稀燃天然气发动机燃烧循环变动影响因素研究

通过对一台点燃式多点电喷稀燃天然气发动机进行试验,获得了不同工况下的平均指示压力循环变动系数,以此为基础研究了燃空当量比、节气门开度、转速及点火时刻对稀燃天然气发动机燃烧循环变动的影响趋势。结果表明:混合气燃空当量比越小,燃烧循环变动越明显,当燃空当量比降低到一定值时,平均指示压力循环变动系数的增长会突然加大;节气门开度越小燃烧循环变动越明显,节气门开度小于30%后,其对燃烧循环变动影响更加明显;燃烧循环变动量随转速上升有增加的趋势,在高转速工况下燃烧循环变动的加强尤其明显;在工况一定的条件下存在一个最优的点火时刻可使稀燃天然气发动机的燃烧循环变动最小。     

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。     

汽油压燃发动机的爆震特性试验

汽油压燃(GCI)发动机由于具有高热效率和低污染物排放的特性而受到广泛的研究,但在发动机中、高负荷下,GCI发动机往往存在较高的压力升高率和压力震荡.采用统计研究、燃烧分析和小波变换等方法针对GCI压力震荡现象进行了系统的分析,并与点燃式(SI)发动机压力震荡的特征和产生原因进行了对比.结果表明:GCI燃烧产生的压力震...     

汽油压燃发动机燃烧特性和污染物排放的试验研究

基于一台2.0 L柴油发动机,在1 500 r/min、平均有效压力（brake mean effective pressure, BMEP）0.4 MPa~0.9 MPa工况下进行了汽油压燃（gasoline compression ignition, GCI）和柴油压燃（diesel compression ignition, DCI）的燃烧和原始污染物排放的对比研究。此外,基于6个全球轻型车统一测试循环（worldwide harmonized light vehicle test cycle, WLTC）聚类工况点,进行了三元催化器（three-way catalyst, TWC）和稀燃NO_x捕集器（lean NO_x trap, LNT）或被动选择性催化还原器（passive selective catalytic reduction, PSCR）组合的污染物后处理方案的研究。研究结果表明：在负荷较低时,由于油气过度混合,缸内温度低,GCI的有效热效率低于DCI。随着负荷的提高,相比DCI,GCI的热效率明显改善,有效热效率最多提升至约43.0%。不同负荷下,相比DCI,GCI的NO_x排放略微下降,碳烟烟度（filter smoke number, FSN）显著下降;相比DCI,GCI的CO排放和HC排放在低负荷时大幅提高,但随着负荷提高,GCI的CO排放和HC排放与DCI的差距减小。基于某款车型实际测试的WLTC循环的6个聚类点对NO_x、HC、CO污染物排放的后处理进行评估,GCI发动机采用TWC+LNT/PSCR的后处理方案在满足国六b排放法规方面具有一定的潜力。     

甲醇-汽油双燃料火花点火发动机试验研究

基于一台由缸内直喷汽油机改装而成的高压缩比双燃料汽油机,研究了甲醇-汽油双燃料喷射方式(M-G,是指进气道喷射甲醇,缸内直喷汽油)和汽油-甲醇双燃料喷射方式(G-M,是指进气道喷汽油,缸内直接喷甲醇)两种双燃料双喷方式对火花点火发动机燃烧排放特性、热效率和爆震抑制的影响。在试验过程中甲醇的喷射比例范围为0~100%。试验结果表明:相比于汽油单燃料发动机,两种双燃料喷射方式(M-G和G-M)都能够显著提高经济性、抑制爆震同时降低微粒排放;G-M双燃料喷射方式相比M-G双燃料喷射方式在抑制爆震、降低微粒排放上效果更加显著。     

天然气缸内直喷发动机燃烧循环变动特性研究

开展了天然气高压缸内直喷发动机的燃烧循环变动特性研究。研究结果表明,小当量比工况下(<0.4),会出现失火循环和部分燃烧循环,平均指示压力pmi值低,pmi的循环变动系数大,大当量比工况下pmi的循环变动系数小。最高气缸压力高的循环燃烧速率快、燃烧过程的等容度好。最高气缸压力与其对应的曲轴转角之间、最高气缸压力升高率与其对应的曲轴转角之间、最高气缸压力和pmi之间都存在着一定关系。最高气缸压力与火焰发展期、快速燃烧期也存在很好的对应关系。高的最高气缸压力对应着短的火焰发展期和短的快速燃烧期。循环的累积放热量越大则pmi越大,pmi的大小与累积放热量的大小存在对应关系。     

稀燃天然气掺氢发动机的热效率与排放特性

为了分析在天然气中掺入不同体积比的氢气对发动机经济性和排放性的影响,在一台6缸火花点火天然气发动机上开展了体积掺氢比在不同工况下对热效率和排放特性影响的试验研究.结果显示掺氢可以拓宽发动机的稀燃极限,提高燃烧速度,使得最佳转矩点火提前角(MBT)相对推迟;在点火提前角不变的情况下掺氢对热效率没有明显优势,而且会使NOx排放升高.而在MBT时,掺氢可以一定程度上提高发动机的指示热效率,降低未燃CH4和CO的排放,改善NOx与未燃碳氢(主要为CH4)的trade-off关系.掺氢的优势还体现在可以让发动机高效的工作在更稀的情况下,从而有利于降低NOx的排放和传热损失.     

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。     

柴油-天然气发动机的爆震燃烧特性的研究

本文对柴油-天然气发动机的爆震燃烧特性进行了深入研究。通过对纯柴油发动机和双燃料发动机的示功图和放热率的对比，将双燃料发动机的爆震燃烧分为三种形式，并分析了双燃料发动机爆震燃烧的主要影响因素。     

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。     

压缩天然气内燃机的应用

本文介绍了压缩天然气的特性及其在国内外应用状况提出了在内燃机上应用压缩天然气应注意的问题及相应的技术措施     

缸内汽油直喷稀薄燃烧技术

介绍了非均质进气、缸内直喷稀薄燃烧技术，分别介绍了三种统一式和三种分隔式缸内直喷稀燃系统。采用该技术可在保持动力性指标的同时，还具有很好的燃油经济性，使有害排放大大降低。     

柴油/天然气双燃料发动机数值优化

利用CONVERGE搭建了柴油/天然气双燃料发动机三维数值模拟平台,在大负荷工况下研究了压缩比和不同喷油策略对发动机燃烧性能的影响．研究结果表明,相同条件下,降低压缩比到14.8能够有效降低最大压升率,从而有助于进一步增大天然气的替代比例．采用单次喷射策略时,通过提高喷射压力并提前柴油直喷时刻,在最大压升率限值内,能在85%天然气替代比例的同时获得48.1%的热效率．采用两次喷射策略时,随着预喷油量的增加,缸内着火时刻提前．并且预喷时刻提前能够有效降低最大压升率．对比发现,与单次喷射策略相比,两次喷射策略能够实现更为灵活的缸内燃烧控制,获得90%的天然气替代比例．最终,两次喷油策略实现了48.4%的最高热效率．     

预混燃烧奥托循环指示热效率表达式

依据热力学基本定律推导了预混燃烧奥托循环指示热效率的表达式，分析表明：燃气等效热容及膨胀多变指数对热效率影响较大，并直接与进气温度、压缩比及过量空气系数相关；在压缩比受限时，降低进气温度尤其是增加过量空气系数对提高指示热效率效果显著。     

基于当量燃烧的天然气发动机燃烧室优化研究

在一台采用废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)策略的当量燃烧天然气发动机上开展了不同挤气比、压缩比的活塞对燃烧、热效率和排放影响的对比试验研究。结果表明:在50%负荷与中低转速75%负荷下,增大EGR率拓展了爆震边界,使得主燃烧相位(CA50)提前,指示热效率提高;而在100%负荷及高转速75%负荷下,EGR率的增大对燃烧持续期的延长作用更为明显,且CA50后移,指示热效率降低。增大压缩比和适当增大挤气比有利于增强缸内湍流运动,加快天然气火焰传播速度,使CA50更靠近上止点,热功转换效率提高,最高指示热效率提高了0.24%,NO_x和CH₄排放分别升高了2.30g/(kW·h)、0.55g/(kW·h)。进一步增大挤气比会受到爆震的限制,最佳点火时刻推迟,燃烧定容度小,燃烧持续期延长,最高指示热效率下降了0.51%,NO_x和CH₄排放分别降低了2.20g/(kW·h)、0.44g/(kW·h),CO排放升高了0.36g/(kW·h),因此挤气比存在一个优化的范围。     

预喷策略对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

通过一台6缸直喷、高压共轨柴油机改装成的柴油引燃天然气发动机.试验研究预喷正时和预喷油量对燃烧参数和性能参数的影响,结果表明:相对单次喷射,较晚的预喷正时(30°CA BTDC)能提高发动机有效热效率(BTE),降低HC、CO排放,但NOx排放恶化,而较早的预喷正时(60°CA BTDC)能够在提高发动机BTE的同时,降低HC、CO排放,并且NOx排放基本保持不变;当预喷正时为60°CA BTDC,预喷油量适当增多(3~5 mg/cyc)能进一步提高发动机BTE,降低HC、CO和NOx排放;预喷油量进一步增加(6~7 mg/cyc),NOx排放恶化,并且由于着火相位波动导致燃烧稳定性变差.改善双燃料发动机燃烧和排放特性一方面要增加预喷柴油在可燃混合气中的分布,增大柴油与可燃混合气混合的时间,改善混合气的活性,进而提高燃烧速率;另一方面要强化主喷柴油喷射对着火相位的控制,防止着火相位不一致而恶化燃烧稳定性.     

预混天然气催化燃烧特性

将含有钯、镧、锶、钴和锰的催化剂加载在鄞青石上进行预混天然气催化燃烧．实验表明,催化燃烧温度范围在600～900℃,过低的温度可能导致熄火,过高的温度可能使催化剂失效．在混合气体中,天然气体积分数为6％～12％,在催化剂中钯含量增至γ-Al2O3质量的0．21％及燃空比为8％时,实现了较好的催化燃烧（排放较少）．实验同时证实,在较短的催化载体内,催化燃烧效果较好,载体表面温度较低;在较长的载体内,载体表面温度较高,NOx排放增加．同时,分析了载体内传热传质特性．     

直喷天然气发动机燃烧效率分析

利用快速压缩装置对直喷天然气发动机的效率进行了分析。在宽广的当量比范围内，分析了三种燃料喷射方式下和均匀混合气燃烧时的燃烧效率。结果表明，燃油喷射方式下的燃烧效率在0．2－0．9当量比范围内均具有较高的数值并与喷射方式无关；在当量比小于0．2和大于0．9时，由于CO的原因，使燃烧效率降低。均匀混合气燃烧时，燃烧效率在当量比大于0．7时较高，而当量比小于0．7时，由于很高的未燃甲烷的生成使燃烧效率损失较大。燃料喷射燃烧与均匀混合气燃烧相比，维持高燃烧的比范围宽。因未燃甲烷的生成造成的燃烧效率的损失与喷油时刻无关，因CO造成的燃烧效率的损失随喷油滞后而增加。