压缩比对增压柴油机低负荷经济性的影响

以4108增压柴油机为研究对象,采用AVL-boost发动机性能仿真软件分析了压缩比对增压柴油机气缸压力和低负荷经济性能的影响。研究结果表明,提高增压柴油机的几何压缩比能够有效改善低负荷工况的经济性,压缩比由17.5提高到20.0时,在25%负荷下,指示燃油消耗率降低约2.2%,在15%负荷下,指示燃油消耗率降低约2.67%;提高增压柴油机几何压缩比的程度,受限于高负荷工况运行的可靠性。     

基于理论循环的汽油机EGR技术节油机理

基于一台1.3,T小型涡轮增压汽油机,采用低压废气再循环(EGR),通过调整节气门开度、点火正时以及进气可变气门正时(VVT)对燃油消耗率进行优化,在小、中和大3种负荷分别得到了2.4%,、4.7%,和13.2%,的燃油消耗率改善.结合一维仿真,分析了引入EGR后不同因素对燃油经济性改善的贡献程度,得到结论:在小负荷对节油率的贡献主要来自于传热损失的降低,中负荷来自传热损失的降低和等容度的提高,而大负荷则是由于等容度的提高.针对等容度评价,提出了一种理论模型将其量化比较,发现受到燃烧持续期以及燃烧重心的共同影响,小负荷时EGR优化燃油消耗率后会略微降低原机在该工况下的等容度,中负荷和大负荷则有不同程度的提升,大负荷的提升程度为16.0%,明显大于中负荷时的2.4%,.     

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。     

高压缩比湍流射流点火发动机负荷拓展及性能优化

稀薄燃烧可以提高发动机效率并降低排放，而湍流射流点火(TJI)是一种能够实现稀薄燃烧稳定点火的技术．笔者基于一台压缩比为13.0的单缸、四冲程汽油机，开展了TJI汽油机小负荷和大负荷极限的拓展研究，并结合试验提出一种全负荷运行策略．在大负荷拓展方面，采用进气增压的策略；在小负荷拓展方面，对比了质调节和量调节两种方式．结果表明：进气增压可拓展TJI发动机的大负荷极限，增压后发动机指示平均有效压力(IMEP)上限可以拓展至1.06 MPa，且指示燃油消耗率(ISFC)降低．小负荷运行工况下，量调节方式在燃油经济性与排放方面均明显优于质调节，主要因为过于稀薄的混合气不利于火焰传播，小负荷工况下需保证一定的混合气浓度以实现高效燃烧．最后，提出一种不同负荷的运行优化策略以实现TJI发动机在全负荷工况下高效运行.     

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。     

燃烧系统参数对增压中冷柴油-天然气双燃料发动机排放特性和经济性影响的实验研究

将一台6缸、增压中冷柴油机改装为混合器进气方式的柴油—天然气双燃料发动机，对其燃烧系统参数对双燃料发动机排放和经济性的影响进行了实验研究，包括引燃柴油喷油时刻、天然气替代率、中冷后进气温度的影响。双燃料发动机的排放与空燃比及燃烧系统参数密切相关。替代率增加时，排气烟度降低，HC排放升高，当量燃油消耗率升高，CO排放在替代率较小时随替代率增加而升高，但在替代率较高时随替代率增加而略有降低。替代率对NOx排放的影响则与发动机工况有关，在最大转矩和低速大负荷工况，空燃比值较小，NOx排放随替代率的升高而增大；在标定功率工况，空燃比较大，NOx排放随替代率的升高而减小。提前角减小，NOx排放降低。中冷后温度升高，碳烟排放和NOx排放升高，HC和CO排放降低，当量燃油消耗率降低。研究结果表明，采用增压中冷技术、提高CNG替代率、减小引燃柴油喷油提前角，能够有效地降低双燃料发动机的有害排放物。     

电增压及废气再循环共同作用下对降低汽油机燃油消耗率的试验研究

为降低增压米勒循环发动机燃油消耗率,对一台1.5L增压直喷汽油机进行改制,提高其压缩比与进气滚流,进行了电动增压与废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)降低燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)的试验研究。试验结果表明:高压缩比EGR方案能大幅降低发动机燃油消耗率,燃油消耗率下降5.0%～13.6%。最高有效热效率达到41.2%,这主要得益于传热损失、换气损失的减少和膨胀做功的增加。提高EGR率能减少传热损失与提前燃烧重心,这是燃油消耗率降低的主要原因。提高EGR容忍度的关键是优化燃烧组织以减小点火滞燃期和燃烧持续期。     

天然气-汽油双燃料发动机燃烧特性试验研究

为了探究天然气-汽油双燃料燃烧模式在现代发动机上的适用性及潜在优势,基于一台增压直喷发动机结合进气道喷射天然气和缸内喷射汽油,开展了不同负荷、过量空气系数和天然气替代率下天然气-汽油双燃料燃烧特性试验研究。结果表明,低负荷固定转矩工况下,随着天然气质量流量增加,发动机最高燃烧压力提高,燃烧相位提前,循环变动降低,且在稀燃条件下尤为明显。中等负荷固定转矩工况下的燃烧特性变化规律与低负荷工况相似,而在高天然气替代率、稀燃条件下有效热效率随天然气质量流量增加明显提高。高负荷节气门全开工况下,尽管发动机最大转矩有所下降,但爆震起点和强度得到有效抑制,燃烧相位也明显改善,因此可以通过增压来弥补发动机功率不足的问题。     

VVL米勒循环协同燃烧边界对增压直喷发动机部分负荷有效热效率影响

在一台表征现阶段水平的增压直喷汽油机上,开展VVL米勒循环策略与关键燃烧边界协同性对发动机燃烧热效率及部分负荷燃油经济性的试验研究。结果表明:VVL米勒循环可有效降低发动机泵气损失。在转数为2 000 r/min、负荷BMEP为0.2 MPa工况下,VVL米勒循环泵气损失改善约14%;VVL米勒循环需协同优化燃烧系统,提升湍动能水平削弱其不利影响;考虑高能点火系统能耗,对2 000 r/min、负荷BMEP为0.2 MPa工况下,BKC高能点火系统对BSFC改善不明显,但可改善COV_(IMEP)。在转速为2 000~3 000 r/min以下、负荷BMEP为0.2~0.4 MPa时,VVL米勒循环对燃油消耗率降幅约为2%~5%。     

重型柴油机二级增压系统匹配仿真研究

为了降低重型柴油机的燃油消耗率,采用GT-POWER软件建立仿真模型,在一台单级可变截面涡轮增压器（variable geometry turbocharger, VGT）柴油机上开展了二级增压匹配与增压系统参数优化工作。仿真结果表明,所提出的二级增压系统在匹配点能够以最高效率运行,在全工况都能提供足够的进气流量;完全关闭低压级废气旁通阀,正交优化高压级废气旁通阀开度和米勒循环度,能够进一步降低二级增压发动机的燃油消耗率;降低级间中冷温度能够降低泵气损失,提高增压压力,温度由100℃降至50℃在标定点能够使燃油消耗率降低约3 g/（kW·h）。对二级增压及参数优化工作的燃油消耗率改善效果进行了试验验证,低速工况燃油消耗率整体有所下降,高效点燃油消耗率下降4.1%。     

可变几何排气管增压系统在船用发动机上的模拟试验研究

可变几何排气管增压系统通过安装在排气管上的可控阀门来实现增压方式的转换,它能够较好的实现船用发动机高低转速工况的兼顾.笔者对自己提出的一种新型的适用于船用8缸机的可变几何排气管增压系统进行了模拟试验,并与原机MIXPC增压系统进行了对比分析.结果表明:新设计的可变几何排气管增压系统阀门开关的切换点负荷为85%;各个负荷的涡前排温比原机都有明显下降;在负荷25%阀门关闭时燃油消耗率比原机下降18,g/(kW.h),在负荷100%阀门打开时燃油消耗率和原机水平相当.     

EGR和主喷定时对重型柴油机燃烧特性与排放的影响

通过两级增压共轨重型柴油机重点研究废气再循环(EGR)和主喷定时对发动机燃烧特征参数与排放特性的影响.结果表明:随EGR率增加(NOx降低),整个燃烧持续期增加,主要由燃烧放热后半期延长所致,中、小负荷燃烧持续期增量小于大负荷,同时中、高转速大负荷燃烧持续期增量小于低速大负荷;在同一运行工况上存在一最优循环累积放热量达到总放热量50%,时所对应的曲轴转角(CA,50)和燃烧持续期,此时热效率最高.采用EGR降低NOx时不可避免增加燃烧损失,使CA,50尤其是燃烧持续期偏离最佳经济区,导致热效率下降;实现等NOx排放时,推迟主喷定时可有效降低低速大负荷碳烟(soot),改善NOx-soot的trade-off关系.在高转速大负荷时,推迟主喷定时会使soot先降后升,且导致燃油消耗率(BSFC)明显增加;进气温度升高会导致NOx与soot和BSFC之间trade-off关系变差,但合理推迟主喷定时可同时削弱进气温度对NOx-soot和NOx-BSFC的trade-off关系影响.     

富氧燃烧对柴油机工作特性影响的试验研究

在一台增压柴油机上进行了富氧进气的试验研究,并在此基础上采用EGR技术,研究不同进气氧浓度下EGR率对柴油机排放特性的影响,以期改善柴油机NOx和碳烟的权衡关系。研究表明:富氧进气柴油机在同一进气氧浓度下,其有效燃油消耗率随着负荷的增加而明显减小;同一负荷时有效燃油消耗率随着氧浓度的升高而稍有降低。在富氧燃烧的基础上,引入EGR可以实现柴油机的烟度和NOx排放的同时降低,其关键是在一定的工况点匹配与之相适合的EGR率。当2 200 r/min全负荷工况下,进气氧浓度21%与EGR率20%组合、氧浓度22%与EGR率50%组合,烟度和NOx排放降低比例分别达到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。     

Atkinson循环汽油机热力学性能模拟开发及试验研究

对东风汽车某自然吸气发动机的仿真模型进行试验对标,根据阿特金森循环的原理对发动机模型进行压缩比和配气相位的优化计算,最后对原发动机进行改装并开展了性能验证试验。研究结果表明:改进后样机在满足动力性能要求的条件下,中低转速的燃油消耗率相比原机得到了较好的改善,其中部分负荷特征工况点的燃油消耗率降低约2%~4%。     

柴油机二级可调增压系统高海拔标定试验

通过内燃机高海拔模拟试验台进行了二级可调增压柴油机不同海拔和工况性能试验,研究了高压级可变截面涡轮增压器(VGT)叶片开度对二级可调增压柴油机性能的影响,得到了不同海拔全工况VGT叶片最佳开度脉谱.结果表明:在不同海拔下,大负荷工况VGT叶片最佳开度随转速增加逐渐增大,中、小负荷工况VGT叶片最佳开度随转速增加先减小后增大;随海拔升高,相同工况下的VGT叶片最佳开度逐渐减小;与单级增压柴油机相比,海拔5.5,km二级可调增压柴油机最大转矩和标定功率分别提高了11.0%,和11.8%,,低速转矩平均提高了31.1%,,适应性系数提高了19.2%,,最低燃油消耗率和低速时燃油消耗率分别降低了4.8%,和15.3%,;不同海拔高、低压级增压器与柴油机的联合运行线均位于压气机较高效率区.     

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。     

葡萄糖水溶液乳化柴油在发动机上的试验研究

使用复配乳化剂通过适当的乳化工艺制备了不同配方的葡萄糖水溶液乳化柴油,并与纯柴油在135柴油机上做了一系列对比试验,研究了发动机燃用不同燃料的燃油经济性和排放特性.试验结果表明:在柴油机参数不作改变的情况下,燃用葡萄糖水溶液乳化柴油可降低发动机的当量燃油消耗率和碳烟排放,在中低负荷时NOx排放量也显著降低,大负荷时CO排放量略有减少,但HC排放在所有负荷工况下都增加;添加助燃剂二茂铁后可进一步改善发动机的燃油经济性和排放特性.     

丁醇柴油对发动机性能的影响研究

按照体积分数配制出不同配比的丁醇柴油,并在一台双缸直喷式柴油机上,对燃烧不同配比丁醇柴油时发动机的燃油经济性和排放性进行了试验。研究结果表明:在柴油机参数不做改变的情况下,燃烧丁醇柴油的当量燃油消耗率变化不大,颗粒排放显著减少,但HC排放明显增加;CO排放量在小负荷时略有增加,而在中高负荷时明显降低;NOx排放量在中小负荷工况下都有明显降低,但在大负荷工况下有所增加。     

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.     

废气稀释和滚流比对汽油机部分负荷燃烧特性的影响

在一台1.8,L汽油机上,研究了部分负荷工况下引入均质废气稀释与提高滚流比对发动机燃油经济性及燃烧特性的影响.其中高滚流比通过进气歧管上的可控翻板实现,并在气道稳流试验台上进行了流动特性试验.结果表明,通过引入废气稀释可以有效改善燃油经济性,燃油消耗率最高可降低18.2%.但过多的废气会使燃烧恶化,带来循环变动升高、总燃烧期延长和燃烧效率下降等问题.将高滚流比与废气稀释相结合,有效弥补废气对燃烧造成的不良影响.滚流比提高后,最大爆发压力与压升率均有明显提升,最高提升幅度分别为24.5%和116.7%,同时循环变动降低.