复合供气压燃式天然气发动机的燃烧特性

根据分层燃烧理论,设计了分隔室复合供气压燃式天然气发动机燃烧系统.采用化学动力学简化机理模型与CFD耦合对发动机的着火和燃烧过程进行了模拟计算,并验证了模拟计算结果的有效性.结果表明,进气温度、电热塞温度、喷气时刻、供气量对发动机的燃烧特性有较大影响.进气温度过高时,燃烧趋向单级燃烧,将导致爆燃,而且产生较高的NO排放.电热塞温度过高同样导致高的燃烧速率,增大爆燃趋势;高压供气时刻提前使燃烧压力、温度和压力升高率上升,NO排放随之增加;在现有的较低喷气速率下,当缸内喷气持续期控制在40～50 °CA时,燃烧时刻最佳;当进气道供气量比例较高时,会发生敲缸现象.     

天然气HCCI发动机燃烧特性和排放物的数值模拟研究

本文分析利用CHEMKIN软件中的零维单区HCCI模型模拟了不同的边界参数包括:压缩比、进气温度、进气压力和转速对天然气HCCI发动机燃烧特性及排放物的影响。利用模拟的结果分析了边界参数的变化对发动机缸内温度、压力、着火时刻和污染物排放的影响,为合理选择天然气HCCI发动机的边界参数提供了参考。     

臭氧对天然气均质压缩燃烧的影响

针对均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)技术仍存在着火时刻控制困难、燃烧不充分等问题,以天然气HCCI发动机为研究对象,通过建立HCCI单区模型,耦合CH4-O3反应机理,研究添加臭氧(O3)和一定臭氧浓度下初始参数对天然气HCCI发动机的燃烧过程和排放特性的影响。结果表明:添加O3可以使着火时刻提前,缸内温度和压力升高,且随着O3浓度增大效果越明显,增长幅度逐渐下降;提高进气温度使缸内压力峰值下降,当量比的增大使着火时刻延迟,提示可通过改变O3浓度和初始参数实现对燃烧相位的控制;O3浓度和发动机初始参数的增大均不同程度上促进了NOx排放。     

废气再循环和发动机运转参数对不同辛烷值燃料HCCI燃烧的影响

考察了废气再循环(EGR)、进气温度、冷却水出水温度和转速等发动机运转参数对HCCI发动机燃烧特征和排放特性的影响。实验结果表明：随EGR率提高,各种燃料的两阶段着火时刻推迟,燃烧持续期延长;高十六烷值燃料可以容许较高的EGR率,RON75最高仅可以采用45％的EGR;EGR对高十六烷值燃料的CO和UHC影响不大,对高辛烷值燃料的CO影响明显,并随EGR率增加CO排放升高。在其它运转参数中,进气温度对HCCI燃烧影响最为显著,随进气温度提高、冷却水温度升高,HCCI燃烧的着火时刻提前、燃烧持续期缩短,高辛烷值燃料的UHC和CO显著降低。转速升高,着火延迟,燃烧持续期延长。此外,研究发现,高辛烷值燃料对HCCI发动机的运转参数更为敏感。     

增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的实验研究

对天然气替代率、引燃柴油喷油时刻和中冷后进气温度等燃烧系统参数对增压中冷柴油—天然气双燃料发动机燃烧特性的影响进行了实验研究。研究结果表明：增压中冷柴油—天然气双燃料发动机的燃烧放热速率比纯柴油快，引燃柴油的着火时刻和缸内燃料空燃比值决定着双燃料发动机的燃烧特性，即着火时刻在上止点前且空燃比值较小时，其燃烧接近于定容燃烧过程，随着天然气替代率的升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度升高；而着火时刻在上止点后且空燃比值较大时，其燃烧接近于等压燃烧过程，随着天然气替代率升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低。最大爆发压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度随引燃柴油喷油提前角的增大而升高；而随着进气温度升高，最大爆发压力和缸内温度增大。     

高辛烷值燃料对HCCI增压发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台经改装的4缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)和93号汽油的进气增压(pin)对均质压燃(HCCI)燃烧特性、性能和排放影响的试验研究.结果表明,进气压力增加,发动机缸内最大爆发压力提高,着火时刻提前.增压后,RON对PRF着火时刻的影响减小,汽油的着火时刻滞后于PRF.进气压力增加,HCCI正常运转工况范围向大负荷和小负荷区域都得到拓展.增压后汽油燃料所能达到的最大负荷比PRF高.相同供油量下,进气压力提高,燃烧效率和净指示热效率先增大后减小;最高燃烧效率和净指示热效率均增大.进气压力增加,HCCI发动机的HC和Nox排放降低,CO排放升高.增压后,RON对PRF的HC、CO和Nox排放影响变小,汽油的HC、CO和Nox排放较PRF高.     

HCCI发动机着火过程控制参数的研究

为了研究HCCI发动机着火控制时刻影响因素,建立了模拟HCCI发动机燃烧的计算模型,以甲烷/丙烷混合物和正庚烷/异辛烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度和压力等因素对HCCI发动机着火时刻的影响.计算结果表明:随着燃料十六烷值的减小或辛烷值的增加,相同条件下燃料的着火延迟期增加;压缩比、燃空当量比和进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化;进气压力的变化对燃料着火延迟期的影响较小;气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大.研究结果为HCCI发动机的优化设计和燃烧控制提供指导依据.     

掺氢天然气充量均质压燃发动机燃烧和排放特性的数值模拟研究

为研究掺氢对天然气充量均质压燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）发动机的燃烧及排放特性的影响,基于化学反应动力学软件包CHEMKIN中的零维模型模拟天然气HCCI发动机在掺氢比为0%~40%时的燃烧过程及排放,并对其进行数值分析。结果表明：掺入氢气后缸内温度和放热率先略下降后上升而缸内压力变化不明显,着火时刻随掺氢比增加不断提前,CO和CO₂的生成浓度降低而NO的生成浓度上升。掺入氢气为体系提供大量H,使链分支和链传递反应加快,HO₂和OH生成速度加快,造成着火时刻提前。NO的总生成速率随掺氢比增加而加快。     

进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验

通过一台改装的单缸直喷式柴油机,在不同进气温度条件下实现汽油直喷压燃(GCI)燃烧方式的燃烧特性、工况范围以及排放特性的试验.结果表明:在进气温度为323 K时,汽油GCI燃烧方式即可实现稳定运转,燃烧表现为单阶段放热,整体放热集中,燃烧持续期短;在保持过量空气系数一定、发动机正常运转条件下,随着进气温度提高,着火时刻提前,最高爆发压力和峰值放热率均升高,指示热效率提高,HC和CO排放降低,NO排放升高;同一进气温度下,随着过量空气系数的增大,缸内混合气变稀,平均指示压力减小,指示热效率减小,CO排放先升高后降低,HC排放显著增大,NO排放减小;进气温度对汽油GCI燃烧方式正常工况范围影响很大,随着进气温度升高,负荷上限和下限均明显下降,表明进气温度是向小负荷范围拓展的重要边界条件.     

均质压燃燃烧着火时刻的循环变动

在一台改装单缸机上,研究了进气温度、进气压力、外部废气再循环率等运行参数对汽油均质压燃(HCCI)燃烧着火时刻循环变动的影响.结果表明:着火时刻对应的曲轴转角对HCCI燃烧循环变动有重大影响.着火时刻提前,HCCI燃烧循环变动较小.不同运行参数对燃烧循环变动的影响不同.进气温度和冷却水温度升高、进气压力增大有助于减小着火时刻循环变动,过量空气系数和EGR率增大会增大着火时刻循环变动.     

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EG R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...     

分层稀燃LPG直喷发动机燃烧过程数值解析

简化LPG燃烧反应机理模型,将反应机理简化为包含30种组分50个化学反应的机理。将简化的反应机理导入AVL FIRE软件模拟混合气的形成,并通过外设点火文件的方法实现点火,模拟计算混合气的燃烧过程。计算了燃烧过程中混合气形成以及在不同点火时刻下燃烧放热率、缸内温度、压力随曲轴转角的变化。当设定喷油定时为60°CA BTDC时,在点火时刻,火花塞处可以形成较浓混合气,空燃比约为14.625:1;点火提前角对CO与NO的排放有一定影响,随着点火提前角的减小,CO与NO的排放量减小;于701°CA时点火,放热率峰值最大,可获得较好的燃耗特性。     

Effect of ignition timing and hydrogen fraction on combustion and emission characteristics of natural gas direct-injection engine

An experimental study on the combustion and emission characteristics of a direct-injection spark-ignited engine fueled with natural gas/hydrogen blends under various ignition timings was conducted. The results show that ignition timing has a significant influence on engine performance, combustion and emissions. The interval between the end of fuel injection and ignition timing is a very important parameter for direct-injection natural gas engines. The turbulent flow in the combustion chamber generated by the fuel jet remains high and relative strong mixture stratification is introduced when decreasing the angle interval between the end of fuel injection and ignition timing giving fast burning rates and high thermal efficiencies. The maximum cylinder gas pressure, maximum mean gas temperature, maximum rate of pressure rise and maximum heat release rate increase with the advancing of ignition timing. However, these parameters do not vary much with hydrogen addition under specific ignition timing indicating that a small hydrogen fraction addition of less than 20% in the present experiment has little influence on combustion parameters under specific ignition timing. The exhaust HC emission decreases while the exhaust CO₂ concentration increases with the advancing of ignition timing. In the lean combustion condition, the exhaust CO does not vary much with ignition timing. At the same ignition timing, the exhaust HC decreases with hydrogen addition while the exhaust CO and CO₂ do not vary much with hydrogen addition. The exhaust NO_x increases with the advancing of ignition timing and the behavior tends to be more obvious at large ignition advance angle. The brake mean effective pressure and the effective thermal efficiency of natural gas/hydrogen mixture combustion increase compared with those of natural gas combustion when the hydrogen fraction is over 10%.     

Effect of ignition timing and hydrogen fraction on combustion and emission characteristics of natural gas direct-injection engine

An experimental study on the combustion and emission characteristics of a direct-injection spark-ignited engine fueled with natural gas/hydrogen blends under various ignition timings was conducted. The results show that ignition timing has a significant influence on engine performance, combustion and emissions. The interval between the end of fuel injection and ignition timing is a very important parameter for direct-injection natural gas engines. The turbulent flow in the combustion chamber generated by the fuel jet remains high and relative strong mixture stratification is introduced when decreasing the angle interval between the end of fuel injection and ignition timing giving fast burning rates and high thermal efficiencies. The maximum cylinder gas pressure, maximum mean gas temperature, maximum rate of pressure rise and maximum heat release rate increase with the advancing of ignition timing. However, these parameters do not vary much with hydrogen addition under specific ignition timing indicating that a small hydrogen fraction addition of less than 20% in the present experiment has little influence on combustion parameters under specific ignition timing. The exhaust HC emission decreases while the exhaust CO₂ concentration increases with the advancing of ignition timing. In the lean combustion condition, the exhaust CO does not vary much with ignition timing. At the same ignition timing, the exhaust HC decreases with hydrogen addition while the exhaust CO and CO₂ do not vary much with hydrogen addition. The exhaust NOx increases with the advancing of ignition timing and the behavior tends to be more obvious at large ignition advance angle. The brake mean effective pressure and the effective thermal efficiency of natural gas/hydrogen mixture combustion increase compared with those of natural gas combustion when the hydrogen fraction is over 10%. __________ Translated from Transactions of CSICE, 2006, 24(5): 394–401 [译自:内燃机学报]     

CO_2进气道和缸内喷射对柴油准HCCI燃烧的影响

通过开发的气体喷射系统,研究并对比了进气道和缸内喷射CO2对准均质压燃燃烧排放的影响.准HCCI燃烧由两段喷油实现.结果表明:随着缸内和进气道CO2循环喷射量的增大,缸内最高平均温度降低,燃烧相位推迟,最大压力升高率变化不大;NOX排放减小,HC和CO排放增大.等CO2喷射量下,NOx随着缸内CO2喷射始点的提前而减小;缸内喷射的HC和CO排放较进气道喷射的大.随着CO2循环喷射量的增大,进气道喷射的烟度开始变化不大,然后急剧上升;而缸内喷射的烟度变化不大.     

基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究

在电控气口喷射四冲程单缸试验机上,利用特殊设计的小包角配气凸轮,通过负气门重叠角实现了由内部残余废气控制的汽油HCCI燃烧,详细研究了气门定时参数对HCCI燃烧的影响.结果表明,就进排气门定时比较而言,排气门关闭时刻对内部EGR率和负荷的影响更大,而进气门开启时刻对HCCI燃烧的影响相对较小.在进排气门相位对称条件下,随着气门重叠负角的减小,最大压力升高率增加,着火时刻提前,负荷也增大.随着转速的增加,内部EGR率增加,排气温度升高,着火时刻也提前.通过调整气门定时,在不需要进气加热的条件下,可在转速880～4 000 r/min,负荷0.25～0.75 MPa（pIMEP）的范围实现HCCI燃烧.     

Combustion characteristics of a closed cycle diesel engine with different intake gas contents

This paper is to carry out a numerical simulation of combustion characteristics for a closed cycle diesel engine (CCDE) with different intake gas contents under different engine speeds and equivalence ratios. The numerical simulation used Kiva3V-Release2 code as the main program by modifying some subroutines containing different intake gas contents of oxygen, argon, and nitrogen and their thermodynamic properties. The results show that the pressure will increase earlier if the percentage of argon is higher when we use argon to replace nitrogen, and the ignition delay will be shorter, too. The higher in-cylinder temperature results from a higher concentration of argon.     

富氧进气与水乳化柴油的掺烧试验及数值模拟

在直喷柴油机上采用体积分数21％、22％、23％和24％的进气增氧技术,燃用纯柴油与30％水乳化柴油进行燃烧及排放试验.采用CFD软件与正庚烷简化模型耦合进行数值模拟.试验结果表明,燃用纯柴油时,随进气氧体积分数的增加,燃烧始点提前;在使用30％水乳化柴油时,着火延迟加大,但其依然遵循随掺入的氧体积分数增大着火时刻提前的规律,NO和烟度的排放低于燃用纯柴油的情况.模拟计算显示:CFD与动力学模型的耦合可以较为准确地预测富氧燃烧的缸内着火时刻及燃烧状况.分析上止点后2° CA时刻燃烧室温度场切片可知,燃用30％水乳化柴油使缸内温度下降,即使掺入体积分数24％的O2,NO生成也低于燃用纯柴油、空气助燃的情况,实现富氧条件下相对于原机的低温燃烧,减少了污染物的排放.     

不同点火时刻下天然气掺氢缸内直喷发动机燃烧与排放特性

在缸内直喷火花点火发动机上开展了天然气掺混0％-18％氢气的混合燃料不同点火时刻下的试验研究。结果表明：对于给定的喷射时刻和喷射持续期,点火时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响,喷射结束时刻与点火时刻的间隔对直喷天然气发动机极为重要,喷射结束时刻与点火时刻的间隔缩短时,混合气分层程度高,燃烧速率快,热效率高。最大放热率等燃烧特征参数随点火时刻的提前而增加。HC排放随点火时刻的提前而下降,CO2和NOx排放随点火时刻的提前而增加,NOx排放的增加在大点火提前角下更明显。掺氢可降低HC排放,对CO和CO2排放影响不大。掺氢量大于10％时可提高天然气发动机热效率。     

柴油机进气掺混低浓度甲烷模拟研究

针对矿井下空气中含有甲烷气体造成柴油机在矿井下运行时会吸入甲烷的情况,使用三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE模拟柴油机进气混掺0%、0.25%、0.50%、0.75%与1.00%体积浓度的甲烷气体对柴油机燃烧及排放的影响。研究结果发现,当甲烷着火时刻温度大于1 000K时,甲烷的掺混会使得羟基(OH)基团增多,对柴油机的燃烧起着促进作用。在柴油机1 200r/min、80%负荷的工况点下,随着甲烷体积浓度提高至1.00%,滞燃期从7.35°缩短至7.07°,缸内最大燃烧压力从16.05MPa升高至16.46MPa,放热率峰值升高9.1%,缸内最高温度从1 737K升高至1 771K,NOx排放由10.55g/(kW·h)升高至11.36g/(kW·h),CO排放由0.12g/(kW·h)升高至1.34g/(kW·h),碳烟排放由1.210mg/(kW·h)下降至0.785mg/(kW·h)。矿井下空气中存在甲烷会对柴油机的燃烧及排放产生影响,但矿井下甲烷体积分数普遍低于0.7%,因此其对柴油机的影响较小。