甲醇直喷及高压缩比对点燃式发动机性能的影响

将一台增压直喷米勒循环汽油机改制成高压缩比(13.8)甲醇直喷(MDI)点燃式发动机,在转速为2 750 r/min下研究了甲醇直喷和高压缩比对发动机燃烧、排放及有效热效率(BTE)的影响．结果表明：相同边界条件下,甲醇直喷在中大负荷(平均有效压力(BMEP)≥0.8 MPa)能够提高燃烧速度、缩短燃烧持续期,甲醇直喷由于低压缩温度和高燃料辛烷值,高压缩比下各负荷燃烧均不受爆震限制;甲醇直喷在各负荷下均有利于降低NOx、CO及HC,相同边界条件下甲醇直喷在不同负荷的未燃损失均降低1%以上;甲醇直喷结合高压缩比的最高有效热效率工况点BMEP从原机的1.1 MPa提升到1.5 MPa,当量比燃烧有效热效率从37.4%提升到42.6%,有效热效率提升主要是因为排气损失、传热损失及未燃损失均降低,而进一步提升有效热效率主要受发动机爆发压力极限限制．     

直喷汽油机预混和分层稀薄燃烧特性对比研究

以多孔喷油器中间布置的热力学单缸直喷汽油机为平台,研究了预混和分层2种喷雾模式在发动机不同负荷的燃烧与排放特性,以及分层稀薄燃烧对发动机最大指示热效率的影响。研究结果表明:在燃烧循环变动系数(COV)不超过3的情况下,分层稀薄燃烧能够显著提高发动机部分负荷的过量空气系数极限,并且能在增压全负荷稀薄燃烧工况提高发动机的燃烧稳定性。在部分负荷(转速为1 500 r/min,平均指示压力(IMEP)为0.2 MPa)过量空气系数λ从1.0提高到1.5,泵气损失降低了26.30%,在2 000 r/min自然吸气全负荷工况,单缸机的最大指示热效率达到44.25%。提高λ,CO排放降低,NO_x排放先升高后降低,HC排放先降低后升高。     

外部EGR技术在高压缩比米勒循环发动机上的试验研究

为兼顾米勒循环发动机高负荷动力性和部分负荷燃油经济性,在高压缩比米勒循环发动机上应用外部EGR技术,通过将发动机的部分废气重新引入气缸实现对部分负荷燃烧过程的优化控制,改善发动机的燃油经济性和排放性能。在一台高压缩比米勒循环发动机上,将不同比率的废气重新引入气缸,探究外部EGR技术对高压缩比米勒循环发动机的性能和排放的影响。研究结果表明:在高压缩比米勒循环发动机上应用外部EGR技术,可有效降低发动机部分负荷下的泵气损失,改善燃油经济性,整车百公里油耗改善2.11%;同时可降低缸内最高燃烧温度及含氧量,大量减少NOx排放,部分工况点甚至可降低88.5%。     

EGR对Atkinson循环汽油机性能的影响

在一台1.6,L自然吸气汽油机上,开展了Atkinson循环和外部EGR对发动机燃油经济性与燃烧特性影响的试验.结果表明,与原机奥拓循环相比,Atkinson循环发动机在转速为2,000,r/min各负荷工况下,有效燃油消耗率降幅达4.3%~10.2%.在负荷为0.2,MPa、0.4,MPa和0.6,MPa时引入外部EGR,可进一步降低有效燃油消耗率.同时随负荷增加,各负荷对应最低油耗的EGR率逐步提高.在采用最佳点火提前角时,外部EGR使Atkinson循环的火焰发展期延长,但是不同EGR率对应的CA50(累计放热率达50%时对应的曲轴转角)的位置变化不大.     

连续可变气门升程系统对增压直喷发动机燃油经济性影响的研究

为了深入分析连续可变气门升程(continuously variable valve lift,CVVL)系统对增压直喷(turbo-charged gasoline direct injection,TGDI)汽油发动机燃油经济性影响,通过对2 000r/min下0.2MPa和1.2MPa及5 000r/min下0.2MPa和1.2MPa这4个典型工况点的台架测试,对比分析了可变气门升程和可变气门正时(variable valve timing,VVT)对比油耗(brake specific fuel consumption,BSFC)的影响规律。结果表明:低负荷工况,比油耗随进气VVT提前和排气VVT推迟线性下降;降低气门升程,增加节气门开度,进气VVT可以进一步提前,排气VVT可以进一步推迟,从而形成米勒循环,使比油耗进一步降低。高负荷工况,气门全升程时比油耗更低,比油耗随进气和排气VVT提前而下降,但进气VVT对比油耗影响较小。     

预燃室射流点火技术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1500r/min、平均有效压力为2MPa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,燃烧相位提前7.1°,有效燃油消耗率下降约24g/（kW·h）;在2000r/min负荷特性的试验工况,相比于传统点火,预燃室点火燃烧循环变动均获得改善,燃烧持续期缩短,低负荷时燃烧相位不变而比油耗略微上升,高负荷时燃烧相位大幅提前,比油耗改善约7g/（kW·h）,且最高有效热效率由36.9%上升至37.5%。就气体排放物而言,预燃室点火加速燃烧使NOx排放最高上升约15%,HC排放最多下降约36%,而CO排放低负荷时基本维持不变,在高负荷时略有下降。     

PFI/DI喷射对米勒循环汽油机燃烧特性的影响

为削弱泵气损失大、压缩比和工质比热容低等问题对汽油机常用部分负荷热效率的制约作用,基于配备进气道喷射(portfuelinjection,PFI)和缸内直喷(directinjection,DI)双喷系统的高压缩比米勒循环汽油机,系统探究了进气门早关策略对汽油机部分负荷热效率的影响规律.研究表明,应用米勒循环可有效调控歧管压力和泵气损失,通过综合优化气门相位、点火策略和节气门开度,相较于原机在2000 r/min,平均指示有效压力(IMEP)0.36 MPa工况指示热效率由32.4%提升至36.4%.针对高压缩比米勒循环小负荷燃烧稳定性恶化问题,提出采用分层火焰引燃(stratifiedflameignition,SFI)混合燃烧技术实现对燃烧放热过程的优化控制.研究表明,SFI燃烧可有效提高燃烧稳定性,平均指示有效压力的循环变动COVIMEP降幅达64.9%.而后期自燃的参与使得放热更为集中迅速,指示热效率由纯米勒循环下的36.4%提升至37.8%.     

稀燃对甲醇直喷点燃式发动机性能的影响北大核心CSCD

将一台增压直喷米勒循环汽油机改制成高压缩比(13.8)甲醇直喷点燃式发动机,在2 750 r/min、平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)为1.1 MPa及1.5 MPa工况下研究了稀燃对甲醇直喷发动机燃烧、排放及热效率的影响。结果表明:随过量空气系数λ增大,甲醇直喷发动机滞燃期和燃烧持续期逐渐延长,高稀释率下燃烧滞燃期和持续期明显短于汽油原机。在1.1 MPa BMEP工况下,发动机的稳定燃烧极限从汽油原机的λ=1.5拓宽到甲醇直喷的1.7以上。气体排放方面,随λ增大,甲醇直喷发动机HC排放逐渐增加,而CO排放先降低后升高,在λ=1.1附近CO排放最低。与汽油原机相比,甲醇直喷发动机在各过量空气系数下均表现出更低的NOx、HC及CO排放。热效率方面,发动机在BMEP为1.1 MPa下,汽油原机和甲醇直喷的最大有效热效率分别为39.8%和44.1%,热效率绝对值分别较当量比燃烧提升2.5%和3.2%。BMEP提高到1.5 MPa后,甲醇直喷发动机在λ=1.4实现了44.5%的最大有效热效率。     

喷雾引导分层燃烧部分负荷喷油点火策略研究

在一台中置多孔喷油器的直喷汽油机上进行试验,研究了喷雾引导分层燃烧技术在部分负荷(n=2 000r/min、BMEP=0.2MPa)下,喷油点火策略对发动机油耗和排放的影响。研究结果表明:点火(IGN)时刻处于喷油结束(EOI)时刻附近时,可以实现稳定的分层稀薄燃烧。在IGN时刻与EOI时刻等高线图中,THC排放与NOx排放呈现矛盾折中关系,CO排放随EOI时刻的推迟而逐渐降低。有效燃油消耗率受到燃烧效率和燃烧相位两个矛盾因素的共同影响,在EOI为上止点前34°的曲轴转角而IGN为上止点前35°的曲轴转角时获得最低值(329g/(kW·h))。采用两次喷射策略时,小的喷射间隔下,喷射比例对分层燃烧的燃烧稳定性和排放影响较小。     

涡轮增压直喷汽油机缸内流场、混合气形成和燃烧数值模拟及试验

建立了发动机3D模型,在发动机进气道上采用了一个滚流控制阀片,以控制发动机气流运动。通过计算流体力学(CFD)软件计算缸内流场随曲轴转角的演变和发展过程,评估了缸内的滚流运动和湍动能。模拟了在当量空燃比条件下缸内混合气的浓度场分布,分析了缸内燃烧过程。研究结果表明:采用滚流控制阀在2 000r/min、0.2MPa和1 750r/min全负荷工况下能够有效提升缸内滚流比,并且在压缩行程末期增强了湍动能,有助于提升燃烧速率,改善燃烧。通过设计特殊形式的活塞顶面,对喷雾进行引导,避免了燃油喷雾直接碰撞在缸壁。燃烧模拟的缸内压力曲线与实际发动机台架测试的结果吻合性较好。     

稀薄燃烧结合高能点火对高压缩比汽油机小负荷工况燃油经济性的影响

汽油机小负荷工况由于泵气损失较大,燃油经济性较差.针对这一问题,基于一台压缩比16的直喷汽油机,结合自主研制的高能点火系统将稀燃极限从1.5拓宽到1.65,最大相对热效率提升22％,其中稀薄燃烧贡献了17％,高能点火贡献了5％.一维数值模拟结果表明,稀薄燃烧可以提高比热比,降低泵气损失和传热损失,高能点火的作用在于加快...     

稀释方式与进气包角对发动机影响的试验研究

基于1台带有低压废气再循环系统(EGR)的涡轮增压直喷汽油发动机,使用2种进气凸轮包角,首先研究了米勒循环部分负荷燃烧特性,之后研究了米勒循环、奥托循环耦合EGR、稀薄燃烧(简称稀燃)等技术的节油潜力。结果表明,米勒循环在部分负荷节气门开度大、进气压力高、泵气损失小,燃烧重心提前,燃烧持续期变长,排气温度上升,能减少有效燃油消耗率(BSFC),但随着负荷的增加,节油能力下降。米勒循环的进气包角小,进气时间短,进气门升程低,进气门处的节流损失大,导致米勒循环的缸内滚流比、湍动能、缸内湍流速度与活塞平均速度的比值(U_(prime)/C_m)大幅下降。米勒循环与奥托循环发动机稀燃的节油能力均大于EGR。由于米勒循环缸内主要流动参数低于奥托循环,米勒循环在搭配EGR技术和稀燃技术时的燃油经济性改善程度明显低于奥托循环。米勒循环机型的后续优化方向是提高缸内滚流强度。     

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。     

不同压缩比米勒循环和低压废气再循环对增压直喷汽油机性能影响

通过对一台增压汽油直喷(gasoline direct injection,GDI)发动机活塞和凸轮型线的重新设计实现了高压缩比米勒循环,并在此基础上引入了废气再循环(EGR),研究了不同压缩比米勒循环和EGR综合作用对发动机的性能影响。结果表明:增大压缩比和采用米勒循环技术对爆震影响存在取舍(trade-off)关系,低速全负荷下高压缩比米勒循环相比原机油耗略有上升;而低压冷EGR技术由于缸内稀释冷却作用可以优化燃烧相位,对外特性工况有效燃油消耗率有明显的改善作用;在部分负荷工况下,压缩比的增加和米勒燃烧循环可使油耗较原机下降6.3%,在整合低压冷EGR技术后,油耗进一步下降3.1%。可以得出结论,合理地增加压缩比,采用米勒循环技术并匹配低压冷EGR技术,可以大幅改善发动机的燃油经济性。     

米勒循环及低压废气再循环技术对汽油机性能的影响研究

在某2.0L涡轮增压商用车缸内直喷汽油机概念设计阶段,运用GT-Power软件进行了一维热力学计算分析,并着重研究了米勒循环技术与低压废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)技术对燃油经济性的影响。仿真结果显示,长米勒循环和短米勒循环都存在使燃油经济性达到最佳的可变气门正时角度。在中高转速范围内,因为质量流量和流速过高导致长米勒循环的缸内空气无法顺利回流,米勒效应减弱,所以短米勒循环的燃油经济性更好;另外长米勒循环具有两次泵气过程,致使其泵气损失也大于短米勒循环。在低转速范围内,短米勒循环的增压压力需求更大,导致其泵气损失大于长米勒循环,所以长米勒循环的燃油经济性更好。对于试验用汽油机来说,短米勒循环具有明显的优势。低压EGR技术能够使缸内最高温度降低,减轻爆震倾向,因此燃烧重心可以适当提前,从而改善燃油经济性。另外,EGR和新鲜空气总量的增加也使最高燃烧压力增大,有利于燃油经济性的提高。不同工况下,缸内最高温度均随EGR率的增加而降低,因此在一定范围内EGR率越高燃油经济性越好,涡前排温越低,但EGR冷却器需要的散热功率也增大。在发动机燃烧开发阶段,推荐采用短米勒循环技术并结合8%的EGR率。为了验证仿真结果的准确性,开展了性能试验,试验结果与仿真结果在趋势上有很好的一致性。     

基于高压直喷航空煤油点燃式发动机燃烧性能优化的试验研究

为提高航空煤油在点然式发动机中的燃烧热效率,改善发动机爆震及拓宽发动机负荷范围,以3号航空煤油(RP-3)为基础燃料,基于一台单缸水冷、压缩比可调、4冲程点燃式发动机结合高压共轨缸内直喷技术,开展了单双点火、不同负荷、压缩比、喷射压力、喷射时刻和两次喷射策略下航空煤油燃烧特性的试验研究。结果表明,在原机压缩比为10的条件下,将直喷汽油改为直喷航空煤油后,由于航空煤油的抗爆性差、雾化困难、燃烧速率慢等理化特性,发动机的动力性损失约50.0%,油耗增加约60.0%,循环波动也大幅增加;相比于单点火,双点火可使缸内平均有效压力提高,燃烧相位提前,循环波动降低;为了抑制高压缩比下的爆震倾向,可通过降低压缩比来拓宽负荷范围,恢复原机功率。随着压缩比的降低,有效平均压力(BMEP)持续增大,当压缩比为6时,最大转矩可达39.5N·m,功率恢复至原机的88.0%。同时耦合高压及两次喷射策略,随着喷射压力的增大,有效燃油消耗率(BSFC)减小约30.0%,经济性有所提高。相比于单次喷射,采用两次喷射策略可降低油耗,提升缸内有效平均压力,提升燃烧效率,最终可实现发动机燃用航空煤油的性能接近原机水平,最大负荷达原机的90.0%且油耗增加量不超过15.0%。     

微小尺度往复活塞式内燃机极限尺寸的循环分析

建立微型活塞式内燃机性能测试试验台,对微小尺寸活塞式内燃机性能进行测评,并类比各种宏观尺度机型的性能数据.结果表明:微型活塞式内燃机平均有效压力(BMEP)显著低于其他类比机型,燃油消耗率高、有效热效率低和热负荷不高;但平均机械损失压力(FMEP)受转速升高的影响不显著,故能达到较高工作转速,并使其单位容积功率密度反而超过其他类比机型.采用循环模拟数值方法分析微型活塞式内燃机工作过程,揭示BMEP低于其他类比机型的主要原因是充量系数低;而有效热效率低下的主要原因是混合气较浓、燃烧不充分以及燃油在扫气过程中直接排出气缸所致.因此,微型活塞式内燃机进一步微细化的方向是提高运行转速,并改善其充量交换和缸内燃烧过程.热力学数值推演得出微型活塞式内燃机最小极限缸径尺寸在4~5,mm,工作转速在40,000~50,000,r/min.     

可变排量机油泵在发动机上的节油研究

为保证怠速工况下合理的机油压力,减少发动机热怠速异响,需要充分平衡机油泵的转排量。设计者在兼顾热怠速工况下机油压力,无疑造成了低温或高速工况下较大的液压功损失,从而引起发动机摩擦功增大,油耗增加。可变机油泵可以解决这一问题,因此受到越来越多厂家的青睐。本文对机油泵的摩擦功构成进行分析,对可变机油泵的节油原理进行了阐述,并通过台架测试,验证了同排量固定机油泵与二级可变排量机油泵在1.2TDG发动机上的节油表现,二级可变排量机油泵对油耗的贡献为,在转速2 000 r/min及油温9 0℃的状态下,摩擦功节省1.07%;有效燃料消耗率受发动机系统机油压力的影响较大,在90℃机油温度,发动机转速2 000 r/min,平均有效缸内压力为0.2 MPa工况下,系统机油压力每降低0.1 MPa,燃油消耗率可以降低6 g/(kW·h)。     

进气道对某增压非直喷汽油机性能影响的试验研究

优化了某增压非直喷四缸汽油机进气道结构,并在气道稳流试验台和发动机性能试验台架上进行了相关试验研究。试验结果表明:通过减小进气道的倾斜角(特别是α角)可提高缸内空气运动的滚流强度,但同时也会降低其流量系数;增强缸内滚流运动可以加快火焰传播速度和燃烧速率,从而改善燃烧过程,提高发动机的动力性,降低不同转速下中高负荷时的燃油消耗率,其中在转速2 000r/min下燃油消耗率降低最大值约为16g/(kW·h),并且能降低各转速全负荷下的排气温度,降幅约为30~50℃,这有助于提高增压器的可靠性及使用寿命。     

低压EGR对混合动力汽车专用发动机性能影响的研究

基于一台混合动力汽车专用米勒循环增压发动机,通过试验研究低压EGR对发动机不同负荷下的燃烧特性和经济性的影响.研究结果表明,燃烧特性方面,在不同负荷下,随着EGR率的增加,点火提前角增大,燃烧持续期延长;在小负荷工况,燃烧重心CA50随着EGR率的增大而先增加后减小,在其余负荷工况,燃烧重心CA50随着EGR率的增大而...