进气VVT对低压EGR汽油机油耗影响研究

基于一台带有低压废气再循环(EGR)回路的小排量增压进气道喷射(PFI)发动机,研究了进气正时(VVT)对低压EGR汽油机油耗与燃烧特性的影响。结果表明:EGR率越小,泵气损失越大,EGR率较小时泵气损失随EGR率的变化程度较小,EGR率较大时泵气损失随EGR率变化程度较大;进气门开启时刻相对于上止点提前或滞后均会使泵气损失减小。在1 850r/min、0.45MPa工况下,进气门在上止点前10°、28°曲轴转角和上止点后24°曲轴转角开启可使泵气损失依次减小2.3%、11.9%和18.8%;进气门开启时刻越提前或迟后,EGR率越大,对应的燃烧持续期和滞燃期越大,燃油消耗率越小;与原机相比(燃油消耗率为294.49g/(kW·h)),综合优化EGR率和进气门开启时刻后(EGR率为10%、进气门开启时刻为上止点后25°曲轴转角)的最佳燃油消耗率为283.44g/(kW·h),可使燃油消耗率提高3.8%。     

增压直喷汽油机进气歧管喷水技术试验研究

针对1台增压直喷汽油机在低速全负荷工况进行了台架试验,并利用自行搭建的供水系统向发动机进气歧管内喷入一定压力的水量,通过降低缸内燃烧温度抑制爆震强度,最终探究了进气歧管喷水技术对改善燃油经济性和排放的潜力。结果表明:进气歧管喷水的最佳喷水时刻位于进气门打开前后一小段区间内,此时喷水使得同一爆震强度的点火角提前、燃烧相位改善、燃烧持续期延长、排温降低、有效燃油消耗率减小、颗粒物数量(PN)与NOx的排放降低,并且在20%～80%喷水比例范围内,喷水量越大上述影响越显著。     

进气和喷油方式对缸内混合气温度和浓度分布的影响

缸内混合气的温度和浓度分布影响均质充量压缩着火汽油机的着火时刻.为此,利用平面激光诱导荧光法(PLIF)在可视化汽油机上研究进气道喷射方式下进气门相位及升程、燃油缸内直喷方式下喷油时刻对缸内混合气温度及浓度分布的影响.结果表明:在进气门升程保持不变时,随着进气门开启时刻推迟,缸内混合气平均温度呈现先增大后减少的趋势,而混合气的温度及浓度不均匀性增大;在进气门开启时刻一定时,随着进气门最大升程的增大,缸内混合气平均温度先增大后减少,缸内混合气温度及浓度的不均匀性减小;在相同的气门相位及升程下,直喷方式下缸内混合气的平均温度低于进气道喷射方式下的,并且随着直喷燃油时刻的推迟,缸内混合气平均温度降低.     

TJ376QE二气门发动机稀薄燃烧的实验研究

汽油机燃烧稀混合气是降低有害尾气排放、燃油消耗率的有效途径。由于二气门发动机改变缸内气体流动比较困难,难以形成空气燃料浓度分布,因此目前国际上成功的稀燃发动机均为四气门结构。为增强其涡流和滚流运动,对二气门的TJ37GQE汽油机进气系统进行了改造,随后强烈的空气运动结果表明其有利于组织空气和燃料在缸内的浓度分布,从而为在二气门汽油机上实现稀薄燃烧打下基础;通过采用二次燃油喷射技术,在缸内形成准均质分层混合气,成功地在二气门汽油机上实现了稀薄燃烧。     

米勒循环在小型增压汽油机典型工况的应用研究

针对某3缸增压小型化汽油机,基于一维和三维发动机循环仿真,分别研究了进气门早关(EIVC)和进气门晚关(LIVC)两种米勒循环形式对发动机油耗、爆震及燃烧特性的影响。结果表明:两种米勒循环形式均能有效降低全工况范围的燃油消耗率,平均降幅约为8%。与LIVC相比,低负荷时EIVC具有更大的节气门开度和进气压力,故泵气损失相对较小,具有更好的燃油经济性;而在高负荷区域,EIVC会显著降低缸内滚流和压缩终了时的湍动能,导致燃烧变慢,CA50相比LIVC滞后2.5°曲轴转角,燃油经济性和爆震抑制作用较差。     

进气组分耦合喷油定时对柴油机工作过程的影响机理

通过一台共轨柴油机,基于正庚烷/甲苯/正己烯混合物简化动力学机理耦合三维CFD数值模型,模拟不同进气组分(O_2、H_2和CO_2)耦合喷油时刻对发动机工作过程的影响机理.研究表明:不同进气组分下,随喷油时刻提前,缸内活性自由基(OH、O)质量分数及其分布区域增大,NO生成量增多.但随喷油时刻过度提前,燃烧始点反而推迟,燃烧放热速率、缸内燃烧压力与温度峰值降低,NO也相应减少;相比其他进气组分,进气掺O_2时缸内O自由基质量分数增大,碳烟(Soot)降低且喷油时刻对其影响较小;进气掺H_2时,缸内燃烧压力和温度峰值最高,OH自由基质量分数及分布区域最大,Soot随喷油定时提前大幅降低;进气掺CO_2时,缸内燃烧压力与温度峰值最低,OH和O活性自由基最少,当喷油时刻提前超过24°CA BTDC时,燃油逐渐喷射到压缩余隙容积形成局部过浓区,C_2H_2和多环芳香烃芘(A_4)生成量增多,Soot排放随喷油定时进一步提前明显升高.     

进气门相位对HCCI汽油机燃油分布和燃烧的影响

应用激光诱导荧光技术研究了不同进气门相位和缸内直喷的喷油时刻对压缩末期燃油分布的影响,同时结合热力学单缸机试验分析了其对燃烧的影响.结果表明,压缩过程中推迟燃油喷射时刻在压缩末期形成愈加明显的燃油分层,燃油分布的循环变动明显增大,使燃烧着火时刻提前,燃烧持续期增加,燃烧循环变动增加.进气门相位的调整改变了缸内流动和喷雾的环境条件,推迟进气门相位可以降低压缩末期燃油分布的不均匀度.提前进气门相位使有效压缩比和燃油分布不均匀度增大,从而使燃烧时刻提前,燃烧持续期略有增加.     

进气湿度对增压汽油机性能影响的试验

通过一款涡轮增压汽油机,研究了不同的进气湿度对发动机性能的影响.试验结果表明:随着湿度的增加,一方面实际进入缸内参与燃烧的干空气量下降,另一方面燃烧相位和燃烧持续期恶化,两者共同导致发动机的实测转矩降低而燃油消耗率升高.在大负荷工况时,发动机的抗爆性因湿度增加而得到改善,通过优化发动机的点火提前角,可以改善发动机的燃烧相位,增压发动机在大负荷工况的燃油消耗率反而降低,降低了1.4%～1.8%.     

无节气门汽油机燃烧循环变动特性试验

一种全可变液压气门机构(FHVVS)可实现气门升程和开启持续期的连续可变,采用进气门早关的方式可取代节气门实现无节气门负荷控制方式.通过试验测量缸内压力,发现无节气门汽油机在小负荷工况下的燃烧循环变动明显增大,燃烧速率显著降低.通过增大点火提前角,使燃烧重心(CA 50)调整至5°~10°,CA ATDC的推荐位置,却导致出现失火循环.探讨了通过组织进气涡流和增大点火能量的方式改善燃烧性能,结果表明:螺旋进气门能够在小升程时产生较强的进气涡流,显著改善了无节气门汽油机在小负荷工况下的燃烧循环变动和失火循环,提高了指示热效率;增大点火能量对改善燃烧循环变动也有一定作用.     

进气前回流对HCCI汽油机着火时刻的影响

为了实现对着火时刻的调控,在负气门重叠角(NVO)策略下,通过进气门早开,形成不同程度的进气前回流,来调控着火时刻.三维仿真结果表明,进气门开启提前,前回流比例逐渐增大,产生两个主要的作用,一个是散热造成缸内平均温度发生改变,另一个是改变新鲜进气和废气的混合历程,使得缸内温度、废气分布发生变化.当前回流质量分数小于20％时,缸内平均温度的降低使着火时刻推迟.当前回流质量分数大于20％时,温度、废气不均匀度的增加使得着火时刻提前;前回流的存在还使得缸内高温区和高废气区的重合度减小,使缸内形成了利于着火的高温及相对低废气区,促进自燃点的出现,使着火时刻提前.     

可变涡流对直喷汽油机进气流动特性影响数值模拟

建立了带可变涡流进气道的缸内直喷汽油机(GDI)三维数值模型,利用数值模拟方法分析了可变涡流GDI发动机在2 000 r/min全负荷工况下,涡流调节阀开启和关闭不同状态的进气以及混合气形成过程。得到了进气流动变化、湍动能的发展等重要信息,评价了缸内滚流对混合气浓度分布的影响,结果表明:通过涡流阀开启和关闭可以改变进气门周围进气流动速度分布,进而调节缸内滚流强度,进气流动对缸内燃油分布有着显著的影响。在低转速时,涡流阀关闭使缸内滚流强度明显提高,是相同气门升程涡流调节阀开启时的4~6倍;通过关闭涡流阀产生的大滚流强度加快了缸内燃油雾化速度,有助于在点火时刻缸内形成浓度均匀一致的混合气。     

高功率密度柴油机的喷油时刻对燃烧排放的研究

运用AVL FIRE软件,建立某台单缸高功率密度柴油机模型,研究喷油时刻对该柴油机燃烧排放的影响规律,并用柴油机台架试验验证模型的合理性。着重仿真分析了不同喷油时刻对柴油机缸内压力、温度、放热率、功率、燃油消耗率以及排放的影响。分析结果表明:喷油时刻每提前3°曲轴转角,缸内压力和温度分别升高6.55%和2.8%;放热速率快,放热相对集中;NO_x排放增加,碳烟排放降低;功率下降,燃油消耗率升高;当喷油时刻为上止点前16°曲轴转角时,NO_x和碳烟排放都能满足排放法规要求,且动力性和经济性能较好。     

进气门早关对柴油机进气和燃烧特性的影响

在一台SD2100TA柴油机上安装了全可变液压气门机构,采用进气门早关(EIVC)的方式对进气量和有效压缩比进行调节,并对进气性能和燃烧性能进行了研究。试验研究结果表明:与节气门进气量调节方式相比,EIVC能有效降低泵气损失,且能够降低缸内工质温度,有利于实现低温燃烧。随进气门关闭时刻(IVCT)的提前,有效压缩比降低,压缩终点压力和温度下降,滞燃期增长,着火推迟,预混燃烧比例上升,扩散燃烧比例下降,由于工质总热容降低,燃烧后的缸内工质温度增加,导致排气温度显著提高。在保持指示热效率基本不变的前提下,EIVC可以有效地降低缸内峰值压力,拓宽柴油机负荷范围。在1 650r/min、平均指示压力(IMEP)为0.64MPa工况点,当IVCT从下止点后30°提前到下止点后-50°时,峰值压力降低了26%。     

提升乘用车汽油机燃烧系统性能的研究

应用稳态CFD数值分析和气道稳流试验方法对某乘用车汽油机的原气道和改进气道进行了分析。计算和试验均表明:改进的进气道比原进气道流量系数降低14%,但滚流比提高56%;改进的排气道流量系数比原排气道提高10%。燃烧室也进行了减小最远火焰传播距离和降低面容比的改进。基于改进前后的燃烧系统进行了进气和压缩两冲程的瞬态CFD分析,结果表明:改进后的燃烧系统在缸内能形成更规则的大尺度漩涡,而且缸内瞬态滚流比更高,湍动能也高于原燃烧系统。最后通过试验进行了验证,结果表明:在外特性上,改进燃烧系统的点火提前角比原燃烧系统在中低速提前3～5°CA,高速时基本一致。改进燃烧系统的中低速扭矩比原燃烧系统提高4%～10%,部分负荷燃油消耗率降低5%～9%,高速时两者差别不大。     

141F小型汽油机数值模拟及性能优化

针对141F汽油机性能提升的研究,采用发动机循环模拟数值方法研究并预测了配气相位优化前后发动机扭矩的变化规律。分别设计了进排气整体气门正时、进气气门正时和排气气门正时三种优化方案。数值模拟结果表明:141F汽油机整体气门正时提前15℃A时,扭矩整体最优,扭矩在低速有6%的提高,高速有2%~4%的提升;进气气门正时提前20℃A扭矩整体最优,扭矩低速有7%~8%左右的提高,高速有2%的提升。     

摩托车发动机燃烧和性能的试验研究

对CG150摩托车发动机进气道进行了优化,并开展了燃烧和性能的试验研究。结果表明:气道优化后,最大功率和最大扭矩两种工况时,发动机缸内最高爆发压力增大,且出现时刻提前,最大压力升高率稍有增大,燃烧开始时刻提前,燃烧持续期变短;在外特性曲线上,发动机的功率、扭矩均有所提高,燃油消耗率降低;配合使用两级触媒和二次补气后,发动机有害物排放满足"国Ⅲ"排放法规。     

稀薄燃烧在TJ376QE二气门汽油机上的实现

对二气门结构的TJ376QE汽油机进气系统进行了改造，提高了涡流和滚流比．强化空气运动的结果有利于组织燃料在缸内的浓度分布，从而为在二气门汽油机上实现稀薄燃烧打下基础；在原发动机的气道内电控燃油喷射系统的基础上，采用了二次燃油喷射技术．通过对二次喷油时刻和喷油量的分别调节，在缸内形成精细分层的混合气即所谓准均质混合气，从而优化了油耗和排放指标，成功地在二气门汽油机上实现了稀薄燃烧。     

可变进气门升程对汽油机泵气损失的控制及对燃烧过程的影响

为了降低汽油机部分负荷泵气损失,改善燃油经济性,在自主开发的进排气门升程和相位全可变的4VVAS(4 variable valve actuation system)单缸汽油机上开展了可变进气门升程控制负荷的试验研究,研究了进气门升程对进气量和负荷的控制作用以及进气门升程控制对泵气损失以及燃烧过程的影响,比较分析了采用可变进气门升程对汽油机性能的影响.研究结果表明.保持节气门全开,通过采用进气门升程调整的负荷控制方式,与节气门控制负荷方式相比,部分负荷的泵气损失可以降低20%～30%,指示燃油消耗率降低3%～12%,中低转速下机械损失也有所降低.但是燃烧过程持续期会变长,影响了燃油经济性的进一步改善.     

可变气门正时标定在气门正时设计中的作用

以一款2. 0 L增压直喷双可变气门正时(VVT)汽油机为研究对象,在一定的工况区域进行发动机台架试验,标定VVT。试验结果表明,41%工况的进气VVT处于极限开启位置,将进气开启定时再提前,可以进一步降低燃油耗。为此,对进气气门正时进行错齿改造并试验,验证新增的进气VVT角度可以使发动机获得更好的经济性表现。试验结果表明,错齿改造使发动机燃油耗降低,说明VVT的标定结果可以对气门正时设计提出改进意见。     

进气增压对负阀重叠HCCI发动机燃烧特性的影响研究

基于一台缸内直喷汽油机进行了进气增压对负阀重叠HCCI发动机燃烧与排放特性的试验与仿真研究。试验结果表明:相同供油量下,随着进气压力从0.10MPa增大到0.15MPa,着火时刻提前了6°CA,缸内最高燃烧压力增大了0.9MPa,放热率峰值下降了18%,燃烧持续期变长,指示热效率先增大后减小,平均指示压力循环变动率仍保持在4%。由于进气增压使内部残余废气率提高了7%,造成比热容上升而降低了缸内温度。仿真计算揭示了随着进气压力增加,导致负阀重叠期燃油发生改质变化,OH基和O基反应速率减缓,以及C2H2等活性分子浓度上升了80%和CH4等稳定分子浓度下降了37%,使得HCCI热着火温度略微下降,提高了HCCI着火稳定性。