火花助燃CAI混合燃烧控制

针对汽油机CAI燃烧面临的主要难点--着火时刻控制、运行工况范围狭窄及燃烧模式转换问题,在CAI发动机运行负荷上边界采用火花助燃的方法,可灵活控制CAI发动机在负荷上限运行时的燃烧相位,抑制大负荷时CAI燃烧所遇到的爆震和小负荷时的燃烧不稳,可以拓展CAI运行的工况范围.点火时刻、缸内残余废气率和有效压缩比都对火花助燃CAI燃烧过程有重要的影响.通过对缸内残余废气快速管理,可以有效控制SI和CAI燃烧所占的比例.     

火花点火对缸内直喷汽油机HCCI燃烧的影响

实现汽油机均质混合气压燃(HCCI)的难点是着火控制。在缸内直喷汽油机上实现了HCCI燃烧,研究了火花点火对HCCI燃烧特性的影响。结果表明,HCCI燃烧方式较火花点火(SI)火焰传播燃烧方式放热速率快,热效率高,NOx大幅度降低。在HCCI临界状态时,火花点火有助于提高燃烧稳定性,抑制失火和爆燃,降低循环波动;当火花点火时缸内温度远超过临界着火温度时,火花点火对HCCI燃烧影响不大。火花点火在SI／HCCI燃烧模式切换工况时,能提高瞬态过渡平顺性。     

火花点火激发自燃着火稳定燃烧边界条件的试验

火花点火激发自燃着火(SIAI)燃烧具有火花点火和自燃着火两段着火特性,能够有效控制燃烧过程的压升率,可以显著拓展HCCI燃烧方式的可适用负荷范围.但SIAI燃烧的稳定燃烧比较困难,需要对混合气状态进行精确控制.在一台双缸汽油机上通过控制进气温度和喷油量实现了对混合气状态和能量密度的灵活控制,研究了SIAI稳定燃烧的边界条件.结果表明,SIAI燃烧的稳定实现需要满足:理论空燃比附近的空燃比以保证点火稳定;压缩上止点处的混合气温度在950～1,050,K内以保证自燃的实现;压缩上止点处混合气能量密度在12.5～22.5,MJ/m3内以实现自燃并抑制爆震.     

火花点火式发动机燃用甲醇—氢混合燃料燃烧的试验研究

本文对火花点火单缸试验机燃用甲醇燃料的燃烧特性作了研究。根据甲醇燃料汽化潜热大,着火温度高,冷起动困难等特点,提出了在甲醇—空气混合气中添加少量氢气,作为助燃剂,以寻求火花点火发动机燃用甲醇代用燃料的途径。试验表明,这样做改善了甲醇燃料的燃烧性能,提高了发动机的热效率、经济性和排放特性。     

JCCI发动机全工况燃烧和排放特性研究

将一台单缸农用柴油机压缩比降至12,在缸盖上增加一个带液化石油气(LPG)供给通道和火花塞的点火室,将其改造为射流控制压缩着火(jet controlled compression ignition,JCCI)发动机,研究了全工况范围点火正时和负荷对JCCI发动机燃烧可控性的影响。试验结果表明:在大多数工况范围内,柴油预混合气的燃烧始点相位θ_(10)和燃烧中点相位θ_(50)随点火正时单调变化,且滞燃期对负荷不敏感,说明其着火相位可以通过点火正时直接控制;在接近全负荷工况时,滞燃期迅速缩短,部分柴油提前发生自燃,射流对着火相位的影响减弱;在大多数工况范围内,NO_x和碳烟排放均较低,且对点火正时敏感,减小点火提前角可以显著降低NO_x和碳烟排放,但是HC和CO排放较高。     

辅助火花点火对DME微引燃汽油稀释复合燃烧的影响

DME(dimethylether,二甲醚)微引燃汽油稀释复合燃烧模式,可以实现汽油机高效低温燃烧.但是在DME总热值比受限条件下,废气稀释存在极限条件,限制了经济性的进一步提升.为提高稀释燃烧经济性,采用火花点火可以提升集聚型DME微引燃相对燃烧速度,可以提高离散型DME微引燃绝对燃烧速度.研究结果表明:火花点火对两种微火源引燃都具有促进作用,在离散型微火源策略中采用火花点火对经济性提升更明显,相对于火花点火辅助集聚型微引燃可提高3.88%.     

双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究

从热力学和内燃机燃烧的基本理论入手 ,推导了计算分析双燃料发动机缸内工质成分和热力学参数的计算关系式以及求解双燃料发动机燃烧放热规律的微分方程式 ,基于面向对象技术开发了双燃料发动机燃烧放热规律计算软件。研究结果表明 :用传统柴油机分析方法计算双燃料发动机的放热率峰值偏小 ,所计算的缸内工质平均温度偏高 ,新模型计算的结果与实际情况更为吻合。该分析软件可以适用于多种燃料发动机 ,是内燃机燃烧放热规律的通用计算软件。双燃料发动机燃烧特性研究表明 :双燃料发动机初始放热率比纯柴油大 ,若着火始点在上止点后 ,双燃料缸内最大爆发压力比纯柴油低 ,否则比纯柴油高 ;控制双燃料发动机着火始点是控制缸内最大爆发压力和 NOx 排放的关键 ,双燃料发动机着火始点应在上止点后 ,可以使发动机爆发压力和 NOx 排放比纯柴油低。     

射流控制压缩着火正时可控性试验

预混合压燃发动机能够实现低PM、低NO_x排放和高热效率,但着火正时的可靠控制仍是其应用的主要障碍.射流控制压燃(JCCI)通过点火室火焰射流控制主燃烧室着火正时,这种控制方式直接有效、环境适应性强.通过一台改装的重载发动机对JCCI工作过程进行了试验,验证了JCCI控制着火正时的原理,研究了点火室点火正时、进气温度和EGR率对JCCI工作过程的影响.结果表明:JCCI的主燃烧室着火直接受控于点火室点火;相同点火正时条件下,进气温度为60～80℃时的CA 10变化只有2°CA,因而着火正时控制鲁棒性好;加入EGR率能够降低JCCI燃烧速率和燃烧噪声,但会造成热效率降低以及HC和CO排放升高.     

火花点火发动机着火延迟期,燃烧持续期及NOx排放的数值模拟预测

本文介绍了火花点火发动机着火延迟期、燃烧持续期及ＮＯｘ排放的数值计算方法，并结全准维湍流卷吸模型进行了数值计算。文中给出了准维模型的计算与试验结果，并分析计算了若干发动机运行参数对着火延迟期、燃烧持续期及ＮＯｘ排放和平均指示压力的影响。结果表明，根据准维模型建立的着火延迟期、燃烧持续期及ＮＯｘ排放计算式有较清晰的物理意义，对分析、理解火花点火发动机燃烧与排放形成有一定的参考价值。     

不同EGR方法对柴油燃料HCCI燃烧影响的探讨

研究了内部EGR和外部EGR模式对柴油燃料HCCI燃烧的影响。随着内部EGR率的增大,HCCI燃烧的着火始点提前,在相对较小的负荷下,-40°CA气门重叠期的着火始点比-20°CA气门重叠期的着火始点提前5~7°CA,内部EGR的加热作用大于其对混合气的稀释作用;内部EGR增大有利于均质混合气的形成,使柴油燃料HCCI燃烧的烟度排放减小,但使低NOx排放的负荷范围减小;外部EGR起到了推迟着火始点的作用,是一种有效的扩展运行范围负荷上限的方法。     

火花点火激发均质压燃(SICI)组合燃烧的试验研究

均质混合气压燃(HCCI)燃烧高负荷拓展是内燃机燃烧领域的一个难题.在缸内直喷汽油机(GDI)上采用EGR、火花点火和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了3种燃烧方式:HCCI、火花点火激发均质压燃(SICI)组合燃烧方式、火花点火(SI)燃烧方式,研究了不同EGR率和点火提前角对SICI燃烧排放特性的影响.结果表明,汽油SICI组合燃烧方式呈现明显的两阶段燃烧特性,调整点燃放热比例可以实现HCCI燃烧向高负荷拓展(最大平均有效压力为0.82 MPa),同时能获得较低的NOx排放和高的热效率.     

Part-load characteristics of direct injection spark ignition engine using exhaust gas trap

Internal exhaust gas recirculation (EGR) is an effective strategy to reduce pumping loss and improve fuel economy using mixture dilution than traditional external EGR. In this paper, the internal EGR was obtained by exhaust gas trap (EGT) using the negative valve overlap (NVO) method. The effects of EGT on the part-load characteristics, including energy conversion, combustion and emission characteristics were studied in a direct injection spark ignition (DISI) engine. The experimental results showed that EGT can save fuel consumption by 5–16% due to reduced pumping loss and improved combustion efficiency, while it also can increase the engine cyclic variation and combustion duration. The engine cyclic variation increases with increasing of the EGT level; this can be overcome by advancing spark timing to stabilize the combustion. The flame propagation and compression combustion occurred simultaneously when high EGT level and high compression ratio were adopted; the combined combustion can reduce combustion duration but increase the engine cyclic variation. The stratified mixture using the two-stage injection strategy can reduce the engine cyclic variation and shorten the combustion duration so as to improve the thermal efficiency. Moreover, the second injection mass ratio and timing take an important effect on the combustion and emission characteristics in DISI engines using EGT strategy.     

在汽油机上实施HCCI的技术策略

均质混合气压燃(HCCI)燃烧方式，是一种克服常规柴油机和汽油机缺点、集常规汽油机和柴油机优点于一体的新概念燃烧。本文分析了汽油机实施HCCI的可行性，介绍了HCCI发动机实用化所面临的问题，提出了双工作模式的折衷方案：在中低负荷工况实施HCCI，而在大负荷工况和冷起动工况恢复常规发动机工作方式。推荐可变压缩比(VCR)方案、可变废气再循环率(EGR)方案、可变排气门关闭时刻方案，以及废气再循环滚流分层充气方案等。为尽快在汽油机上实施HCCI燃烧方式指出了技术方向。     

高压中冷EGR对直喷增压发动机油耗影响的试验研究

基于某一直喷增压发动机,研究了EGR对发动机小负荷油耗的影响。结果表明：在改善油耗方面,原发动机使用进气门晚关策略优于使用内部EGR策略;在低转速小负荷工作区域,外部中冷EGR对油耗的贡献主要来自于降低了泵气功,但是过多的EGR气体引入容易导致燃烧不稳;使用高压EGR时,最佳的进排气VVT角度与无EGR时相同。     

EGR对减少UHC和CO排放的影响与分析

分析了二冲程均质发动机UHC和CO的来源,介绍了一种能够大幅度降低UHC和CO的方法.试验是在二冲程发动机怠速废气再循环量较大情况下进行的,怠速时,通过在SI二冲程发动机上增加EGR,发现UHC从7 800×10-6降低到3 000×10-6,CO从3%降低到0.2%,循环变动也减小了.EGR中的活性物质与新鲜充量充分反应改善了预燃过程.由此证明,可以通过增加EGR实现发动机稳定运行,并在当量比和稀燃条件下得到了同样结果.试验表明,UHC和CO主要来自余隙中的残余燃料,说明燃烧温度不是影响UHC和CO的主要因素,决定因素是第一阶段燃烧前缸内发生的预燃反应程度.活性物质的重要性已被试验证实,试验中用氮气和空气代替EGR稀释混合气,发现火花点火在EGR中是可行的,在空气和氮气中却不行.     

汽油机均质压燃燃烧模型及其在CAI发动机模拟中的应用

通过分析4冲程HCCI／CAI燃烧特性，以大量的CAI燃烧示功图数据为基础，总结出一个适用于描述CAI燃烧速度的经验函数．将该函数应用于GT-Power模拟软件，并结合自行开发的凸轮型线自动生成模块，研究了进、排气门定时及升程等参数对CAI燃烧的影响，以及拓展CAI运行范围的途径．结果表明，排气门升程对平均指示压力(IMEP)的影响比进气门升程要大，较大的排气门升程有利于大负荷工况，在大进气门升程时，由于进气回流导致负荷减少．     

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。     

排气门二次开启影响汽油CAI燃烧的数值模拟

基于装置了电控液压无凸轮轴气门机构的单缸发动机,使用一维发动机循环模拟软件GT-Power与CHEMKIN软件,建立了汽油CAI发动机内部EGR的循环模拟模型。通过模拟计算,分析了排气门二次开启对内部EGR率的影响规律。模拟结果表明：当排气门二次开启角度单独变化时,随着排气门二次开启角度增大,EGR率先增加后减小。当进气门关闭角单独变化时,EGR率随着进气门关闭角的提前,呈先减小后增加的趋势。联合使用以上两种策略,可以将实现CAI燃烧的EGR范围扩大。研究结果也表明,适量的EGR有利于CAI燃烧的实现,过低或过高都将导致失火,在不同的转速下EGR率的分布也不相同。     

基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究

在电控气口喷射四冲程单缸试验机上,利用特殊设计的小包角配气凸轮,通过负气门重叠角实现了由内部残余废气控制的汽油HCCI燃烧,详细研究了气门定时参数对HCCI燃烧的影响.结果表明,就进排气门定时比较而言,排气门关闭时刻对内部EGR率和负荷的影响更大,而进气门开启时刻对HCCI燃烧的影响相对较小.在进排气门相位对称条件下,随着气门重叠负角的减小,最大压力升高率增加,着火时刻提前,负荷也增大.随着转速的增加,内部EGR率增加,排气温度升高,着火时刻也提前.通过调整气门定时,在不需要进气加热的条件下,可在转速880～4 000 r/min,负荷0.25～0.75 MPa（pIMEP）的范围实现HCCI燃烧.