增压直喷汽油机超级爆震研究进展

缸内直喷和增压已成为当今汽油机技术的主流方向,然而,随着发动机小型化和动力性的提高,增压汽油直喷发动机出现了一种新的异常燃烧现象——超级爆震,严重影响着发动机性能和使用寿命。本文根据国内外超级爆震的研究现状,阐述了超级爆震的产生机理和检测方法,从发动机及其零部件设计参数、运行参数、控制参数以及燃油和机油品质等方面,分析了影响超级爆震的因素,给出了缓解和抑制超级爆震的措施。     

增压直喷汽油机超级爆震现象与初步试验

在增压缸内直喷汽油机上发现了与普通爆震不同的异常燃烧模式——超级爆震,阐述了超级爆震的特征,对比分析了超级爆震与常规爆震和正常燃烧的基本不同．发生超级爆震时,最大爆压达到正常燃烧的2倍以上,并且通过推迟点火角不能抑制超级爆震的发生．在此基础上,初步研究了冷却水温度、进气温度、进气相位和过量空气系数等对超级爆震的影响．试...     

增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法

超级爆震是增压直喷汽油机提高升功率和降低油耗的主要障碍,在典型增压小排量直喷汽油机上对不同的超级爆震抑制方法进行了研究.结果表明,加浓、分层和扫气都能够抑制超级爆震,但采用混合气加浓会恶化发动机油耗,采用混合气分层发动机排温大幅升高,推迟排气门关闭时刻实现扫气也能抑制超级爆震,但油耗和CO排放升高.进一步的研究发现,采用优化的进气行程两次喷射策略能够有效地抑制超级爆震,并且能够保证发动机的油耗、排温以及排放不恶化.     

增压直喷汽油机超级爆燃研究

缸内直喷和增压已成为当今汽油机技术的主流方向,然而,随着发动机小型化和动力性的提高,增压直喷汽油发动机出现了一种新的异常燃烧现象——超级爆燃,其严重影响着发动机性能和使用寿命。根据国内外超级爆燃的研究现状,在典型增压直喷汽油机上对不同的超级爆燃抑制方法进行了研究。结果表明:加浓、二次喷射、冷型火花塞都能够抑制超级爆燃。     

直喷增压汽油机扫气条件下喷油策略对超级爆震的影响

在缸内直喷汽油机上,将扫气和两次喷射相结合,研究在扫气条件下燃油策略对超级爆震抑制作用及对发动机经济性和排放性的影响。试验中制定了一种考虑发动机实际运行工况的超级爆震的试验测试程序。在不同喷油策略下发动机超级爆震工况点的试验结果表明:采用一次喷射策略,不同的燃油喷射角对性能影响很大,燃油喷射角过于提前,会产生油束与活塞顶面碰壁现象,推迟燃油喷射角可以降低碳烟排放。采用两次喷射相对一次喷射,碳烟排放可更进一步降低,输出转矩变化不大。两次喷射中二喷油起始角对超级爆震十分敏感。采用两次晚喷的分层模式会增大超级爆震频次,采用两次早喷的均质模式能减少超级爆震频次。     

增压直喷汽油机喷油策略对低速早燃的影响研究

试验研究了喷油策略对增压直喷汽油机低速早燃的影响。研究结果表明:低速早燃现象在发动机正常运行过程中随机且非连续的发生,发生时最高燃烧压力显著上升并引发强烈的爆震;空燃比加浓(过量空气系数0.75~0.90)可以显著地降低低速早燃的发生频率;单次喷射的喷油开始时刻过于提前(330~300°CA BTDC)或者推后(250~210°CA BTDC)都将增大低速早燃的发生频率;采用高的喷油压力(15MPa)对于低速早燃的发生频率具有抑制的趋势;当第一次喷油开始时刻较为提前(330~300°CA BTDC)时,相比单次喷射策略,二次喷射策略能够较明显地降低低速早燃的发生频率。     

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.     

基于多缸CFD方法的直喷增压汽油机爆震研究

随着汽油机工作负荷的增加,燃烧室末端混合气自燃概率升高,爆震倾向增大,提高燃烧室冷却能力成为抑制爆震的重要手段之一.笔者对一台4缸直喷增压汽油机进行多缸计算流体动力学(CFD)模拟,揭示了各缸的爆震机理,燃烧室壁面温度以三维有限元热传导方法赋值,评估了燃油的蒸发和壁面温度对汽油机爆震的耦合影响.结果 表明:由于燃油的蒸...     

采用两次喷油策略降低直喷增压汽油机爆震和碳烟排放及改善冷起动特性的研究

在某款增压直喷汽油机上,分别在爆震工况及冷起动工况采用燃油两次喷油策略和单次喷油策略,通过对比两种喷油策略的结果发现:在爆震工况,采用合适的两次喷油策略可使CA50提前3.3°CA,抑制发动机爆震倾向,并使碳烟排放从0.59FSN降低到0.45FSN;在冷起动工况,采用合适的两次喷油策略有利于改善着火性能和提高燃烧稳定性,使得最迟点火提前角比单次喷油推迟47°CA,可以提高排气温度,使三元催化器快速起燃,降低HC排放。     

增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究

在一台增压缸内直喷汽油机上,对影响早燃及超级爆震发生频率与强度的各种因素进行了台架试验研究。研究结果表明:提高燃油挥发性,升高机油和冷却液温度,推迟进、排气门正时,增大点火提前角,提前或推迟喷油定时及使用高的喷油压力能够有效减少早燃及超级爆震。     

直喷增压发动机爆震的研究

增压直喷发动机目前成为市场主流,而爆震是限制增压直喷发动机热效率的主要因素。我们主要对发动机爆震的现象,爆震与早燃的区别,爆震的产生机理进行了深入的分析研究,对爆震产生的危害进行阐述,并从多角度、多维度对爆震产生的原因进行深入分析,给出发动机爆震问题预防及解决方案。     

考虑外部冷却EGR的增压直喷汽油机爆震发生时刻预测模型

针对包含外部废气再循环(EGR)的汽油机爆震预测模型进行研究,通过一搭载外部冷却EGR系统的2.0,L增压直喷汽油机进行了高负荷工况下不同EGR率的爆震试验.在此基础上,评估了获得广泛应用的Douaud-Eyzat爆震模型在无EGR和有EGR工况下爆震发生时刻的预测性能,并利用遗传算法,基于Livengood-Wu积分公式提出了考虑外部EGR影响在内的新的爆震发生时刻预测模型.结果表明:Douaud-Eyzat模型在EGR率小于5%的工况下,具有较好的爆震预测性能,但随着EGR率的增加,模型计算的爆震起始点与试验值之间的误差也越来越大;提出的考虑EGR影响在内的爆震预测模型,不仅在无EGR工况下显示了较好的预测性能,而且在EGR率为2%~25%内均实现了较好的爆震预测性能.     

某增压直喷汽油机进气道开发

针对某2.0 L增压直喷汽油机,设计了 2种进气道方案,通过试制进气道芯盒,采用气道三维粒子图像测速(three-dimensional particle image velocimetry,3D-PIV)试验与三维仿真相结合的方式,分析进气道性能及进气道对缸内流动的影响.结果表明:进气道切入角是气道开发的关键参数,合...     

某增压直喷汽油机配气机构的设计优化

采用仿真分析方法对某增压直喷汽油机的配气机构进行了设计优化,对该配气机构的气门弹簧以及高压油泵凸轮相位进行了改进。根据计算分析对比结果,将原等节距气门弹簧更改为变节距气门弹簧,同时实现该弹簧在发动机系列改款机型中也实现通用,并且基于高压油泵的介入,对高压油泵凸轮的初始相位从驱动力矩、扭振角度以及链条拉力等方面对比分析后进行了优化,选定某最佳相位角度。     

直喷汽油机爆震试验与一维模拟研究

一维整机仿真中,爆震是需要考虑的重要因素之一.本文采用试验和模拟结合的方法对比了两类常用爆震模型,分析了其适用范围、准确性及误差产生的原因,并提出模型可能的修正方向.试验结果表明,利用循环占有率法可较为准确地确定临界爆震点火提前角.仿真结果表明,动力学拟合模型对于不同转速、压缩比和进气温度的模拟具有较好的准确性,而经验公式模型则对不同当量比、温度和压缩比的模拟准确性较好.两类模型各自有其适用范围,均需要进一步优化和修正.     

高增压汽油机爆震的可视化研究

基于一台单缸可视化汽油机研究了缸内的爆震现象。通过调节发动机运行参数及运用高速摄影技术,在更大的观测视角内拍摄了缸内不同强度爆震的火焰发展过程。试验所记录的图像信息结合缸内压力数据,为爆震形成的原因及强烈爆震中大幅度压力振荡波的产生提供了分析依据。研究发现:末端气体自燃引起的轻微爆震与强烈爆震的压力振荡和火焰图像明显不同;爆震自燃点的发展模式影响了缸内压力波的震动幅度,诱发强烈爆震的自燃点接近缸壁区域,但并非壁面点火。自燃点可形成自燃反应锋面的扩散,其传播路径受到主火焰与缸壁的限制。     

增压直喷汽油机细小颗粒物排放特性研究

在一辆国六增压直喷、未安装颗粒捕集器的汽油车上分别采用常温(23℃)全球轻型车统一测试循环(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)、常温(23℃)RTS95和低温(0℃)实际道路排放(real drive emission,RDE)测试循环对粒径在23nm以上和10nm以上的颗粒物数量排放进行了同步测试研究,以研究增压直喷汽油车的细小颗粒物(粒径10nm～23nm)排放特性。结果表明,在常温WLTC、RTS95及低温RDE循环测试中,10nm以上颗粒物的数量排放比国六标准规定的23nm以上颗粒物分别高32.4%、30.4%和15.6%。无颗粒捕集器时,急加速、减速和怠速工况细小颗粒在总颗粒物排放中的占比明显增加;冷起动和暖机阶段细小颗粒物的排放占比很低。细小颗粒主要在车辆充分暖机和三元催化器(three-way catalyst,TWC)起燃后产生;较低的环境温度并未引起细小颗粒物的明显增加。     

增压直喷汽油机热平衡和平衡试验对比

为提高内燃机能量利用效率,针对增压直喷汽油机联合开展了万有特性下热平衡和平衡试验.基于热力学第一定律和第二定律,建立内燃机热力学分析模型,结合试验数据得出该机的热平衡图和平衡图,在此基础上分析了内燃机工作参数对各种形式能量流和流的分布影响,并对热平衡和平衡进行了对比分析.结果表明:从热平衡分析来看,燃料能量主要损失在废热中,各种形式能量流分数大小呈明显的波动变化;从平衡分析来看,不可逆损所占比例最大,是限制内燃机效率的主要因素;热效率和排气能量分数分别与效率和排气流分数的等值线形态相似;排气分数峰值出现在高速高负荷区,传热分数峰值出现在低速低负荷区.针对分析结果,提出了几点改善汽油机能量利用效率的建议.     

复合增压直喷汽油机缸内燃烧速度研究

为了研究复合增压直喷汽油机低速高负荷及外特性燃烧速度,搭建了试验平台,进行了大量性能试验,基于其他研究者的研究成果和研究经验,结合燃烧系统开发的工程性,提出了缸内层流燃烧速度和湍流燃烧速度分段分析法。通过该方法对试验结果进行分析,揭示了复合增压直喷汽油机低速高负荷及外特性燃烧速度特征。