喷射参数对二甲醚PPCCI发动机燃烧与排放特性的影响

在一台6缸增压电控共轨二甲醚发动机上进行试验,研究了预喷时刻、预喷燃料量、喷射压力、主喷时刻等喷射参数对二甲醚部分预混合充量压缩燃烧(PPCCI)发动机燃烧与排放特性的影响。试验结果表明:随预喷时刻提前,缸内压力峰值降低,二甲醚发动机缸内燃烧由两阶段放热转变为PPCCI三阶段放热,氮氧化物(NOx)排放显著降低,HC和CO排放升高;随预喷射燃料量增加,缸内压力峰值及预混合燃烧的冷焰反应和热焰反应速率明显增大,NOx排放逐渐降低,HC和CO排放显著升高;随喷射压力降低,预混合燃烧热焰反应速率增加,主喷扩散燃烧始点推迟,扩散燃烧放热率峰值和NOx排放明显降低,HC和CO排放升高;随主喷时刻推迟,预喷预混合燃烧几乎没有变化,主喷扩散燃烧延后,缸内压力峰值和放热率峰值降低,NOx排放显著降低,HC和CO排放升高。     

多次喷射策略对正戊醇-柴油混合燃料燃烧及有害排放影响的模拟研究

为了揭示含氧燃料与喷油策略耦合对发动机燃烧、性能和排放特性影响的机制,基于三维仿真软件CONVERGE,耦合化学反应动力学机理,研究了正戊醇—柴油混合燃料在不同喷射策略下燃烧与有害排放物的生成过程。结果表明,正戊醇促进了燃烧过程,燃用正戊醇—柴油混合燃料时,缸内最高燃烧压力和燃烧放热峰值增大,发动机平均指示压力（indicated mean effective pressure,IMEP）升高,CO、总碳氢化合物（total hydrocarbons,THC）和碳烟排放降低,但NOx排放升高。采用大比例预喷射策略可以促进主喷燃烧过程,提高缸内温度,增大IMEP,但导致CO及THC排放升高,而小预喷间隔会导致碳烟排放增加。后喷射策略导致发动机IMEP降低,但可以降低NOx排放。在小后喷间隔下碳烟排放显著降低,但在大后喷间隔下碳烟排放明显升高。研究表明,正戊醇柴油混合燃料采用大预喷间隔及小后喷间隔的3次喷油策略,能够获得最高的IMEP及最低的有害物排放。     

柴油/天然气双燃料发动机柴油燃烧策略的研究

基于自主研发的第三代并行式柴油/天然气双燃料发动机电控系统,利用FIRE软件建立柴油/天然气双燃料发动机柴油喷射系统的多次喷射模型。同时,通过进气压力控制过量空气系数,实现柴油/天然气双燃料发动机稀薄燃烧方式。针对高负荷工况,研究了多次喷射策略和稀薄燃烧方式对双燃料发动机最大压力升高率及NOx排放的影响。结果表明:发动机工作在高负荷及柴油替代率为80%时,采用双燃料稀薄燃烧方式能使NOx排放降低,但最大压力升高率仍可能超过安全临界值1MPa/(°)。采用合适的预喷射量与预喷射时刻能降低最大压力升高率。通过多次喷射和稀薄燃烧方式相结合的燃烧策略对缸内燃烧方式进行组织,可以实现双燃料发动机高替代率燃烧,并使高负荷时NOx排放达到或者低于国Ⅴ标准限值。     

预燃室式柴油-天然气双燃料船用发动机热效率优化燃烧控制策略仿真研究

基于CONVERGE软件建立了预燃室式柴油、天然气双燃料船用二冲程发动机的三维计算流体动力学(CFD)模型,研究了压缩比、引燃柴油质量、喷射压力及引燃柴油喷射角度对燃烧过程的影响,探索了提高柴油、天然气双燃料船用发动机热效率的燃烧策略。结果表明:提高压缩比可以提高缸内的最高燃烧压力,从而有效提高热效率,但受发动机机械强度的限制,压缩比为12.5时可以获得较佳的效果;适当增大引燃油量和喷射压力,可以增加射流火焰的着火点,增强点火能量,对热效率略有改善;调节引燃柴油的喷射角度,将引燃油喷射到CH₄浓度较高区域可以获得更好的引燃效果,降低指示燃料消耗率;提高压缩比至12.5结合推迟喷油策略可以明显地改善热效率。     

高涡流比对低速双燃料船舶发动机天然气/空气混合及燃烧性能的影响

以X92DF超大缸径低速二冲程双燃料船用发动机为研究对象,基于三维数值计算分析了天然气和空气混合过程及燃烧特性,并研究了扫气和燃烧过程中缸内涡流强度对混合质量和火焰传播的影响。结果表明：由于上止点前缸内天然气和空气的混合气浓度分布不均,造成局部高浓度区域出现燃烧异常现象,导致缸内压力振荡幅度增大。通过分析不同涡流强度对缸内天然气/空气的混合质量的影响可以得出,随着扫气过程中涡流强度的增大,上止点前缸内天然气高浓度区域面积明显减小,表明天然气和空气的混合质量得到明显提高。同时,随着缸内涡流比的增加,加快了预燃室射流火焰在主燃烧室内的传播速度和缸内天然气的燃烧速度。进一步研究得出缸内混合质量的提高可以有效地避免局部异常燃烧现象和降低压力振荡。最后,提出一种改善缸内混合质量和减小压力振荡的策略,为液态天然气在船机上的普及提供了一定了理论基础。     

船用直喷式天然气发动机喷射策略的优化

利用CONVERGE软件基于L23/30DF型船用天然气发动机建立了双天然气喷嘴、双引燃柴油喷嘴的直喷天然气发动机的缸内燃烧过程的CFD计算模型,计算了不同的柴油和天然气喷射时刻和间隔下发动机缸内燃烧和排放过程.结果 表明:引燃柴油的喷射时刻及其与天然气喷射时刻的间隔,对直喷式天然气发动机燃烧和排放性能有重要影响.当喷...     

柴油/天然气双燃料发动机数值优化

利用CONVERGE搭建了柴油/天然气双燃料发动机三维数值模拟平台,在大负荷工况下研究了压缩比和不同喷油策略对发动机燃烧性能的影响．研究结果表明,相同条件下,降低压缩比到14.8能够有效降低最大压升率,从而有助于进一步增大天然气的替代比例．采用单次喷射策略时,通过提高喷射压力并提前柴油直喷时刻,在最大压升率限值内,能在85%天然气替代比例的同时获得48.1%的热效率．采用两次喷射策略时,随着预喷油量的增加,缸内着火时刻提前．并且预喷时刻提前能够有效降低最大压升率．对比发现,与单次喷射策略相比,两次喷射策略能够实现更为灵活的缸内燃烧控制,获得90%的天然气替代比例．最终,两次喷油策略实现了48.4%的最高热效率．     

天然气-汽油双燃料发动机燃烧特性试验研究

为了探究天然气-汽油双燃料燃烧模式在现代发动机上的适用性及潜在优势,基于一台增压直喷发动机结合进气道喷射天然气和缸内喷射汽油,开展了不同负荷、过量空气系数和天然气替代率下天然气-汽油双燃料燃烧特性试验研究。结果表明,低负荷固定转矩工况下,随着天然气质量流量增加,发动机最高燃烧压力提高,燃烧相位提前,循环变动降低,且在稀燃条件下尤为明显。中等负荷固定转矩工况下的燃烧特性变化规律与低负荷工况相似,而在高天然气替代率、稀燃条件下有效热效率随天然气质量流量增加明显提高。高负荷节气门全开工况下,尽管发动机最大转矩有所下降,但爆震起点和强度得到有效抑制,燃烧相位也明显改善,因此可以通过增压来弥补发动机功率不足的问题。     

喷射策略对柴油转子发动机缸内燃烧过程的影响

针对直喷式柴油转子发动机缸内工作过程,基于FLUENT软件建立了耦合正庚烷简化机理的二维计算模型,并利用文献数据验证了模型的可靠性。设定喷射持续期不变,对比分析了单次或二次喷油时喷射时刻对燃烧过程的影响。研究结果表明:单次喷射时,缸内压力和缸内温度随喷射时刻的推迟而逐渐提高;喷油提前角为40°CA时CO生成量较高而NO生成量最低。二次喷射时,设置预喷时刻为-40°CA,随着主喷时刻的推迟缸内压力变化不大,CO生成量逐渐降低;当预喷时刻为-40°CA,主喷时刻-8°CA时,与单次喷射时刻为-40°CA相比,保持了较高的缸内压力,CO生成量降低了25%以上,NO生成量有所升高。     

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.     

燃气预喷对高压直喷天然气船机的影响研究

针对高压直喷(HPDI)天然气双燃料低速船机的燃料喷射系统,研究了不同的天然气预喷策略对发动机燃烧特性及性能的影响,探究了适用于低速船机燃烧系统的天然气喷气规律。利用计算流体力学(CFD)软件Converge建立了HPDI天然气双燃料的单缸机仿真模型,与试验数据进行标定后,计算得到了不同预喷间隔及预喷比例下发动机燃烧性能和排放数据。分析计算结果表明,预喷策略的采用影响了燃烧过程中预混燃烧的比例,从而影响了燃烧放热相位及燃烧等容度。预喷比例相比预喷间隔对燃烧过程的影响更显著,后者在较大预喷比例下才会明显影响缸内燃烧放热过程。合理优化预喷策略可控制预混燃烧程度,从而同时改善NOx排放和油耗。不同的预喷策略使得缸内碳烟分布区域不同;与无预喷算例相比,采用预喷策略的算例最终碳烟排放量偏高。     

利用快速压缩装置进行直喷天然气发动机燃烧特性的研究

利用快速压缩装置开展了直喷天然气发动机燃烧特性的研究,分析了3种不同喷射方式下的燃烧特性并与均相混合气燃烧进行了对比。研究结果:上喷天然气燃烧比均相混合气燃烧的最大压力高,在宽广的当量比范围内具有短的火娄发展期和快速燃烧,克燃烧放热率和压力升高率基本上与喷射方式无关。喷射方式与均相混合气相比,燃烧放热率,压力升高率大。缩短喷油和点火间的时间间隔将缩短火焰发展期和快速燃烧期,其时间间隔的优化对直喷天然气发动机极为重要。直喷天然气发动机的燃烧方式为预混控制充量分层燃烧,此燃烧方式燃烧速率,排放低。     

掺混比例和喷射定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响

在一台电控共轨发动机上,试验研究了乙醇掺混比例和喷射定时对二甲醚-乙醇混合燃料燃烧及排放的影响。结果表明:随乙醇比例的增加,滞燃期延长,燃烧持续期缩短,最大压力升高率上升。随喷射推迟,滞燃期延长,燃烧相位延后,燃烧持续期在纯二甲醚时延长,而在掺混乙醇时则先延长后缩短,最大压力升高率先下降后上升。掺混乙醇和推迟喷射使预混燃烧比例增加。随喷射推迟,混合燃料的排气温度升高,喷射推迟到上止点后,排气温度随乙醇比例的增加而升高,排气温度高,则废气能量高,增压器增压比大,进气流量大,导致缸内压缩压力升高。在上止点前喷射时,掺混乙醇能使HC和CO排放保持在较低范围的同时,一定程度降低NO_x排放,掺混15%的乙醇较纯二甲醚最大降低约11%NO_x排放。随推迟喷射,NO_x排放降低,最大降幅达52%,在过分推迟燃料喷射时,因热效率低,循环喷射量增加,含15%乙醇混合燃料的NO_x排放会高于纯二甲醚。HC和CO排放随喷射推迟而升高,且升高幅度增大。     

Numerical Investigation of the Effect of Hydrogen Enrichment on an Opposed-Piston Compression Ignition Diesel Engine

High power-to-weight and fuel efficiency are bounded with opposed-piston compression ignition(OPCI) engine, which makes it ideal in certain applications. In the present study, a dynamic three-dimensional CFD model was established to numerically investigate the combustion process and emission formation of a model OPCI engine with hydrogen enrichment. The simulation results indicated that a small amount of hydrogen was efficient to improve the indicated power owing to the increased in-cylinder pressure. Hydrogen tended to increase the ignition delay of diesel fuel due to both dilution and chemical effect. The burning rate of diesel fuel was apparently accelerated when mixing with hydrogen and premixed combustion became dominated. NO_x increased sharply while soot was sufficiently suppressed due to the increase of in-cylinder temperature. Preliminary modifications on diesel injection strategy including injection timing and injection pressure were conducted. It was notable that excessive delayed injection timing could reduce NO_x emission but deteriorate the indicated power which was mainly attributed to the evident decline of hydrogen combustion efficiency. This side effect could be mitigated by increasing the diesel injection pressure. Appropriate delay of injection coupled with high injection pressure was suggested to deal with trade-offs among NO_x, soot and engine power.     

预喷策略对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

通过一台6缸直喷、高压共轨柴油机改装成的柴油引燃天然气发动机.试验研究预喷正时和预喷油量对燃烧参数和性能参数的影响,结果表明:相对单次喷射,较晚的预喷正时(30°CA BTDC)能提高发动机有效热效率(BTE),降低HC、CO排放,但NOx排放恶化,而较早的预喷正时(60°CA BTDC)能够在提高发动机BTE的同时,降低HC、CO排放,并且NOx排放基本保持不变;当预喷正时为60°CA BTDC,预喷油量适当增多(3~5 mg/cyc)能进一步提高发动机BTE,降低HC、CO和NOx排放;预喷油量进一步增加(6~7 mg/cyc),NOx排放恶化,并且由于着火相位波动导致燃烧稳定性变差.改善双燃料发动机燃烧和排放特性一方面要增加预喷柴油在可燃混合气中的分布,增大柴油与可燃混合气混合的时间,改善混合气的活性,进而提高燃烧速率;另一方面要强化主喷柴油喷射对着火相位的控制,防止着火相位不一致而恶化燃烧稳定性.     

柴油机部分均质预混燃烧模式下混合与化学控制参数对指示热效率的影响

基于部分均质预混燃烧(PPC)的柴油机研究开发和优化了一种混合燃烧控制策略,在平均指示压力(IMEP)高达1.1,MPa的负荷范围内实现了高的指示热效率以及超低排放.燃烧过程中的混合与化学控制参数包括了喷油定时、喷油模式(如多脉冲喷射)、增压压力、EGR率以及进气气门关闭定时等,通过优化耦合以上控制参数可以优化控制当量比与温度的变化路径,从而避开NOx与碳烟(Soot)生成区.基于热力学第一定律,通过能量平衡的分析方法研究了混合与化学控制参数对热效率的影响.研究表明,相对于排放而言,热效率受控制参数的影响更加敏感.     

Control of the combustion behaviour in a diesel engine using early injection and gas addition

Multiple injections and natural gas addition were investigated as ways to modify combustion behaviour, and therefore pollutant emissions and specific fuel consumptions, inside a direct injection Diesel engine equipped with a common rail injection system. During the experimental tests, engine efficiency, in terms of fuel consumption, and pollutant emissions, in terms of nitric oxides, opacity, carbon monoxide and total hydrocarbons, have been measured.The tested multiple injection strategy consisted of the simultaneous use of early and pilot injections. This strategy has been compared with the more traditional techniques based on the use of either pilot or early injections. During the tests, the effects of several injection parameters were analysed, like duration and timing of early, pilot and main injections. Results show that, mainly for medium values of engine torque and speed, the injection of a small fuel quantity during the early stage of the compression stroke, coupled with the pilot injection, may be effective in reducing specific fuel consumption if compared to the only pilot or only early injection strategies. Furthermore, this result is obtained whit a simultaneous reduction in nitric oxides and particulate. However, unburned hydrocarbons levels remain constant or usually increase. Early injection is in effect a way to obtain a very lean premixed charge, both globally and locally, inside the combustion chamber. Therefore, it has been shown that nitric oxides and soot, deriving respectively from an inhomogeneous distribution of temperatures and a locally rich mixture, both decrease performing the early and pilot before the main injection.Concerning the natural gas addition, it has been premixed with the engine intake air before the turbocharger and used in small percentages, in order to improve the engine combustion and to reduce pollutant emissions, in particular the soot produced during the mixing-controlled combustion phase. Experiments underlined that, using the natural gas as an additive fuel, while performing the Diesel fuel main injection, leads to keep practically unchanged engine efficiency with respect to the traditional Diesel fuel operation mode. Concerning the emission levels at the exhaust, the use of small quantities of gas (10–30% respect to the total fuel energy) improves the oxides – soot trade-off; however, at the same time, total hydrocarbons and carbon monoxide emissions are characterized by higher values.     

不同海拔条件下喷油参数对柴油机性能的影响

通过内燃机高原环境模拟试验台,研究了不同海拔条件下高压共轨柴油机在最大转矩转速点(1500 r/min)全负荷(2300 N·m)和部分负荷(500 N·m)工况下喷油提前角、共轨压力及循环喷油量(全负荷)对柴油机燃烧特性与性能的影响规律.结果表明:全负荷工况下,随着喷油提前角增加,柴油机滞燃期增加,最高燃烧压力和最大压力升高率增大,增大趋势随海拔增加而降低,柴油机转矩在0 km和3 km海拔先增加后减小,在5 km海拔时逐步增加.随着共轨压力增加,柴油机燃烧相位提前,最高燃烧压力、最大压力升高率和转矩均增加,排温降低;部分负荷工况下,有效燃油消耗率随共轨压力增加而降低.随循环喷油量增加,转矩、排温和缸内压力均逐渐增大,最大压力升高率在3 km海拔范围内逐渐增加、在5 km海拔时逐渐减小.海拔每升高1 km,柴油机在全负荷工况下,最佳循环喷油量平均降低5.81%,最佳喷油提前角和共轨压力在全负荷和部分负荷工况下平均分别增加了1.2°,CA、0.8°,CA和4 MPa、3 MPa.     

直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声机理

通过测量瞬态工况与稳态工况燃烧噪声的各种影响参数,研究气体动力载荷及燃烧压力高频振荡对燃烧噪声的影响机理．瞬态工况的壁面温度、喷油压力、针阀升程最大值和针阀开启持续时间均高于同负荷、同转速的稳态工况,导致瞬态工况滞燃期、燃烧始点和喷油量与稳态工况相比产生差异,引起燃烧压力、庄力升高率及高频压力振荡频率和幅值发生变化．结果表明,瞬态工况与同负荷、同转速的稳态工况相比,着火延迟期缩短,但每循环喷油量增大,燃烧噪声增大．     

天然气后喷对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响研究

利用流体动力学软件CONVERGE建立了高压直喷天然气船机的三维仿真模型,基于该模型研究了后喷策略对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响。结果表明:随后喷比例增大,最高燃烧压力略升高,燃烧持续期增长;随着喷射间隔的增大,最高燃烧压力不变,但后喷燃烧相位推迟,燃烧持续期增长。与无后喷算例相比,后喷比例增大到10%和20%时,碳烟排放分别降低了7.7%～13.5%和1.5%～11.5%,NOx排放分别升高了12.0%～15.0%和5.0%～7.0%,指示燃油消耗率分别增大了约0.1%和1.0%;而后喷比例为30%时,碳烟排放升高了2.0%～8.0%,NOx排放降低了5.0%～7.7%,指示燃油消耗率增大了约2.3%。