进气压力和进气温度对低负荷火花辅助汽油压燃的影响

在一台由6缸重型柴油机改造而成的单缸试验机上,研究了进气压力及进气温度对低负荷火花辅助汽油压燃的影响。研究结果表明,各进气压力下喷油与点火正时都需保持合理间隔才能实现稳定燃烧,提高进气压力后稳定燃烧的喷油正时范围变窄而点火正时范围略有扩大;随进气压力提高,火焰传播放热速率降低,自燃放热比例增加,最大压升率减小;提高进气压力后指示热效率提高,在35 mg循环油量下,最大指示热效率从自然吸气下的41.8%提高至140 kPa进气压力的44.4%。适当提高进气温度可以提高缸内热氛围和燃烧稳定性,在保持最大指示热效率基本不变的同时拓宽稳定燃烧的喷油正时区域,但高的进气温度加快了火焰传播速度,在点火正时较早时会导致压升率过高。     

进气温度对HCCI发动机燃烧及排放的影响

本文应用Chemkin软件对基础燃料(Primary Reference Fuel,PRF)氧化燃烧的化学动力过程进行了理论研究,模拟了正庚烷、汽油双燃料均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)发动机的燃烧过程,研究了进气温度对HCCI燃烧及排放的影响,分析了优化燃烧与排放的基本方法。     

进气压力对汽油低温压燃的影响

在一台装有电液可变气门的单缸柴油机上,通过改变进气压力,研究了不同喷油正时和内部废气再循环(EGR)率下汽油压燃的燃烧特性和排放特性,并对实现汽油燃料高效清洁稳定低温燃烧(如平均指示压力循环波动系数5%,NOx排放低于0.4g/(kW·h),烟度低于0.1FSN,CO和HC排放尽可能低)的控制区间进行了探索研究。内部EGR通过排气门两次开启实现,发动机转速和循环喷油量分别固定为1 500r/min和28mg。研究结果表明,基于燃油早喷、较低内部EGR率和适量进气压力(0.12MPa)的协同控制可以使辛烷值为93的汽油在平均指示压力约为0.47MPa的工况下实现高效清洁燃烧。     

汽油压燃发动机燃烧特性和污染物排放的试验研究

基于一台2.0 L柴油发动机,在1 500 r/min、平均有效压力（brake mean effective pressure, BMEP）0.4 MPa~0.9 MPa工况下进行了汽油压燃（gasoline compression ignition, GCI）和柴油压燃（diesel compression ignition, DCI）的燃烧和原始污染物排放的对比研究。此外,基于6个全球轻型车统一测试循环（worldwide harmonized light vehicle test cycle, WLTC）聚类工况点,进行了三元催化器（three-way catalyst, TWC）和稀燃NO_x捕集器（lean NO_x trap, LNT）或被动选择性催化还原器（passive selective catalytic reduction, PSCR）组合的污染物后处理方案的研究。研究结果表明：在负荷较低时,由于油气过度混合,缸内温度低,GCI的有效热效率低于DCI。随着负荷的提高,相比DCI,GCI的热效率明显改善,有效热效率最多提升至约43.0%。不同负荷下,相比DCI,GCI的NO_x排放略微下降,碳烟烟度（filter smoke number, FSN）显著下降;相比DCI,GCI的CO排放和HC排放在低负荷时大幅提高,但随着负荷提高,GCI的CO排放和HC排放与DCI的差距减小。基于某款车型实际测试的WLTC循环的6个聚类点对NO_x、HC、CO污染物排放的后处理进行评估,GCI发动机采用TWC+LNT/PSCR的后处理方案在满足国六b排放法规方面具有一定的潜力。     

进气温度和过量空气系数对乙醇均质压燃燃烧过程的影响

在一台经过改进的CA6110发动机上,进行了进气温度和过量空气系数对乙醇燃料均质压燃燃烧过程影响的试验研究．结果表明,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,指示效率提高,平均指示压力升高．当进气温度一定时,随着过量空气系数的减小,着火始点提前,燃烧持续期逐渐变短,压力升高率变大,缸内的最大燃烧压力变大,指示效率增加．     

不同进气温度条件下燃料特性对均质压燃燃烧过程影响的试验研究

为了研究不同进气温度(Tin)条件下燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧特性、工况范围和排放特性的影响,在一台改装的4缸直喷柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)、汽油和含氧燃料的进气加热发动机试验.结果表明,Tin较低时,PRF着火时刻最早,缸内最大爆发压力和峰值放热率最高,其次是汽油和含氧燃料,但Tin较高时,则是汽油燃料着火时刻最早,燃烧效率和能够实现的最高指示效率最高;Tin升高,所有燃料主燃烧着火时刻提前,缸内最大爆发压力和燃烧效率升高,HCCI正常运转工况范围向小负荷区域拓展,但Tin对指示效率的影响与燃料的RON有关.排放测试表明,Tin升高,所有燃料的HC和CO排放均降低,Tin较高时,燃料特性对两者的影响减小;Tin高于363 K时,汽油的HC和CO排放均最低;Tin和RON都相同,汽油燃料的Nox排放值相对较高,Tin对所有燃料的Nox排放的影响均不明显.     

氢气直喷对发动机燃烧及排放性能的影响

基于一台高压直喷汽油机,将汽油直喷喷射器替换为氢气直喷喷射器,试验研究了发动机燃用氢气与汽油时的燃烧和排放特性差异。采用空气稀释,进一步分析了氢气发动机稀薄燃烧模式下热效率提升潜力及氮氧化物排放特性,明确了氢气燃料对发动机燃烧及污染物排放的影响规律。结果表明,当量燃烧模式下,相比汽油发动机,氢气发动机的燃烧持续期明显缩短,有效热效率降低,NO_x排放升高,CO及总碳氢（total hydrocarbon, THC）排放显著降低。提高氢气发动机的过量空气系数有助于改善有效热效率。在中等负荷工况下,过量空气系数为2.7时有效热效率可达43.5%。增大过量空气系数,氢气发动机能够在保持较高燃烧稳定性的情况下显著降低NO_x排放。在低负荷工况下,当过量空气系数大于2.3时NO_x排放最低可降低至44×10^-6。     

汽油压燃发动机的爆震特性试验

汽油压燃(GCI)发动机由于具有高热效率和低污染物排放的特性而受到广泛的研究,但在发动机中、高负荷下,GCI发动机往往存在较高的压力升高率和压力震荡.采用统计研究、燃烧分析和小波变换等方法针对GCI压力震荡现象进行了系统的分析,并与点燃式(SI)发动机压力震荡的特征和产生原因进行了对比.结果表明:GCI燃烧产生的压力震...     

后喷策略对汽油压燃燃烧及碳烟排放的影响

针对大负荷条件下汽油压燃碳烟排放高的问题,基于三维流体力学软件CONVERGE开展了汽油压燃燃烧及碳烟生成氧化过程影响的数值模拟,系统研究了在废气再循环(EGR)结合气道喷射(PFI)情况下,后喷策略对大负荷条件下汽油压燃燃烧过程及碳烟生成氧化过程的影响规律和机制.研究结果表明,在复合喷射策略条件下,后喷使主喷油量减少...     

聚甲氧基二甲醚和汽油双燃料火花辅助压燃燃烧及排放试验研究

试验平台基于汽油缸内直喷（gasoline direct injection, GDI）发动机改造,缸内直喷聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ether, PODE）,进气道喷射汽油,并将压缩比从10提升至15以利于压燃,以点火和直喷策略作为控制参数,获取双燃料火花辅助压燃（dual-fuel spark-assisted compression ignition, DF-SACI）发动机的运行特征。试验结果表明：DF-SACI呈现多阶段放热,直喷正时提前可提高混合气均匀性,减小不同燃烧阶段的界限,放热率明显提高;直喷比例可以更为有效地调节CA50和等容燃烧的比例,对热效率影响明显;同时放热率受点火正时提前的影响最小。试验中有效热效率最高可达37.5%。排放方面,DF-SACI模式在合适的点火和喷射策略下,可在一定程度上降低HC和CO的排放,HC体积分数可降低至3 00010^-6以下,CO体积分数可降低至1 50010^-6以下,同时将NO_x排放控制在较低水平。通过对燃烧策略的合理调整,PODE/汽油双燃料发动机借助火花辅助压燃可实现高效清洁燃烧。     

混合燃烧时汽油含量对发动机燃烧和排放的影响

在高压共轨增压中冷压燃式柴油机上加装汽油进气道喷射系统,试验研究汽柴油混合燃烧时汽油的质量分数对发动机燃烧和排放的影响。结果表明:发动机转速为1738 r/min时,随着汽油质量分数的增加,不同负荷下发动机的燃烧呈现不同的趋势,滞燃期变长,燃烧持续期变短,发动机燃烧的等容度和最大压升率增加;随着汽油质量分数的增加,碳烟和NO_x的排放大幅度减少,但是HC和CO的排放大幅升高,需加装柴油氧化催化(diesel oxidation catalyst,DOC)以降低HC和CO的排放。     

喷油策略对汽油压燃燃烧及碳烟生成过程影响的数值模拟研究

基于三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE,耦合甲苯掺比燃料(toluene reference fuel,TRF)简化动力学机理及多步现象学碳烟模型,建立汽油压燃(GCI)的数值模拟模型。通过改变气道喷射比例、主喷时刻和预主喷间隔研究了高负荷条件下气道喷射结合缸内直喷的喷油策略对GCI燃烧及碳烟生成过程的影响。研究结果表明,增加气道喷射比例、提前主喷时刻和增大预主喷间隔都能够缩短燃烧持续期,使放热更为集中,从而降低碳烟排放;改变气道喷射比例对碳烟成核及表面生长有较大的影响,主喷时刻提前能够提高氧化速率。当气道喷射比例为40%,主喷时刻为-8°,预主喷间隔为15°时,碳烟排放为0.015 1g/(kW·h),相比试验基准工况降低了33.8%,而最大压升率也控制在可接受的范围内。     

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。     

早喷和气道喷射对汽油压燃燃烧和排放特性影响的研究

在一台经改造的单缸试验发动机上开展了早喷和气道喷射对汽油压燃低负荷工况燃烧和排放特性影响的试验研究。采用的两种喷射策略分别为早喷结合主喷及气道喷射(PFI)结合主喷。研究的喷射参数包括早喷时刻、早喷比例和气道喷射比例。结果表明:早喷和气道喷射的燃油主要影响后期的燃烧放热过程,燃烧始点和燃烧过程前期的快速放热部分主要受主喷控制。早喷和PFI油量喷射比例增大时,着火推迟,燃烧相位推后,NOx排放降低,后期燃烧速度提高,燃烧持续期缩短,燃烧终点提前。早喷造成的湿壁会降低燃烧效率,增加未燃碳氢化合物和CO的排放。     

缸内直喷汽油机HCCI燃烧对压缩比和辛烷值的适应性研究

在缸内直喷汽油机（GDI）上采用多次燃油喷射和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了SI/HCCI复合燃烧方式。研究了不同压缩比和辛烷值对均质混合气压燃（HCCI）燃烧排放特性的影响。结果表明,汽油HCCI燃烧呈现单阶段燃烧燃料特性,HCCI着火发生在上止点附近时油耗低。低压缩比下,HCCI燃烧可以在较浓空燃比下工作,NOx排放较高。高辛烷值燃料HCCI燃烧可运行的负荷范围窄。汽油HCCI发动机在偏高压缩比条件下燃用偏低辛烷值汽油可以获得较好的经济性和排放性能。     

汽油压燃发动机中燃烧化学动力学特性的模拟

利用PRF70掺混燃料作为汽油表征燃料进行仿真研究,将三维计算软件CONVERGE和Chemkin结合,研究了汽油压燃燃烧反应过程的主要放热反应并对其进行了相关的化学反应路径分析。结果表明:在汽油压燃燃烧反应过程中,不同反应对总放热率的贡献不同,由HCO+O_2CO+HO_2、CH2O+OHHCO+H2O、CH2CCH2OH+O_2CH2OH+CO+CH2O是燃料燃烧过程中对放热贡献最大的3个反应,其放出的热量远大于其他反应;汽油压燃燃烧反应过程中参与夺氢反应的自由基主要有4种,分别是HO_2、OH、H、O,在不同曲轴转角处上述4种自由基参与夺氢反应的重要性不同,HO_2夺氢反应所占比例始终领先其他3种,H、O参与的夺氢反应所占比例随曲轴转角的增加而增加,相应的OH参与夺氢反应所占比例减少;汽油压燃燃烧反应过程中,随着曲轴转角的变化,缸内温度升高,异辛烷发生高温裂解的比例增加。     

喷油策略对汽油压燃颗粒物排放特性的影响

在一台单缸柴油机上研究了喷油参数(预主喷间隔角、预喷比例、主喷时刻和喷油压力等)对汽油压燃(gasoline compression ignition,GCI)颗粒物排放特性的影响。研究结果表明:喷油策略对缸内油气混合及进一步对燃烧过程的影响是其影响颗粒物排放特性的主要因素。在设定的研究工况下,随预主喷间隔角增大,积聚态颗粒数量浓度下降,但核态颗粒数量浓度基本不变,颗粒物中的核态和超细颗粒比例明显升高;增大预喷比例,核态颗粒和积聚态颗粒数量浓度均大幅降低,颗粒物中的核态和超细颗粒比例变化较小;主喷时刻提前,颗粒物数量浓度下降,平均粒径减小,数量浓度峰值向小粒径方向偏移;提高喷油压力可有效降低积聚态颗粒数量浓度,缩小缸内生成颗粒物的粒径范围,但对核态颗粒的数量浓度影响较小。     

进气温度对乙醇均质压燃过程的影响

论述了利用速压机进行的进气温度对乙醇均质压燃性能影响的研究,混合气进气温度的提高将促使燃烧始点提前;随着进气温度的提高,最高燃烧爆发压力提高,最高爆发压力产生的时间提前;进气温度的提高也引起了燃烧过程压力升高率增大,最大压力升高率的时间提前;进气温度越高放热量曲线越陡,达到最大放热量所用的时间也越短,最大放热量也越高;混合气温度的升高也带来了最高放热率增大的效果;此外,随着混合气进气温度升高,燃烧最高温度也相应提高.     

93RON汽油多段预混压燃模式的燃烧与排放特性

在一台压缩比为18.5的柴油机上,研究了喷油定时和共轨压力对93RON汽油多段预混压燃(MPCI)模式性能的影响。MPCI是自主研发提出的一种新型内燃机燃烧模式,通过在压缩上止点前后按照"喷完再燃,燃完再喷"的原则组织多次汽油类燃料的缸内喷射来实现依次进行的预混或准预混压燃过程。同时研究了不同首喷定时下0#柴油的两段压燃模式。结果表明:93RON汽油MPCI模式具有更低的指示油耗率、碳烟和CO比排放,以及同0#柴油两段压燃类似的THC比排放,但NO比排放略高。此外,在较高轨压下,93RON汽油MPCI模式具有比0#柴油单次喷射模式更低的指示油耗率及NO、碳烟和CO比排放,但THC比排放略高。     

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.