液压自由活塞发动机活塞运动规律自适应特性的研究

在一台液压自由活塞发动机(HFPE)样机上进行了活塞运动规率的试验。研究表明:活塞的运动规律对于燃烧相位和累积放热量的变动具有自适应性;随着燃烧相位的提前或累积放热量的增大,活塞换向提前,最大升程和压缩比降低;这种自适应性可有效避免均质压燃过程中的爆震与后燃现象,保证缸内最高压力、最大放热速率的稳定,减少指示功的损失。     

压力自适应活塞在船用发动机上的试验与仿真研究

为兼顾发动机低负荷热效率和高负荷爆震倾向,研制了一种适用于高压缩比的压力自适应活塞。采用试验研究方法在发动机台架上测试了压力自适应活塞对发动机性能的影响,在此基础上采用数值模拟的方法建立了发动机工作过程数值计算模型和爆震模型,研究了活塞头部位移和活塞对缸内压力、燃烧循环波动、燃油消耗率的影响及活塞的爆震抑制性能。台架试验和仿真研究结果表明：通过提高压缩比,在负荷较低时,活塞头部无位移或位移较小,缸内压力相较原机有所提升,燃油消耗率相较原机有所降低,如25%负荷工况下的燃油消耗率相较原机降低了6.67 g/（kW·h）;在负荷较高时,活塞头部位移较大,降低了过高的缸内压力和压力升高率,爆震得到有效抑制,峰值压力循环波动系数的最大降幅为1.11%,100%负荷工况下的爆震诱导时间积分相较原机降低了0.19。     

活塞运动规律对点燃式HFPE燃烧过程影响的仿真研究

使用仿真软件Converge,建立了点燃式液压自由活塞发动机(HFPE)的三维仿真模型。为了解决HFPE的爆震问题,提升其热效率,研究了不同活塞运动规律对HFPE的燃烧过程、爆震倾向与热功转换效率的影响。结果表明:火花点燃式HFPE的爆震燃烧发生在活塞边缘的末端混合气区域,是由若干个爆震核快速扩展而成,与曲柄连杆式火花点燃发动机爆震的发生地点和机理相同;通过改变活塞的运动规律,使活塞上行速度加快,在上止点附近停留时间变短,可以明显减小发动机的爆震倾向与爆震强度。利用优化的活塞运动规律,加上高达14的高压缩比,可以在一定程度上提升发动机的热功指示效率。     

火花点火式液压自由活塞发动机的模拟试验研究

使用液压快速压缩-膨胀机(RCEM)对火花点火式液压自由活塞发动机(SI-HFPE)的单次工作过程进行了模拟试验研究,研究了在使用甲醇燃料的情况下,液压源压力、点火提前相位、混合气浓度等因素对SI-HFPE活塞运动规律、放热率及指示效率的影响,提出了使用双火花塞同时点火方案。研究结果表明:SI-HFPE的实际压缩比主要受液压源压力和点火提前相位的影响,液压源压力越高或点火提前相位越小,则实际压缩比越大。在10MPa的驱动液压力下,使用双火花塞同时点火,调整合适的点火提前相位,指示效率可以大于45%,此时的实际压缩比达到18。     

不同喷油压力对汽油压燃中高负荷性能试验研究

基于一台改装后的压缩比为17的压燃式单缸发动机,展开不同喷油压力对汽油压燃燃烧模式发动机燃烧特性、爆震特性、效率特性和排放特性的研究,结果表明随着喷油压力的增加,缸内混合气形成速度加快,混合气着火时刻提前,燃烧持续期缩短,热效率呈现出先增大后略微降低的趋势。喷油压力的增加使得发动机爆震趋势增强,为降低最大压力升高率和爆震强度,采用推迟喷油策略,但高喷油压力下缸内燃烧对喷油时刻变得敏感,易产生较大的平均指示压力循环波动或爆震,燃烧控制难度增加。对不同喷油压力下爆震循环的缸压信号进行分析得出喷油压力对爆震频率无明显影响。喷油压力升高会使得未燃碳氢和CO排放降低,但同时也会使得NO_x排放增加。     

多点点火对高强化液压自由活塞发动机燃烧过程影响的仿真研究

利用CONVERGE仿真平台建立点燃式液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine,HFPE)三维仿真模型,并实时求解作用在活塞顶表面的压力,从而使缸内燃烧气体力和液压力耦合。在此基础上研究了增压多点点火HFPE的指示热效率情况。研究结果表明:采用多点点火能改善增压HFPE的指示热效率。采用多点点火之后,最佳指示热效率对应的压缩比变小。多点点火使增压比较大时的工况也呈现较高的指示热效率。采用多点点火后,高效区能够扩大到增压比为4以上。适当增加活塞组质量能够延长活塞在上止点附近停留时间,从而进一步提高指示热效率。     

SI燃烧过程优化途径的试验和仿真研究

在快速压缩-膨胀机上通过试验和仿真手段,研究了火花塞数目、活塞运动规律、压缩比对单次循环指示功和爆震倾向的影响。研究表明:使用多火花塞点火能缩短燃烧持续期和提高指示功,但是爆震倾向明显增加;提高活塞运动速度,减少活塞在上止点附近的停留时间,可以减少爆震倾向,但是相同条件下指示功有所降低;综合使用多火花塞点火,提高活塞运行速度和采用高达17.5的压缩比,可以提高指示功并抑制爆震,使SI燃烧过程得到优化。     

液压自由活塞柴油机控制参数影响特性试验

在研制的单活塞式液压自由活塞柴油机上开展了控制参数影响特性、启动特性及运行特性等规律性试验.结果表明:改变压缩压力可以实现压缩比的控制,随着压缩压力的增大压缩比将增大;循环喷油量、喷油正时和排气门正时等参数对自由活塞发动机的膨胀行程、压缩比和下止点位置等具有决定作用;频率控制阀信号脉宽影响发动机的启动过程,脉宽较小时会导致活塞运动速度减慢甚至启动困难.对其特性的研究结果表明:活塞运动规律呈明显的非对称性,膨胀行程用时较压缩行程短;缸内燃烧过程呈近等容燃烧;液压输出能量受单向阀响应性影响会损失掉一部分高压能.     

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%。     

四冲程自由活塞天然气发动机原理样机的试验研究与分析

在单缸四冲程自由活塞汽油机(free piston engine,FPE)原理样机试验基础上,为验证FPE多燃料可行性和仿真模型可靠性,并探索气体燃料在FPE中燃烧特性,设计了天然气供气系统,对FPE进行了多循环对比试验研究。结果表明:缸内峰值压力随压缩比增大而增大;输出功率随膨胀比增大而增大;FPE通过增大压缩比和膨胀比在由汽油改用天然气后动力性不再降低;与天然气在传统发动机中燃烧相比,FPE适当推迟点火定时可减小压缩负功;受初始设计活塞最大行程所限,一代原理样机试验性能未达最优,有较大提升空间。     

液压自由活塞发动机活塞运动规律动态仿真研究

为研究液压自由活塞发动机(HFPE)的活塞运动特性,建立了液压自由活塞发动机动态仿真模型,针对循环供油量、喷油定时、气门正时、压缩压力、负载压力等主要控制变量对活塞运动情况的影响进行了规律性研究.结果表明:各控制变量的变化影响活塞受力的变化,进而使活塞的下止点位置和压缩比发生变化,并影响发动机的正常运转和性能;循环油量与活塞膨胀行程长度、压缩能量与压缩比均近似呈线性关系;HFPE循环工作是一个多参数耦合和能量重新分配的复杂过程;执行器滞后引入的正时控制误差将是影响控制精度的重要因素.     

四气门发动机缸内空气运动的试验和多维数值模拟计算

在倒拖工况下对一台四气门火花点火式发动机缸内流场进行了试验研究。试验采用加长活塞结构及透明活塞顶,利用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）,对气缸轴线的速度分布进行了测量。结果表明：在进气过程中,气缸内产生了双涡结构;在压缩过程初期,由于从进气门经过排气门流入气缸的气流产生的涡旋逐渐增强,而从进气门侧缸壁直接流入气缸的气流形成的反向涡旋逐渐减弱,最后演变成了单一大尺度的滚动涡流;在压缩过程中后期,滚流经历了发展、衰减、畸变和破碎的过程。为了进一步理解滚流形成、发展及演变过程,对缸内流动过程进行了多维数值模拟计算,计算结果与实测分析结果基本一致     

Effect of fuel injection timing and injection pressure on performance in a hydrogen direct injection engine

The in-cylinder hydrogen fuel injection method (diesel engine) induces air during the intake stroke and injects hydrogen gas directly into the cylinder during the compression stroke. Fundamentally, because hydrogen gas does not exist in the intake pipe, backfire, which is the most significant challenge to increasing the torque of the hydrogen port fuel injection engine, does not occur. In this study, using the gasoline fuel injector of a gasoline direct-injection engine for passenger vehicles, hydrogen fuel was injected at high pressures of 5 MPa and 7 MPa into the cylinder, and the effects of the fuel injection timing, including the injection pressure on the output performance and efficiency of the engine, were investigated. Strategies for maximizing engine output performance were analyzed.The fuel injection timing was retarded from before top dead center (BTDC) 350 crank angle degrees (CAD) toward top dead center (TDC). The minimum increase in the best torque ignition timing improved, and the efficiency and excess air ratio increased, resulting in an increase in torque and decrease in NO_x emissions. However, the retardation of the fuel injection timing is limited by an increase in the in-cylinder pressure. By increasing the fuel injection pressure, the torque performance can be improved by further retarding the fuel injection timing or increasing the fuel injection period. The maximum torque of 142.7 Nm is achieved when burning under rich conditions at the stoichiometric air-fuel ratio.     

燃烧边界条件对乙醇均质压燃燃烧的影响

在一台由CA6110柴油机改造而成的单缸发动机上进行了燃烧边界条件对乙醇燃料均质压燃（HCCI）燃烧过程影响的试验研究。结果表明，在转速和进气温度一定时，随着过量空气系数的增加，着火始点推迟，燃烧持续期变长，缸内的最大燃烧压力降低，放热率降低，φ50（50％乙醇燃烧放热量所在的曲轴转角）位置推迟，燃烧效率降低；在发动机转速、进气温度和过量空气系数一定时，随着EGR率的升高，着火始点推迟，燃烧持续期延长，φ50位置推迟，放热速率降低，压力升高率变小，缸内最大燃烧压力减小，燃烧效率降低。在转速和供油量一定时，随着进气温度的升高，着火始点提前，燃烧持续期变短，压力升高率变大，缸内的最大燃烧压力变大。得到了发动机转速、过量空气系数和对应于最大指示热效率点的进气温度间的MAP图。     

超高滚流对高热效率汽油机燃烧过程影响研究

以某自然吸气高压缩比直喷汽油机为研究对象,利用一维软件和三维软件对汽油机的工作过程进行了数值模拟,探究了超高滚流进气系统在高热效率燃烧系统中对燃烧性能的趋势性影响。研究中设计了三款不同滚流比气道和四种计算方案,对不同计算方案的瞬态滚流比、瞬态湍动能、缸内速度场、当量比分布、放热率和缸内平均压力等进行了对比分析。研究结果表明:滚流比的大小影响缸内混合气的分布和湍动能的强度,较强的滚流比可以将更多能量保留到上止点附近,提高点火时刻缸内平均湍动能,从而影响缸内燃烧,进而影响发动机的性能;带凹坑的活塞形状设计可以使湍动能在不同滚流比下都保持在相对中心位置,使火花塞处在湍动能较高区域,有利于点火之后火焰的迅速传播;在此燃烧系统中,滚流比增大到一定程度后,缸内的平均压力峰值难再提高,对性能的增益已接近极限,过高的滚流比对发动机性能的提升已无明显作用。     

运行工况对基础燃料均质压燃燃烧过程影响的试验研究

在一台经改装的单缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值基础燃料下发动机转速对均质压燃（HCCI）燃烧特性、工况范围和排放特性影响的试验研究。研究结果表明：发动机转速升高,不同辛烷值燃料着火燃烧时刻推迟,以曲轴转角计算的燃烧持续期延长,高辛烷值燃料的缸内最大爆发压力和缸内温度降低;在中间转速,HCCI实现的最高平均指示压力最大,高转速工况,最高平均指示压力降低;对于低辛烷值燃料,转速对燃烧效率影响不大,转速升高,指示热效率增大;对于高辛烷值燃料,转速升高燃烧效率降低,指示热效率在中间转速最高,高转速降低。排放测试表明,转速升高使得HCCI运转的HC和CO排放都升高,NOx排放则逐渐降低。     

用汽油和甲醇燃油分层拓展HCCI燃烧高负荷的试验研究

在一台单缸HCCI发动机上研究了进气道喷射汽油缸内喷射甲醇形成汽油甲醇燃油分层的HCCI燃烧排放特性,探索了其拓展HCCI燃烧高负荷的潜力。试验结果表明:在汽油HCCI燃烧中喷射甲醇能够有效降低缸内混合气的温度,推迟着火时刻,延长燃烧持续期,从而降低压力升高率和缸内最高燃烧压力,有利于拓展HCCI燃烧高负荷。一定的HCCI负荷工况存在最佳的汽油甲醇比例,且汽油甲醇最佳比例随着负荷的增加不断减小。在最大压力升高率0.5MPa/°CA和较高的指示效率的限制下,自然吸气条件下采用汽油和甲醇燃油分层的HCCI燃烧最高负荷比汽油HCCI燃烧提高了近50%,达到0.62MPa。     

Applying the multi-zone model in predicting the operating range of HCCI engines

In this paper, a multi-zone model is developed to predict the operating range of homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines. The boundaries of the operating range were determined by knock (presented by ringing intensity), partial burn (presented by combustion efficiency), and cycle-to-cycle variations (presented by the sensitivity of indicated mean effective pressure to initial temperature). By simulating an HCCI engine fueled with iso-octane, the knock and cycle-to-cycle variations predicted by the model showed satisfactory agreement with measurements made under different initial temperatures and equivalence ratios; the operating range was also well reproduced by the model. Furthermore, the model was applied to predict the operating range of the HCCI engine under different engine speeds by varying the intake temperatures and equivalence ratios. The potential to extend the operating range of the HCCI engine through two strategies, i.e., variable compression ratio and intake pressure boosting, was then investigated. Results indicate that the ignition point can be efficiently controlled by varying the compression ratio. A low load range can be extended by increasing the intake temperature while reducing the compression ratio. Higher intake temperatures and lower compression ratios can also extend the high load range. Boosting intake pressure is helpful in controlling the combustion of the HCCI engine, resulting in an extended high load range.