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。     

直喷汽油机二次喷射改善冷起动性能的研究

通过一台直列4缸汽油机分析了喷油模式对直喷汽油(GDI)发动机冷起动过程及冷态怠速过程的影响.结果表明:通过调整喷油策略可以改变缸内混合气的燃烧过程,在二次喷油比例为0.6∶0.4、喷油定时分别为上止点前300°CA和140°CA、环境温度为-30℃条件下,发动机的燃烧特性最佳,HC排放最低.在车辆冷起动过程中,通过二次喷射可以有效缩短混合气的滞燃期和燃烧持续期,以达到缩短起动时间、提高起动性能的目的.在起动后的怠速阶段,采用二次喷射可以大幅提高发动机的燃烧稳定性,有效消除怠速不稳的问题.在闭环控制阶段,通过二次喷射合理组织缸内混合气分布,可以有效改善减稀混合气造成的车辆抖动问题.此外,缸内混合气燃烧过程的优化可以有效降低冷起动过程的HC和CO排放,但会造成NOx排放的小幅升高.     

喷孔夹角对直喷汽油机混合气形成与燃烧特性的影响

基于试验验证了喷雾模型和燃烧模型,采用CFD技术研究了喷孔夹角对直喷汽油机喷雾发展、混合气形成以及缸内燃烧特性的影响.研究结果表明,增加喷孔夹角,减小喷雾之间相互作用,有利于燃油雾化,改善了缸内混合气及缸内燃烧,提高了缸内压力和放热率.喷孔夹角大小的选择直接影响直喷汽油机缸内混合气质量与燃烧优劣.     

TJ376QE二气门发动机稀薄燃烧的实验研究

汽油机燃烧稀混合气是降低有害尾气排放、燃油消耗率的有效途径。由于二气门发动机改变缸内气体流动比较困难,难以形成空气燃料浓度分布,因此目前国际上成功的稀燃发动机均为四气门结构。为增强其涡流和滚流运动,对二气门的TJ37GQE汽油机进气系统进行了改造,随后强烈的空气运动结果表明其有利于组织空气和燃料在缸内的浓度分布,从而为在二气门汽油机上实现稀薄燃烧打下基础;通过采用二次燃油喷射技术,在缸内形成准均质分层混合气,成功地在二气门汽油机上实现了稀薄燃烧。     

进气道喷水对汽油机爆震和缸内燃烧过程影响的仿真分析

以一台1.5 L气道喷射汽油机为研究对象,根据汽油机台架试验结果与喷水器喷雾特性,利用AVL FIRE软件建立了进气道喷水汽油机三维模型,仿真分析了水雾的发展过程与分布状态,研究了4组喷水量对汽油机爆震和缸内燃烧过程的影响规律。结果表明,水雾发展至气门附近即被蒸发,仅有少量水雾以液态形式进入缸内。随喷水量增加,爆震指数降低,降幅达33.70%,缸内温度与压力曲线逐渐向后、向下移动。喷水量为13.186 mg时缸温峰值与不喷水相比下降20.27 K,缸压峰值降低0.48 MPa。缸内进水量低于喷油量的5%时,水雾对爆震和缸内燃烧过程影响微弱。喷水对速燃期影响效果更显著。随喷水量增加,火焰传播速度降低,速燃期延长,累积放热率曲线后移,总燃烧持续期共延长2.5°曲轴转角。     

增程式电动汽车用LPG直喷发动机燃烧过程的数值解析

提出一种以LPG为燃料的适用于增程式电动汽车发电机组的二冲程缸内直喷发动机喷雾-壁面复合引导式燃烧系统。在采用纹影实验法对计算方法的可行性进行验证的基础上,分别对不同喷油时刻、不同曲轴转角的缸内混合气形成及燃烧情况进行了数值解析。结果表明:在起动-过渡运转工况(2 000 r/min、20%负荷)下,喷油开始时刻为45°CA ABDC、曲轴转到20°CA BTDC时,缸内能形成较为稳定的均质混合气。在20°CA BTDC时点火,放热率峰值最高,且峰值一般出现在上止点附近,燃烧特性最好。     

稀燃条件下甲醇汽油发动机燃烧和排放特性的试验研究

在一台汽油缸内直喷(GDI)增压发动机上,研究了稀燃条件下燃用不同甲醇汽油混合燃料的燃烧特性和排放特性。试验结果表明:稀燃条件下,随混合气浓度逐渐变稀,当量燃油消耗率呈现出先降低后升高的趋势,并且随着甲醇比例的增加,当量燃油消耗率增加,但均低于原机。在混合气逐渐变稀的过程中,燃烧时缸压峰值和燃烧温度总的变化趋势是逐渐降低,而燃烧持续期和循环变动率逐渐升高。稀燃条件下,CO排放量逐渐降低,碳氢化合物排放呈先降低后增加的趋势。NO_x排放量总的变化趋势是先增大后逐渐降低,随着甲醇体积分数的增加,NO_x的排放量逐渐降低,且3种甲醇、汽油混合燃料的NO_x和CO排放量都低于汽油燃料。     

基于多组分蒸发模型的汽油机冷起动数值模拟

建立了汽油多组分油膜蒸发模型,并运用该模型对进气道喷射式汽油机冷起动首循环的气流运动、喷雾过程、油膜形成和发展过程、混合气形成过程及缸内燃烧进行了三维数值模拟,详细解析了油滴和油膜中每种组分的蒸发规律,给出了每种组分的浓度分布.模拟结果表明:冷起动时轻组分的蒸发主导首循环混合气的形成质量,中、重组分的蒸发情况仅起辅助作用;汽油的轻组分越多,燃料蒸发量越大,有利于形成稳定可靠的可燃混合气,改善缸内燃烧过程,提高起动稳定性;计算所得的缸压曲线与试验结果吻合良好,说明开发的多组分汽油蒸发模型具有较高的模拟精度.     

缸内直喷汽油机喷雾、混合气形成和燃烧过程的三维数值模拟

建立了带进排气道的缸内直喷(GDI)汽油机三维数值模型,并对喷雾模型和燃烧模型进行了实验标定,进而模拟了GDI发动机化学当量比条件下均质混合气和分层混合气两种模式从进气-喷雾-混合气形成-燃烧的全过程.模拟结果表明,GDI发动机高压多孔喷嘴喷雾雾化明显,贯穿距离较长,进气过程中缸内形成强滚流促进燃油蒸发和油气混合;进气冲程单次喷射可在缸内点火之前形成较为均匀的混合气,进气和压缩冲程中进行两次喷射可在缸内点火之前形成火花塞附近较浓、周围较稀的分层混合气;在化学当量比条件下适当采用分层混合气燃烧,与均质混合气相比可以降低燃烧速度,从而减小最大爆发压力和压力升高率.计算结果有助于深入理解GDI发动机的工作过程,并为后续研究GDI燃烧控制策略提供了模拟计算平台.     

柴油机起动倒拖缸内喷雾仿真分析

采用三维CFD数值模拟的方法,对试验发动机冷机起动倒拖时的缸内燃油喷射雾化过程进行了仿真计算分析。研究结果表明:在燃油喷雾过程中,由于燃油蒸发吸热,导致缸内温度明显下降,与不喷油时相比下降了32K;缸内喷雾过程出现大量的燃油附壁,附壁量占总喷油量的70%左右;喷雾过程结束时形成的混合气浓度场和温度场呈极不均匀的分层分布,浓度较高的区域温度较低,且分布于靠近活塞壁面的薄层,不利于焰前反应的进行。这些因素均对冷起动过程缸内混合气的着火燃烧产生关键性的影响。此外,研究结果还表明,喷油油束速度是冷起动条件下影响缸内油滴蒸发过程的重要因素。     

多缸汽油HCCI发动机燃烧循环变动的研究

在均质混合气压燃(HCCI)发动机研发中多缸不均匀性是一个重要的问题.通过在缸内直喷汽油机(GDI)上采用两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,研究了汽油HCCI发动机在不同燃烧模式下的多缸燃烧循环波动特性.研究结果表明:在汽油机中低负荷典型工况下,HCCI燃烧pi的缸内循环波动率小于2%,缸间循环波动率小于3%;HCCI发动机缸间循环波动主要受进气量的影响,与SI燃烧模式相比,采用稀燃模式的汽油HCCI燃烧缸间循环波动较小,HCCI燃烧的压力升高率和最高燃烧压力的循环波动率较小.     

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.     

喷油时刻对缸内直喷汽油机颗粒物排放的影响

缸内直喷汽油机因其良好的节能性能,近几年来成为车用汽油机研究的重点,但也带来了颗粒物排放的问题.针对一款缸内直喷发动机,采用CFD数值模拟和发动机台架试验相结合的方法,研究了不同的喷射时刻对直喷汽油机混合气形成和颗粒物排放的影响.结果表明:缸内直喷汽油喷雾碰壁形成油膜与颗粒物排放有着直接的关系;在小负荷和中等负荷工况下,喷射时刻的优化能够有效地降低颗粒物数量排放.对于典型进气侧置喷油器缸内直喷汽油机,中小负荷工况优化的喷油策略为喷射时刻在进气冲程中期(约270,°,CA BTDC).     

喷油时刻对汽油/乙醇发动机性能的影响

通过一台Yamaha YBR250发动机原机,进行乙醇直喷(EDI)与汽油进气道喷射(GPI)的改装,研究了EDI喷油时刻对发动机缸内混合气形成、燃烧和排放的影响,同时建立了EDI结合GPI发动机的三维计算模型,对试验工况进行了数值模拟.分别对喷雾模型和燃烧模型进行了试验标定,结果表明:通过改变EDI喷油时刻,进气涡流与喷雾带动气流的运动共同作用于缸内燃料的蒸发雾化,可以在火花塞附近形成不同程度的燃料浓区;延迟EDI喷油时刻至100°CA BTDC,能够有效地协同壁面传热以及乙醇蒸发作用,降低点火时刻缸内温度,从而降低最大爆发压力和缸内燃烧温度;相对于早喷工况,EDI喷油时刻为100°CA BTDC的工况能够有效降低缸内HC及NO排放.     

柴油机瞬变过程烟度排放的劣变分析

在一台增压中冷高压共轨柴油机上进行了恒转速增转矩典型瞬变工况下烟度劣变的成因分析,并确定了适用于瞬变工况劣变性能分析的评价参数.研究结果表明:瞬变过程烟度峰值较稳态工况恶化了17.5倍,供油量、转矩和进气量的滞后程度依次增大,而减小发动机加载率、增大加载起始点负荷或减小恒定转速均有助于改善发动机瞬变性能劣化程度;表观上供油和供气速率不匹配、低燃烧速率和燃烧相位滞后造成的燃烧劣变在缸内物理场中可以归因于缸内油气混合气驱动能量的不足;与稳态工况相比,瞬态工况的燃烧反应基团在φ-T图碳烟(soot)生成岛中更大的体积比例和更长的停留时间导致缸内局部浓混合气比例增大;缸内油气混合状态与soot生成量呈现出显著的相关性,是造成soot排放恶化的主要原因.     

汽油缸内直喷式技术的研究与应用

介绍了缸内直喷式汽油机(GDI)的发展及相应特点。对进气道喷射和缸内直喷式燃烧系统进行了比较，讨论了直喷式汽油机在燃油经济性、瞬态响应和冷起动时HC排放方面的潜力。介绍了高压共轨燃油供应系统、旋流式雾化喷油器以及混合气分层等新技术在GDI发动机中的应用。详细论述了燃油喷射、油束雾化和蒸发、充质冷却、混合气制备的过程以及缸内气流运动和燃烧策略。     

PRF90低温重整产物对发动机燃烧和排放的影响

通过一台耦合了外置燃料重整器的单缸发动机,系统研究了温度对PRF90燃料低温重整产物及发动机燃烧特性的影响,并结合Chemkin软件进行了相关化学动力学计算和分析.结果表明:随着重整温度升高,重整混合气中甲醛、CO和CO2增多,重整混合气活性下降;PRF90燃料的重整产物导入到发动机中,燃烧相位改变;当重整温度650 K时,燃烧相位随着重整温度的升高而提前,而当重整温度650 K时,发动机发生失火现象;重整气的导入对发动机的燃烧稳定性影响有限;合理控制外置燃料重整器重整边界条件,可在降低有害排放的同时改善发动机的指示热效率(2%).     

不同沸点燃料及其混合物的闪沸喷雾特性试验

利用MIE散射在定容弹内对不同沸点燃料的闪急沸腾(闪沸)喷雾特性进行了试验,采用的燃料按沸点从低到高依次为正戊烷、正己烷、正庚烷及以不同体积分数掺混的正戊烷-正庚烷混合燃料.通过对喷雾宏观图像的拍摄及分析,研究了在燃油过热度不断提高的喷雾条件下,闪沸喷雾特性的变化规律.结果表明:随着燃油过热度的不断提高,正戊烷、正己烷和正庚烷均会经历冷态喷雾、过渡闪沸和剧烈闪沸;在闪沸状态下,燃油过热度是影响喷雾特性的决定性因素;相同的燃油温度和环境背压下,在高沸点燃料中加入少量低沸点燃料将有效促进混合燃料的闪沸.     

压缩比对汽油HCCI燃烧和排放特性的影响

通过优化动力技术对一台四缸汽油机进行改造设计,实现均质混合气压燃(HCCI),考察了压缩比对汽油机HCCI负荷拓展及冷却液和进气温度对HCCI燃烧排放特性的影响。试验结果表明:提高压缩比可以在更低的进气温度下实现SI/HCCI燃烧模式的切换,CO排放升高,HC排放下降,NOx排放呈下降趋势,且在高负荷工况时下降得更加明显。在压缩比为15时,HCCI汽油发动机可以在1 200~3 600r/min转速范围内实现稳定燃烧,提高压缩比有效拓展了HCCI发动机负荷范围。随着进气温度及冷却液温度的升高,燃烧相位提前,燃烧持续期缩短,缸内压力、放热率及温度升高;缸内循环变动率减小,实现更稳定的HCCI燃烧;CO、HC排放也随之降低,但NOx排放有升高趋势。     

进气参数及燃烧室结构对LNG发动机排放性能的影响

以L23/30A发动机为研究对象,研究了不同进气参数及不同燃烧室几何形状对缸内燃烧特性对柴油机性能及排放的影响。研究结果表明:随着进气压力的增大和燃烧室过渡圆深度的加深,缸内挤流作用加强,油气混合均匀,缸内燃烧充分,降低了soot及NO_x的生成;减小燃烧室的缩口直径及提高进气温度,缸内湍流分层严重,滞缓了缸内涡团的破碎与聚合,局部油气分布过浓燃烧不完全,导致局部温度、压力过高,诱发燃烧过程中soot及NO_x的生成。因此,在加深燃烧室过渡圆深度的前提下,通过提高低温燃烧的进气压力,可以改善发动机的燃烧特性。