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。     

高压缩比下扫气式预燃室湍流射流点火对废气再循环稀释汽油机性能影响研究北大核心CSCD

基于一台可调压缩比(compression ratio,CR)的单缸发动机和自主设计的湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)系统,开展高压缩比下扫气式预燃室湍流射流点火对废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)稀释汽油机性能影响的研究。研究发现在高EGR率时,扫气式TJI的点火方式燃烧稳定性最高,可以在EGR率超过30%时实现稳定燃烧。提升压缩比对提升TJI在高EGR率下的燃烧稳定性有积极作用,然而对提升高EGR率下火花塞点火(spark ignition,SI)的稳定性作用不大。对于TJI,在低EGR率时提升压缩比会造成发动机强烈爆震,过于推迟点火造成燃烧定容度下降,燃油消耗率上升。在高EGR率时,发动机爆震受到抑制,可以提前点火优化燃烧相位,降低燃油消耗率,在压缩比15时最低燃油消耗率相比压缩比11时降低2.2%。高EGR率时,提升压缩比有利于提升燃烧速率,降低滞燃期和燃烧持续期,提升发动机燃烧稳定性。在EGR率为30%而压缩比为15时,逐渐提前点火时刻会加大末端混合气自燃倾向,放热率出现两阶段高峰。     

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%。     

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。     

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%.     

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%。     

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.     

EGR冷却温度对重型柴油机性能及排放的影响

以一台配有废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)冷却系统和可变几何截面涡轮增压器的高压共轨重型柴油机作为研究对象,进行了EGR冷却温度对柴油机性能及排放影响的台架试验研究。结果表明:随着EGR冷却温度降低,柴油机燃油消耗率、烟度和NOx排放均持续降低。而EGR冷却温度每降低1℃,柴油机燃油消耗率、烟度和NOx排放在不同转速、负荷下降幅差异明显。燃油消耗率在中等转速、低负荷工况降幅最大,NOx排放和烟度在高转速、低负荷工况下降幅最大;在考虑到EGR冷却系统消耗的能量后,可以通过计算得到理论燃油消耗率。在兼顾燃油消耗率和排放性的原则下得到了各工况下EGR相对最优冷却温度,而所得到的相对最优EGR冷却温度正是各个试验工况下理论燃油消耗率最低的温度。     

稀燃及废气再循环提高增压汽油机热效率的对比研究

在一台直列4缸增压直喷汽油机上针对万有特性最低油耗工况点,进行了稀薄燃烧与废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)提高发动机热效率的对比试验研究。试验结果表明:稀薄燃烧及EGR均能有效降低发动机燃油消耗率,稀释率分别为33%和19%时,采用稀燃和EGR时的最高有效热效率绝对值分别增加2.8%和1.7%,其中稀燃的有效热效率达到了39.9%,稀燃实现更高热效率主要归因于较低的传热损失和未燃损失。从燃烧角度来看,稀燃及EGR稀释都延长了燃烧滞燃期及持续期,但同样稀释率下稀燃的滞燃期更短,稀燃更高的稀释极限实现了更低的传热损失;但EGR抑制爆震,提前燃烧相位,使采用EGR时的排气能量损失低于稀燃。从排放角度来看,稀燃及EGR在高稀释率下均显著降低NO_x排放,而受益于高氧气浓度,相同稀释率下稀燃的HC及CO排放均低于采用EGR时,从而使稀燃的未燃损失更低。     

高低压EGR系统对低速柴油机性能和排放影响的研究

以某型6缸低速二冲程柴油机为研究对象,建立GT-POWER一维仿真模型,研究高、低压EGR系统对柴油机性能及排放的影响。研究结果表明:随着EGR率的上升,高压EGR系统中压气机运行点从中心高效区向低效区和流量减小的方向移动,而低压EGR系统的流量和压比变化较小;高压EGR系统缸内压力始终低于低压EGR系统,在低负荷时,导致燃烧速度和放热率峰值低于低压EGR系统;燃油消耗率随着EGR率的增加呈上升趋势,当EGR率增加到一定程度时燃油消耗率上升更明显,并且高压EGR系统燃油消耗率明显高于低压EGR;两种EGR系统都能降低NO_x排放,但相同EGR率时,高压EGR系统NO_x减排效果更好。     

扫气口角度和涡流比对船用柴油机性能的影响

利用Converge软件建立某大缸径低速二冲程船用柴油机的三维数值仿真模型,仿真研究扫气口水平倾角对柴油机性能的影响,并解耦涡流比的单独影响机理。结果表明：扫气口水平倾角过大或过小均导致缸内产生回流区及新鲜空气过早溢出,降低扫气效率;与原机水平倾角为15°时相比,当扫气口水平倾角为10°时,有效燃油消耗率和NO_x排放均降低;在合理范围内增大涡流比可有效改善油气混合均匀性和燃烧过程;与原机涡流比为4.5时相比,涡流比为20.5时燃油消耗率降低5.09%,燃油经济性明显改善;但涡流比过大对燃油消耗率的改善较小,同时导致壁面传热损失较大,因此涡流比应控制在20.5以下。     

气道喷水和废气再循环对重型柴油机性能和排放影响的优化匹配试验研究

在一台高压共轨重型柴油机上开展了气道喷水结合高压废气再循环(EGR)的试验研究。基于世界统一稳态测试循环(WHSC)各工况点探索引入高压EGR和气道喷水技术对柴油机排放和燃油经济性的影响;在此基础上对各工况的燃烧相位进行优化,得到WHSC各工况点下基于喷水和EGR的优化策略。结果表明:综合考虑排放和燃油经济性,低负荷工况宜单独引入高压EGR,并通过提前喷油时刻(start injection timing,SOI)优化燃烧相位;中高负荷工况宜少量喷水并引入适当EGR,满负荷则应单独采取气道喷水策略。WHSC加权结果表明,在保持较低的HC、CO和碳烟排放前提下,优化后的加权NOx比排放降低7.71g/(kW·h),降幅约45.2%,有效燃油消耗率降低约1.20g/(kW·h)。     

稀释燃烧对高压缩比直喷汽油机性能的影响

为探究稀释燃烧改善发动机性能的潜力，通过一台1.5 L高压缩比增压直喷汽油机开展台架试验，对比研究了空气稀释、废气再循环(EGR)稀释及复合稀释燃烧在不同稀释程度下对中速、中负荷工况下发动机性能的影响规律．结果表明：稀释燃烧延长了燃烧持续期，降低了有效燃油消耗率(BSFC)，减少了发动机传热损失，并降低了CO排放，稀释方式不同会导致HC和NO_x排放随稀释率的变化规律不同，但在高稀释率下，相比无稀释燃烧，HC排放升高，NO_x排放降低；相较于EGR，空气稀释对燃烧的抑制更弱，稀释边界更宽，BSFC降低效果更好，CO与HC排放显著更低，未燃损失更低，NO_x排放更高，且这些规律在相同稀释率、不同EGR占比的复合稀释燃烧的性能参数变化中同样存在，但有效热效率在过量空气系数φa=1.34、EGR率约为5%(稀释率为1.4)时达到最高，这与排气损失更低有关，此时相较原机，BSFC降低了5.7%,NO_x降低了33%，均比φa为1.40时的降幅更大，证明了复合稀释燃烧具备更强的节能减排潜力．     

辛烷值对汽油机性能的影响

在国-Ⅲ和国-Ⅳ汽油机上研究了辛烷值时汽油机动力性、燃油经济性、排放性能和燃烧特性的影响.试验结果表明:过高辛烷值会降低燃油经济性,尤其在中低负荷,97号汽油的有效燃油消耗率相对90号汽油最大升幅迭6.5%;提高辛烷值使带爆震控制系统的国-Ⅳ汽油机动力性得到改善,97号汽油的输出扭矩相对于90号汽油最大升幅达4.6%,但对未带爆震控制系统的国-Ⅲ汽油机动力输出无明显变化;而且高辛烷值会增加THC排放.通过示功图分析表明,高辛烷值汽油会抑制燃烧速率,使燃烧等容度降低,造成油耗和THC排放升高.     

新型轴针式喷油嘴的研究

降低柴油机中、小负荷时燃料消耗率对改善柴油机使用经济性,降低燃油消耗量有重要意义。作者在分析X105系列柴油机工作过程特点的基础上,设计了一种喷孔流通截面渐扩型轴针式喷油嘴。试验证明,这种轴针式喷油嘴用在X105系列柴油机上改善了中、小负荷时的燃油经济性,减少了排气中HC 的含量。在S195涡流室柴油机上的试验结果表明,也能改善其中、小负荷的燃油经济性。柴油机的燃油消耗率,在标定负荷时比较低,在中、小负荷时比较高。主要作为农用、车用、工程机械等用途的X105系列柴油机,有相当长的时间在中、小负荷下工作,所以降低其中、小负荷的燃油消耗率是目前迫切需要解决的问题。改进其供油系统,使喷油嘴的喷雾特性符合中、小负荷燃烧过程的要求是降低其中、小负荷燃油消耗率的一个重要措施。     

多次点火对喷雾引导分层稀薄燃烧性能的影响

在一台喷油器中置的单缸直喷汽油机上,基于2,000,r/min、平均指示压力(IMEP)为0.3,MPa的工况,研究了多次点火技术对喷雾引导分层燃烧性能的影响.基于NI Com Pact RIO开发了一套单缸机控制系统,成功实现多次点火并应用于试验.结果表明:多次点火技术增加了点火次数和点火能量,改善了分层燃烧的稳定性.在相同的喷油开始时刻(SOI)为50°,CA BTDC时,多次点火的稳定点火窗口比单次点火增加了15°,CA.此外,多次点火能拓展分层燃烧的EGR率容忍度.随着EGR率的提高,分层燃烧相位推迟,燃油消耗率及排放可以得到优化.相比单次点火,在SOI为50°,CA BTDC、点火时刻(IGN)为40°,CA BTDC时,其EGR率上限可以从15%,拓展到22%,,指示燃油消耗率(ISFC)降低约3%,,NO_x排放降低约20%,;在EGR率同为15%,时,其THC排放降低约10%,,CO排放降低约8.3%,.     

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%。     

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%。     

废气再循环对车用汽油机热功转换过程的影响

为提高车用汽油机部分负荷下的燃油经济性,探讨了废气再循环(EGR)对汽油机热功转换过程的影响。基于某款汽油机的性能试验数据,搭建并标定其仿真模型,研究了多种部分负荷工况下EGR对汽油机性能的影响。结果表明:就换气循环而言,随着EGR率的增大,进气压力增大,泵气平均有效压力(PMEP)减小,未冷却的EGR对PMEP减小的幅度更大;就高压循环而言,燃烧温度下降导致传热损失下降,从而使高压循环热效率增加。由缸内热平衡分析可知,有效热效率的提高主要依赖于缸内传热损失的减小,其次才是泵气损失的减小。在1 300r/min、0.295MPa时,采用20%的EGR率可以使有效热效率提升4.5%。