分层当量比混合气抑制爆震的燃烧排放特性研究

针对汽油缸内直喷式(GDI)发动机,利用两次喷射策略形成分层当量比混合气抑制爆震的思路进行了研究,着重分析了两次喷射策略中第二次喷射时刻和比例对燃烧、爆震和排放的影响,并对比了分层当量比混合气与传统的推迟点火时刻和加浓混合气抑制爆震方法的燃烧排放特性差异.研究结果表明:分层当量比混合气能够实现抑制爆震的效果,且浓区混合均匀时可减弱分层对燃烧效率和平均指示压力的降低;分层当量比混合气可利用三效催化剂高效地降低HC、CO和NOx的排放;分层混合气会由于混合不均造成碳烟生成,分区均质的分层混合气组织形式将有助于降低分层带来的碳烟排放;分层当量比混合气抑制爆震可减弱推迟点火时刻对负荷的降低;与加浓抑制爆震方法相比,可显著提高燃油经济性并降低排放.     

直喷增压汽油机扫气条件下喷油策略对超级爆震的影响

在缸内直喷汽油机上,将扫气和两次喷射相结合,研究在扫气条件下燃油策略对超级爆震抑制作用及对发动机经济性和排放性的影响。试验中制定了一种考虑发动机实际运行工况的超级爆震的试验测试程序。在不同喷油策略下发动机超级爆震工况点的试验结果表明:采用一次喷射策略,不同的燃油喷射角对性能影响很大,燃油喷射角过于提前,会产生油束与活塞顶面碰壁现象,推迟燃油喷射角可以降低碳烟排放。采用两次喷射相对一次喷射,碳烟排放可更进一步降低,输出转矩变化不大。两次喷射中二喷油起始角对超级爆震十分敏感。采用两次晚喷的分层模式会增大超级爆震频次,采用两次早喷的均质模式能减少超级爆震频次。     

增压直喷汽油机超级爆燃研究

缸内直喷和增压已成为当今汽油机技术的主流方向,然而,随着发动机小型化和动力性的提高,增压直喷汽油发动机出现了一种新的异常燃烧现象——超级爆燃,其严重影响着发动机性能和使用寿命。根据国内外超级爆燃的研究现状,在典型增压直喷汽油机上对不同的超级爆燃抑制方法进行了研究。结果表明:加浓、二次喷射、冷型火花塞都能够抑制超级爆燃。     

增压直喷汽油机超级爆震研究进展

缸内直喷和增压已成为当今汽油机技术的主流方向,然而,随着发动机小型化和动力性的提高,增压汽油直喷发动机出现了一种新的异常燃烧现象——超级爆震,严重影响着发动机性能和使用寿命。本文根据国内外超级爆震的研究现状,阐述了超级爆震的产生机理和检测方法,从发动机及其零部件设计参数、运行参数、控制参数以及燃油和机油品质等方面,分析了影响超级爆震的因素,给出了缓解和抑制超级爆震的措施。     

增压直喷汽油机超级爆震工况多次喷油策略优化

在1台增压直喷汽油机上试验研究了不同喷油策略对发动机排放、油耗和超级爆震的影响规律。结果表明,相比单次和二次喷射,采用合理的三次喷射策略:适当的后2次喷油占比(0.5)、进气行程进行第2次喷射(上止点前240°曲轴转角(CA))以及推后的第3次喷射结束角度(上止点前80°～90°CA),能有效降低粒子数量(PN)、总碳氢(THC)排放以及比油耗,并抑制超级爆震的发生。     

小型二冲程发动机电控汽油喷射分层扫气系统的研究

为减少小型二冲程发动机扫气短路损失,降低发动机的油耗和排放,研究开发了二冲程发动机电控汽油喷射分层扫气系统,并阐述了该系统的工作原理,通过对５０ｍＬ发动机原机,进气管电控喷射和电控汽油喷射分层扫气系统３种方案的对比试验,讨论了不同负荷时分层扫气系统对发动机性能的影响,表明电控汽油喷射分层扫气系统能够低发动机油耗２５％－４０％,ＨＣ排放４０％以上,但ＣＯ排放有明显上升。     

增压直喷乙醇-汽油发动机超级爆震模拟

采用在压缩行程上止点前向燃烧室内直接喷入一定量机油液滴,模拟了悬浮在燃烧室内的机油液滴引燃可燃混合气诱发低速早燃(LSPI)现象的过程.试验验证了选用的计算模型及计算方法的可行性后,数值模拟了不同低速运转条件下、不同乙醇掺混比(体积分数)的乙醇-汽油混合燃料时,小缸径增压直喷发动机燃烧室内由机油液滴引发的低速早燃现象以及后续的超级爆震过程.结果表明:乙醇掺混比分别为10%和20%(E10、E20)时,发动机缸内依次发生了超级爆震燃烧;当乙醇掺混比为30%(E30)时,即使发生了早燃现象(1 200 r/min)并导致随后的爆震燃烧,但压力升高幅度明显降低,此时没有发生超级爆震燃烧;随着发动机转速提高(1 600 r/min),使用E30燃料时发动机缸内也仅发生了早燃现象,而没有发生爆震燃烧;当乙醇掺混比高于50%(E50)后,不同工况条件下发动机缸内已经没有低速早燃现象.使用乙醇-汽油混合燃料的小缸径增压直喷发动机在超级爆震发生前一定有低速早燃现象发生,但低速早燃现象不一定导致超级爆震过程.     

增压发动机取消机油冷却器的研究

随着国家对油耗法规的逐步加严,现代社会对传统汽车的动力性、燃油经济性以及排放性能要求越来越高,发动机小型化、增压化已成为发动机发展的方向,强化的发动机会引起发动机油温度过高,因此增压发动机普遍装有机油冷却器。本文通过对增压发动机取消机油冷却器前后对发动机各维度的影响进行研究,重点探讨机油冷却器取消对发动机热管理、热怠速、爆震、油耗排放的综合影响。通过试验发现:取消机油冷却器后,发动机整体水温有3℃的降低;带机油冷却器的热怠速机油压力与取消机油冷却器后的机油压力基本持平;取消油冷器后发动机爆震有所增强,油耗排放均有所劣化。我们为增压发动机油冷却器的开发提供支持。     

分层混合气拓展汽油HCCI发动机高负荷的模拟研究

为了孤立研究混合气中的温度、燃油浓度和EGR组分分层对HCCI燃烧高负荷拓展的影响,建立了CFD软件耦合化学动力学的HCCI发动机模型,研究了各种分层对汽油HCCI发动机的燃烧和排放的影响规律.模拟结果表明:温度分层可以有效降低压力升高率,具有拓展负荷的潜力;燃油浓度分层会造成NOx排放恶化,应该避免;EGR组分分层能够有效抑制燃烧和NOx排放,与温度分层组合拓展负荷效果显著.在最大压力升高率为0.5 MPa/℃A以及NOx排放200×10-6的限制下,自然吸气式汽油HCCI发动机,通过分层混合气空间优化,IMEP最大可以拓展到0.56 MPa.     

进气增压拓展汽油HCCI发动机高负荷的试验研究

在1台四冲程汽油缸内直喷式发动机上研究了进气增压对HCCI高负荷拓展的影响.试验结果表明,HCCI发动机所能达到的最大IMEP从自然吸气条件下的0.41 MPa升高到增压条件下的0.74MPa.随着增压压力的增大,燃烧持续期明显拉长,燃烧温度大幅度下降,NOx排放大幅度降低.但在高增压低负荷下,由于混合气过稀,HCCI燃烧恶化,CO排放大幅度升高.     

低压冷却EGR增压汽油机准维爆震模型

针对发动机概念设计一维性能仿真优化阶段爆震约束问题,使用末端混合气自着火延迟期积分法,提出一个同时考虑温度、压力、EGR率和空燃比影响的爆震预测模型.通过一台带冷却废气再循环(EGR)系统的增压汽油机进行爆震试验,使用滤波法和图像处理方法提取爆震特征.采用绝热压缩求解每个爆震循环末端混合气温度,并探讨比热比的影响以及比热比求解方法对末端混合气绝热压缩温度的影响.结合多岛遗传算法对爆震模型系数进行标定,并对比改进后的新模型与Hoepke模型的预测性能.结果表明:升高进气温度或加浓混合气都会减小混合气比热比,而引入冷却EGR则会增加混合气比热比.采用定值比热比得出的末端混合气温度会大幅高于变比热比得出的末端混合气温度.Hoepke模型在非理论空燃比下预测误差偏大,重新优化后的误差仍然较大.改进后的考虑多参数影响的爆震模型预测性能较好,在不同发动机之间能保持较好的适应性.     

高效Atkinson循环TGDI发动机作为传统动力的研究

基于涡轮增压缸内直喷(TGDI)发动机,采用高几何压缩比和大范围可调的可变气门正时(VVT)机构,选择合适的阿特金森(Atkinson)循环率,在兼顾高负荷动力性的同时降低部分负荷的油耗,以解决阿特金森循环发动机动力性不足的问题。制作样机并进行台架试验,研究了阿特金森循环对发动机换气过程的影响和燃油经济性的改善效果及阿特金森循环对排放和动力性的影响。结果表明:阿特金森循环可以容忍更大的几何压缩比以提升热效率,同时有利于降低部分负荷下的泵气损失并提高低负荷时的燃烧稳定性,可降低油耗、颗粒物排放及高负荷时的爆震倾向;但进气门关闭推迟会严重影响发动机的动力性能,因此需要降低高负荷时的阿特金森循环率并提高增压压力。     

利用废气滞留改善缸内直喷汽油机部分负荷性能的研究

废气滞留比传统的废气再循环具有更好的稀释和加热混合气作用,有利于减小汽油机中小负荷泵气损失,降低油耗.在一台缸内直喷汽油机(GDI)上对比研究了部分负荷下利用负阀重叠(NVO)产生废气滞留对于发动机性能的影响.结果表明,利用废气滞留方法可使发动机油耗降低5%～16%,并且随着负荷减小节油效果明显.分析表明,废气滞留可以提高进气歧管压力,明显降低泵气损失;混合气温度提高促进燃烧更完全,使燃烧效率得以提高;但燃烧速度会有一定程度降低,循环波动有所增大;综合作用下使得有效热效率提高.同时,废气滞留作用可降低缸内直喷汽油机HC、CO排放,尤其可显著降低NOx排放达70%以上.     

直喷增压发动机爆震的研究

增压直喷发动机目前成为市场主流,而爆震是限制增压直喷发动机热效率的主要因素。我们主要对发动机爆震的现象,爆震与早燃的区别,爆震的产生机理进行了深入的分析研究,对爆震产生的危害进行阐述,并从多角度、多维度对爆震产生的原因进行深入分析,给出发动机爆震问题预防及解决方案。     

基于多缸CFD方法的直喷增压汽油机爆震研究

随着汽油机工作负荷的增加,燃烧室末端混合气自燃概率升高,爆震倾向增大,提高燃烧室冷却能力成为抑制爆震的重要手段之一.笔者对一台4缸直喷增压汽油机进行多缸计算流体动力学(CFD)模拟,揭示了各缸的爆震机理,燃烧室壁面温度以三维有限元热传导方法赋值,评估了燃油的蒸发和壁面温度对汽油机爆震的耦合影响.结果 表明:由于燃油的蒸...     

喷雾-壁面复合引导直喷汽油机燃烧过程的数值解析

采用分层稀薄燃烧技术的缸内直喷汽油机因其显著的节油效果,成为当前研究的热点。缸内直喷汽油机实现分层稀薄燃烧的主要问题在于混合气浓度场分布不合理造成局部燃烧恶化进而影响发动机的燃烧效率和排放水平。因此本文采用本课题组提出的喷雾-壁面复合引导燃烧系统,使用AVL-FIRE软件对直喷汽油机的分层稀薄燃烧过程进行了数值解析。结果表明:部分负荷工况下喷射提前角在40°CA BTDC时,在20°CA BTDC缸内可形成较好的分层混合气;在696°CA点火放热率峰值最大,而CO和NO的排放随着点火提前角的减小而减小。     

低压EGR对GDI增压汽油机外特性下性能和排放影响

通过一款涡轮增压汽油直喷(gasoline direct injection,GDI)发动机低压废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)的试验,研究了EGR率和点火提前角的综合作用对增压GDI发动机的燃烧、缸压、排放和油耗等方面的影响。结果表明,在GDI增压发动机中加入EGR后,由于废气的稀释和热容作用,使缸内燃烧持续期增大,排气温度下降,燃烧相位也发生了改变。这对发动机外特性的有利影响是油耗减少,CO和NO_x排放也明显减少;不利影响是EGR的加入提高了增压发动机的排气压力,导致泵气损失增加。此外,总碳氢(total hydro carbons,THC)排放也有所增加。在GDI增压汽油机中使用EGR系统并配合点火角的调节能够有效提高热效率,降低NO_x排放。     

汽油HCCI发动机燃烧相位及瞬态过程的控制

由于HCCI燃烧受化学动力学控制,燃烧相位控制一直是HCCI面临的挑战之一.通过缸内直喷方式,可以灵活控制HCCI燃烧相位.研究表明,在HCCI失火界限,在负气门重叠期喷入燃油,能够实现燃油重整,通过调整不同的负气门重叠喷油量,可以控制燃烧相位;在HCCI爆震界限,负气门重叠期的喷油会导致燃烧粗暴,NOx排放大量上升,而在压缩行程喷入燃油形成分层混合气,能够有效地控制燃烧相位,且不引起排放的恶化.通过负气门重叠喷油形成的组分控制和压缩行程喷油形成的浓度控制相结合,能够在整个HCCI运行范围内有效地控制燃烧相位.通过考察燃烧相位调整的瞬态过程,发现通过缸内直喷技术,能够在一个发动机循环内实现燃烧相位的调整,控制灵活,响应迅速.     

基于两次喷射的TGDI汽油机超级爆震试验及仿真

采用试验和数字模拟方法研究了两次喷射对增压直喷(TGDI)汽油机产生超级爆震的影响.结果表明:与单次喷射相比,两次喷射模式对超级爆震现象具有抑制作用;在两次喷射模式中,将第二次喷油结束时刻推迟至进气行程末期或压缩行程,会促进超级爆震现象发生,而增大第二次喷油的比例有助于抑制超级爆震;结合缸内温度分布模拟结果发现,由第一次喷油激起的润滑油油滴和第二次喷油引起的缸内温度场变化是形成超级爆震诱发热点的重要因素.     

FAI缸内直喷二冲程汽油机低负荷燃烧特性的研究

初步试验研究了应用FAI喷射技术的缸内直喷二冲程汽油机低负荷工况下的燃烧特性。结果表明：FAI缸内直喷技术可以消除扫气短路造成的严重的HC排放和燃油浪费;对高残余废气率造成的低负荷燃烧不稳定现象,可通过采用进气旁通阀配合合适的喷油量和喷油相位控制来改善,此时发动机扭矩可通过喷油量和喷油相位控制而得到调节,但要将发动机扭矩控制到怠速工况,则需要更高的混合气浓度分层燃烧控制及燃烧系统的进一步改善。