模拟了射流点火燃烧过程．结果表明：相较于火花点火,射流点火可以降低爆震强度并加快燃烧速度;但射流在喷射阶段可能会发生淬熄,在高压和低温条件下此现象更加显著．模拟计算结果表明,射流点火过程可划分为3个阶段：未燃气回流入射流室、未燃气和已燃气喷射入主燃室、已燃气回流入射流室．另外,火花塞电极与射流孔发生干涉时会造成射流不对称现象,这一现象在实验与模拟中均被观测到．     

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。     

乙醇DI/汽油PFI发动机性能与排放特性

基于一台点燃式发动机,对缸内直喷(DI)乙醇和进气道喷射(PFI)汽油的复合喷射方式进行了研究.与传统喷油模式相比,采用乙醇-汽油复合喷射能够提升发动机动力性.随直喷乙醇比例增加,缸内爆发压力升高;受乙醇燃烧速率和缸内冷却效果的综合影响,着火滞燃期和燃烧持续期先缩短后延长.最佳点火时刻下,单一汽油喷射(PFI和GDI)爆震频次超过10%,,发动机发生轻微爆震,而复合喷射乙醇比例超过20%,可消除爆震;随直喷乙醇比例增加,循环波动系数降低,当量燃油消耗率降低,指示热效率提高,复合喷射相对PFI可提高发动机热效率3.8%,;同时,能够有效降低NOx和HC常规气体排放物.通过采用相对较高的缸内直喷乙醇比例,复合喷射能够提高发动机热效率及抑制爆震并降低常规气体排放物.     

双燃烧模式发动机性能和排放特性对比的试验研究

在一台经过改进的单缸发动机上实现了乙醇燃料火花点火（SI）燃烧和均质压燃（HCCI）燃烧.获得了两种燃烧方式各自的工作区,定义了乙醇HCCI燃烧的爆震边界和失火边界.研究结果表明,通过进气加热,仅靠空气稀释,乙醇燃料的HCCI燃烧工作上限最大达到了SI工作方式下的50%.与火花点火相比,在乙醇HCCI燃烧的工作区域内,由于采用的是稀混合气,排气温度低,NOx的排放降低幅度达到58%以上.发动机负荷越小,混合气变的更稀,缸内燃烧温度降低,NOx的降低幅度越大,但CO和HC的排放升高.     

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。     

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。     

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。     

增压直喷乙醇-汽油发动机超级爆震模拟

采用在压缩行程上止点前向燃烧室内直接喷入一定量机油液滴,模拟了悬浮在燃烧室内的机油液滴引燃可燃混合气诱发低速早燃(LSPI)现象的过程.试验验证了选用的计算模型及计算方法的可行性后,数值模拟了不同低速运转条件下、不同乙醇掺混比(体积分数)的乙醇-汽油混合燃料时,小缸径增压直喷发动机燃烧室内由机油液滴引发的低速早燃现象以及后续的超级爆震过程.结果表明:乙醇掺混比分别为10%和20%(E10、E20)时,发动机缸内依次发生了超级爆震燃烧;当乙醇掺混比为30%(E30)时,即使发生了早燃现象(1 200 r/min)并导致随后的爆震燃烧,但压力升高幅度明显降低,此时没有发生超级爆震燃烧;随着发动机转速提高(1 600 r/min),使用E30燃料时发动机缸内也仅发生了早燃现象,而没有发生爆震燃烧;当乙醇掺混比高于50%(E50)后,不同工况条件下发动机缸内已经没有低速早燃现象.使用乙醇-汽油混合燃料的小缸径增压直喷发动机在超级爆震发生前一定有低速早燃现象发生,但低速早燃现象不一定导致超级爆震过程.     

射流燃烧技术在车用汽油机上的应用研究

本介绍了射流燃烧室在车用汽油机上的应用研究。汽油机射流燃烧室具有独特的结构，在压缩和燃烧过程中燃烧室内能形成强烈的微涡流，因此它可以有效地抑制发动机的爆震，且在燃用相同辛烷值燃料时能提高发动机的压缩比，并形成快速燃烧和稀混合气燃烧。这种燃烧系统在几种常用汽油机上的应用表明，发动机性能得到了明显的改善，特别是燃料消耗率和排气污染显降低。     

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。     

典型工况下的稀燃天然气发动机燃烧循环变动研究

通过分别记录稀燃天然气发动机在怠速、低速大负荷及高速大负荷工况下的缸内压力数据,提取并计算各工况下缸内燃烧特征参数的循环变动率,进而研究各工况下稀燃天然气发动机燃烧循环变动的特性。结果表明:在怠速工况下,天然气发动机燃用稀混和气时,燃烧循环变动十分明显;与低速大负荷工况相比,稀燃天然气发动机在高速大负荷工况下的平均指示压力燃烧循环变动系数上升了一倍。     

预燃室火焰射流点火对汽油机性能影响的研究

在一款增压直喷小型强化废气涡轮增压汽油机上,进行了加装预燃室与传统点火在低速外特性、中转速负荷特性的燃烧特性、经济性和排放特性对比试验,分析了预燃室火焰射流点火过程与传统点火对汽油机性能影响的规律.研究结果表明,在1500 r/min、平均有效压力为2 M Pa工况,采用预燃室点火后缸内燃烧等容度提高,最高燃烧压力增大...     

稀薄燃烧汽油机爆震特性

研究目的是确定稀薄燃烧对于汽油机爆震倾向的影响,为稀燃发动机中增压的应用提供参考依据.试验在一台模拟增压的汽油机上进行,试验时通过改变燃料的辛烷值,直到出现轻微爆震的方法来确定发动机的爆震特性.结果表明,稀薄燃烧对于汽油机爆震的影响,根据关注目标的不同而有所差异:保持进气量不变,汽油机的爆震倾向会随着空燃比的增加而减小;输出功率保持不变,发动机的爆震倾向会随着空燃比的增加而略有增大.因此,为保证稀燃汽油机的动力输出而采用增压进气会使得发动机的爆震倾向增加,应用中需要同时采用其他技术措施抑制爆震的发生.     

高压缩比射流点火天然气发动机燃烧及排放特性

采用一维仿真,预测并分析了压缩比对射流点火天然气发动机烧特性规律,进一步结合台架试验研究了高压缩比下采用不同稀释策略时射流点火天然气发动机的燃烧及排放特性.结果表明:压缩比提升至17.0时,燃烧初期放热迅速,滞燃期缩短,燃烧持续期显著增加;采用纯空气稀释时,燃烧效率提高,热效率提升小于1％;CO、NOx排放增加,HC排...     

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0.5 L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...     

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.     

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。     

重型车用天然气发动机技术分析

重型商用车对于节能减排的影响较大,随着能源多样化的需求以及天然气自身的优势,天然气发动机得到了爆发式增长。法规的愈来愈严促使了天然气发动机从火花点火的稀燃模式转向了当量比燃烧模式,但排气温度较高会增大可靠性风险。柴油天然气的双燃料发动机的燃油经济性好、排温低、有纯柴油模式,是一种较为理想的发动机燃烧模式,但也面临甲烷后处理器的可靠性差、柴油喷油嘴球头温度高、高负荷爆震等问题。天然气缸内直喷的双燃料发动机技术的缸内甲烷排放较低,而且效率接近柴油机,能满足下一步温室气体排放的要求,有望成为未来研究的重点。     

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．