直喷汽油机采用不同缸内稀释技术的性能研究

针对一款4缸1.5L废气涡轮增压缸内直喷汽油(GDI)发动机,进行了废气再循环(EGR)缸内稀释燃烧技术、空气缸内稀释燃烧技术与原机燃烧的经济性、排放特性对比试验研究。研究了不同缸内稀释技术对发动机性能和排放影响的变动规律,并对比分析了相同稀释率下、采用不同稀释技术时发动机的性能变化。结果表明:空气稀释率在49.5%时比油耗相比原机下降6.2%,而EGR稀释率在20.5%时经济性改善4.2%,在相同稀释率时,EGR稀释可采用更为提前的点火角实现更优的燃烧相位,但空气稀释所带来的多变指数提升使其经济性优于EGR稀释,且发动机燃烧系统对空气稀释程度具有更强的容忍性;NOx排放在空气稀释率为11.0%时达到峰值水平,随后随着稀释率的提高不断下降,而EGR稀释的NOx排放随着稀释率的提高持续大幅下降;空气稀释的CO排放水平远低于原机,EGR稀释的CO排放随着稀释率的增加而略有下降;对于HC排放,空气稀释的排放量低于EGR稀释,而当空气稀释率由49.5%增加为68.0%时,HC排放出现较大幅度上升。     

废气再循环率对高压缩比增压直喷汽油机燃烧与排放特性的影响

以一台采用废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）技术的增压直喷汽油机为研究样机，试验研究了高压缩比15.0时不同EGR率（0%、5%、10%、15%）下该机的燃烧和排放特性。研究结果表明，与常规的压缩比11.5相比，采用高压缩比15.0时，该机缸内最高燃烧压力升高，点火正时提前，燃烧持续期延长，平均指示压力变动系数增大，有效热效率显著提高；碳氢化合物（hydrocarbon,HC）排放和颗粒物数量增加，CO排放和颗粒物质量降低，NO_x排放略有升高。采用EGR技术能够有效抑制爆震和降低NO_x排放。相同工况下，随着EGR率升高，该机的燃烧持续期延长，平均指示压力变动系数增大，低负荷(制动平均有效压力（brake mean effective pressure,BMEP）为0.5 MPa)下的缸内最高燃烧压力逐渐下降，有效热效率变化不大。高负荷（BMEP为1.0 MPa）下的缸内最高燃烧压力先上升后下降，有效热效率整体呈上升趋势，高压缩比情况下该机EGR率为10%时的热效率最高，为38.45%;CO排放先减小后增加...     

EGR和稀燃对GDI发动机性能和排放特性的影响

稀燃和废气再循环(EGR)技术由于可以改善汽油直喷(GDI)发动机的燃油经济性而成为内燃机重要发展方向之一.通过GDI发动机台架试验,研究了EGR稀释、过量空气稀释(稀燃)和两种技术复合作用对发动机性能和排放的影响.结果表明:稀释率相当的条件下,化学计量比混合气下的EGR对燃烧持续期(CA0-10、CA10-50)和循环变动率(COV)的影响比过量空气稀释更显著,过量空气稀释时发动机的热效率明显高于EGR稀释时的热效率,过量空气稀释率为21.9%时,热效率升高6.3%.EGR稀释时,部分新鲜充量被非反应气体代替,导致氧体积分数明显降低.EGR与过量空气复合稀释时,热效率与过量空气稀释条件下的热效率接近,NO_x排放大幅降低,颗粒物数量(PN)排放与过量空气稀释单独作用时相当,颗粒物表面积浓度排放较低,颗粒物粒径小于EGR稀释和过量空气单独稀释时的粒径.     

过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响

在一台Ricardo Hydra单缸四气门汽油机上,利用气门重叠负角方法实现了均质充量压缩着火(HCCI)燃烧,并通过试验研究了过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响.研究结果表明,在相同的转速和气门相位角下,随着过量空气系数的增加,平均指示压力减小,缸内残余废气率也减小,但燃油消耗率的变化趋势与转速有关.在大多数工况下,过量空气系数为1.05时,HCCI发动机的着火时刻最早,燃烧持续期最短.过量空气系数对循环波动的影响与转速和气门相位角有关.随着转速的增加,循环波动增大.     

乙醇汽油点燃压燃模式颗粒物排放特性试验

为了获得点燃压燃(SICI)模式下乙醇汽油颗粒物排放的规律，通过一台直列4缸汽油缸内直喷(GDI)发动机，研究了空气稀释和废气稀释条件下SICI模式颗粒物数量(PN)的排放特性，探究了乙醇体积分数对PN排放的影响．结果表明：控制点火时刻可以直接调节爆震强度及燃烧相位；在过量空气系数为1.0和1.2工况下，使用体积分数少的乙醇汽油会导致核态PN排放的大幅增加；强爆震会导致核态与凝聚态PN排放急剧恶化，但其粒径分布向凝聚态偏移；中等负荷下废气稀释对燃烧的抑制作用占主导，爆震强度和PN排放降低，小负荷下废气稀释对瞬时放热率和缸内压力影响相对较小，但核态PN排放大幅增加；从降低PN排放的角度，乙醇汽油更加适合一定程度稀燃、中等比例废气再循环(EGR)策略调控下的SICI燃烧．     

高/低压EGR对汽油机和增压器影响的试验研究

在一款涡轮增压汽油缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)汽油机上进行了高压(HP)废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)和低压(LP)EGR对发动机和增压器性能影响的试验研究。分别对比了HP EGR和LP EGR系统在外特性和部分负荷工况对发动机燃烧、油耗、进排气的影响及增压器相应的工况变化,并分析了出现这些变化的原因。结果表明,汽油机EGR系统能够优化缸内燃烧,减少泵气损失,从而降低油耗。低压EGR系统在部分负荷工况热效率比高压EGR更高,主要原因为低压EGR系统的涡轮增压器可利用的尾气能量更多,且进入发动机的废气温度较低,能进一步优化缸内燃烧。     

电控五气门汽油机稀燃与废气再循环性能对比研究

在一电控喷射稀薄燃烧五气门汽油机上，以稀薄燃烧汽油机电控开发系统及相应的废气再循环系统为试验平台，对五气门汽油机在各种进气模式下实施稀混合气燃烧及废气再循环时的燃油消耗率和排放性能进行了详细的试验研究，进而对本发动机的稀燃性能与废气再循环性能进行了比较，分析实施不同方法对发动机性能的不同影响效果，实验结果表明，采用分层EGR技术以后，EGR比率可达32％，稀燃和分层废气再循环都有效地降低了NOx排放，分层废气再循环对NOx降低的效果更为明显，而且降低速度更快，尤其在中、低负荷，可以使排气中的NOx降低85％～95％．对于油耗，稀燃的效果显然要好于废气再循环，在较高负荷尤为明显，稀燃可显著降低HC、CO，分层EGR对HC、CO排放降低幅度不大。     

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。     

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。     

汽油机废气滚流分层技术对燃烧排放特性影响的研究

为了充分利用废气分层技术,实现既改善排放又降低能耗的目的,对汽油机滚流分层技术的燃烧、排放特性随废气再循环(EGR)率的变化规律进行了研究。根据缸内温度的变化,探讨了废气再循环(EGR)率对发动机排放的影响;根据缸内示功图和燃烧放热率的变化,分析了燃烧持续期、燃烧规律等有关因素对发动机经济性的影响。此外,还讨论了调整点火正时的必要性,以及在最佳点火正时条件下发动机燃油经济性和排放特性。研究主要集中在中速、低负荷工况,结果表明,提出的分层方式可将废气再循环率提高20％,并且在不影响CO、HC排放的情况下大幅度降低NOx排放,结合点火正时的调整,功率输出大约可提高7％。     

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．     

进气压力对柴油机低温燃烧的影响

通过改变进气压力,研究了不同EGR率下的燃烧和排放特性.结果表明,除了温度和压力之外,过量空气系数对滞燃期也有较大的影响.随进气压力变大,Soot峰值升高,对应的EGR率也增大,在相同的Soot排放时,可以选择更大的EGR率以进一步降低NOx排放.虽然低温燃烧解决了NOx和Soot之间的Trade-Off,但产生了燃油经济性、CO和THC排放与Soot之间的Trade-Off.对整个EGR率进行了分区,通过中等EGR率和高EGR率性能和排放对比,从工程应用角度来看,对Soot-Bump之前的中等EGR率低温燃烧区域进行燃烧优化将是满足未来排放法规的重点.     

废气再循环方式对汽油机燃烧和颗粒排放特性的影响

研究了不同废气再循环(EGR)方式下,汽油机的燃烧与颗粒排放特性.结果表明,由进气道引入废气的分层废气再循环(分层EGR)方式与由节气门前引入废气再循环(总管EGR)方式相比,汽油机稳定燃烧的EGR率范围大,而且前者比后者的汽油机指示热效率高.在相同负荷下,分层EGR方式下汽油机连续循环中各个循环的指示平均有效压力比总管EGR方式下的更加集中,前者的燃烧更稳定.两种EGR方式下汽油机排气中单位体积内的核态颗粒物和表面积数随着EGR率的增加而降低,而且在相同EGR率下,分层EGR方式下的值比总管EGR下的值高.单位体积内积聚态颗粒物数和总表面积随着EGR率的增加,先减少后增加,但在相同EGR率下,分层EGR方式下的值要比总管EGR下的值低.     

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。     

EGR率对柴油机低温燃烧滞燃期影响的试验研究

根据缸内压力求得缸内平均温度和放热规律,分析了进排气系统的O2体积分数、燃烧始点、喷油始点和终点的温度、压力对低温燃烧早喷射和晚喷射两种情况下滞燃期的影响,早喷射和晚喷射一样随着废气再循环(EGR)率的增大而延长了滞燃期。早喷射的滞燃期要短于晚喷射的滞燃期,因此为了能够让空气与燃油有更多的时间混合,早喷射比晚喷射需要更大的EGR率。但随着大量EGR的加入,过量空气系数不能反映混合气中O2体积分数,滞燃期与混合气温度、压力和O2体积分数有关,在影响低温燃烧滞燃期的因素当中,温度对滞燃期的影响最为明显。     

不同EGR形成方式对汽油机性能影响的仿真研究

利用GT-Power软件仿真探讨了降低排气门升程、提前和推迟排气正时、提前进气正时4种方式形成的内部废气再循环(EGR)对汽油燃烧和性能的影响。仿真结果表明,随着内部EGR率的增加,4种方式的发动机燃烧重心均推迟,燃烧持续期均延迟。但4种方式在形成相同的内部EGR率时,提前进气正时使发动机燃烧重心推迟更明显,燃烧持续期增长也更多,缸内燃烧温度最低,因此传热损失也最小,另外提前进气正时后泵气损失也最小,所以提前进气正时形成的内部EGR油耗更低,减少了22%。     

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%。     

LP-EGR对增程器GDI汽油机燃烧和排放的影响

为进一步降低燃油消耗率和有害排放,开发增程器专用发动机,在一台缸内直喷(GDI)汽油机上选取增程器的3个运行工况点,开展了当量比燃烧模式下的低压废气再循环(LP-EGR)试验研究.结果表明:随着废气再循环(EGR)率的增加、点火时刻的推迟,缸内压力和放热率峰值降低且推迟,燃烧持续期延长,缸内燃烧由爆震逐渐过渡到失火,NOx排放降低.随着EGR率的增加,HC排放升高,CO和PM排放降低.点火时刻对HC、CO和颗粒物(PM)排放的影响规律随EGR率的变化而不同.引入EGR前、后的颗粒物总数量(PN)浓度值均在较低的数量级(105/cm^3).3个工况点综合优化后的最低有效燃油消耗率为219.1 g/(kW·h),较原机降低了7.75%.     

EGR对可变压缩比SI发动机燃烧及排放特性的影响

基于一台可变压缩比火花点火(SI)单缸发动机,在不同废气再循环(EGR率为0~20%)、不同压缩比(8、9、10和11)下,对发动机燃烧和排放特性进行对比分析.结果表明:随着EGR率的增大,滞燃期和燃烧持续期变长,瞬时放热率曲线峰值减小并后移,缸内压力和最高平均燃烧温度降低.而增大压缩比则使滞燃期和燃烧持续期变短,缸内压力和燃烧温度升高.同时,NOx排放随EGR率的增大而降低,当压缩比为9时,20%,EGR率比无EGR时降低了92%,但随着压缩比增大NOx排放增多.CO和HC排放在EGR率较小时无明显变化,但随压缩比增大而减小,当EGR为5%,时,CO和HC排放最高降低7.8%和27%.     

EGR对增压进气道喷射汽油机的影响研究

通过对某款直列四缸涡轮增压进气道喷射(PFI)汽油机加装低压废气再循环(EGR)回路,研究了不同EGR率对汽油机的燃烧、泵气损失、排放、油耗等方面的影响。试验过程中保持供油量和理论当量空燃比不变。研究结果表明:汽油机在燃烧过程引入低压EGR,能够减少其固有的泵气损失;排气内的CO含量有所下降,但缸内出现了容积淬熄使排气内HC含量有所升高,而燃烧效率有一定提高;EGR降低了燃烧温度,使得NO_x排放明显下降;应用合适EGR率并配合合适的点火角,能够有效地提高汽油机的热效率。