预燃室射流点火技术对汽油机性能影响的研究

在一款增压直喷小型强化废气涡轮增压汽油机上,进行了加装预燃室与传统点火在低速外特性、中转速负荷特性的燃烧特性、经济性和排放特性对比试验,分析了预燃室火焰射流点火过程与传统点火对汽油机性能影响的规律。研究结果表明,在1500r/min、平均有效压力为2MPa工况,采用预燃室点火后缸内燃烧等容度提高,最高燃烧压力增大,燃烧相位提前7.1°,有效燃油消耗率下降约24g/（kW·h）;在2000r/min负荷特性的试验工况,相比于传统点火,预燃室点火燃烧循环变动均获得改善,燃烧持续期缩短,低负荷时燃烧相位不变而比油耗略微上升,高负荷时燃烧相位大幅提前,比油耗改善约7g/（kW·h）,且最高有效热效率由36.9%上升至37.5%。就气体排放物而言,预燃室点火加速燃烧使NOx排放最高上升约15%,HC排放最多下降约36%,而CO排放低负荷时基本维持不变,在高负荷时略有下降。     

主动预燃室式直喷汽油机稀薄燃烧性能研究

为明晰不同点火方式对汽油机稀薄燃烧特性的影响规律,在一款排量为0.5L的研究型单缸机上试验研究了传统火花塞和主动预燃室两种不同点火方式下发动机燃烧及排放特性,探索主动预燃室拓展稀薄燃烧极限的多种影响因素。研究结果表明,稀薄燃烧可有效降低油耗,提高发动机热效率。传统点火线圈的稀燃极限处于过量空气系数1.5附近,最高指示热效率为45.0%,而采用主动预燃室系统后,稀燃极限可进一步拓展,过量空气系数可达2.0,指示热效率提升至46.5%,氮氧化物排放比采用传统火花塞点火技术时降低约88%;主动预燃室匹配高压缩比14.80的燃烧系统,可进一步拓展稀燃极限至过量空气系数2.1,指示热效率可达48.0%,氮氧化物排放继续降低,在过量空气系数采用2.1时NOx排放最低可达58×10-6。     

天然气发动机预燃室内混合气形成对点火射流的影响

针对船用天然气发动机预燃室内的混合气形成及射流点火特性进行了研究。基于试验标定和验证的喷雾燃烧模型,对预燃室内的柴油雾化–混合–着火过程进行了仿真计算,获得了混合气形成对点火射流特性的影响规律。结果表明,在同时考虑预燃室内燃油湿壁量与雾化质量时,存在一个最佳喷射压力匹配区间,且在相同喷射压力下采用两段喷射可以减少预燃室的燃油湿壁量;增大预燃室内混合气浓度分层并缩短初始着火点与射流孔的距离,可减小燃料损失,增长放热持续期,提高点火能力。     

基于射流点火和气道喷水技术的缸内直喷汽油机稀薄燃烧特性研究

在一台4缸涡轮增压汽油机的基础上,增加预燃室和进气道喷水系统,在最佳油耗工况附近（转速2 500 r/min,平均有效压力为0.8~1.2 MPa）开展了试验,研究和分析了汽油机稀薄燃烧特性,以及射流点火和进气道喷水技术对稀薄燃烧性能的影响。结果表明,稀薄燃烧可以将有效热效率从当量燃烧的39.5%提高到42.4%左右,但是当过量空气系数超过1.4以后,燃烧稳定性和碳氢排放变差。采用射流点火技术可以将稳定燃烧的过量空气系数拓展到1.7以上,热效率增加至43.0%以上,燃烧持续期最大缩短37.6%,循环波动不超过1.3%。在此基础上增加进气道喷水,对于平均有效压力在1.1 MPa以上的负荷,抑制爆震效果明显,喷水脉宽达到4 ms时,爆震限制的燃烧重心可以提前到活塞上止点后8°左右,同时最大热效率超过44%,循环波动不超过3%;但是对于平均有效压力低于1.1 MPa的负荷,爆震现象不严重,喷水反而会降低燃烧速率和热效率,同时燃烧稳定性和未燃碳氢排放也随之恶化。     

稀燃条件下主动预燃室式直喷汽油机燃烧和排放特性研究

为明晰不同点火方式对汽油机稀薄燃烧特性的影响规律,在一款排量为0.5 L的研究型单缸机上试验研究了传统火花塞和主动预燃室两种不同点火方式下发动机燃烧及排放特性,探索主动预燃室拓展稀薄燃烧极限的多种影响因素.研究结果表明,稀薄燃烧可有效降低油耗,提高发动机热效率.传统点火线圈的稀燃极限处于过量空气系数1.5附近,最高指示...     

高效稀燃发动机预燃室试验研究北大核心CSCD

为了研究预燃室点火技术的稀燃点火能力及预燃室点火技术对发动机性能的影响,用热力学单缸机试验的方法对比研究了不同点火方式的点火能力,并研究了预燃室点火条件下,进排气相位、滚流气道、预燃室设计对发动机性能的影响。研究结果表明:与传统的火花塞点火线圈点火方式相比,主动预燃室点火能量大,能稳定点燃λ>2.4的均质稀燃混合气,有效拓展稀燃极限;在预燃室点火条件下,通过优化进排气相位和滚流气道,结合合理的预燃室设计参数及发动机工况点的优化能提升热效率,试验测试已实现52.5%的指示热效率。     

点燃型预燃室在大缸径甲醇发动机上应用

通过计算流体动力学数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径（320mm）甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NOx排放很低,SOx排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织Tier Ⅲ排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、声响强度和NOx排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、声响强度、指示热效率逐渐下降,NOx排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略：在平均有效压力低于1.8MPa时控制缸内过量空气系数为2.4并匹配较早的点火正时,在平均有效压力高于1.8MPa时控制过量空气系数为2.1并匹配较晚的点火正时。采用该策略可使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。     

点燃型预燃室在大缸径甲醇发动机上的应用

通过计算流体动力学数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径(320mm)甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NO_x排放很低,SO_x排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织TierⅢ排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、声响强度和NO_x排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、声响强度、指示热效率逐渐下降,NO_x排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略:在平均有效压力低于1.8MPa时控制缸内过量空气系数为2.4并匹配较早的点火正时,在平均有效压力高于1.8MPa时控制过量空气系数为2.1并匹配较晚的点火正时。采用该策略可使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。     

采用高能点火的均质稀薄燃烧汽油机试验

均质稀薄燃烧能够有效提高汽油机热效率,而高能点火可以提高汽油机的燃烧速度,是实现均质稀薄燃烧的有效技术途径.通过一台单缸汽油机分别研究了普通火花点火和高能点火对均质稀薄燃烧过程的影响,分析了两者燃油经济性、燃烧特性以及NOx排放特性的差异,结果表明:相比于普通火花点火,高能点火能够有效拓宽汽油机均质稀薄燃烧的空燃比极限;采用高能点火系统A可以实现过量空气系数φa为1.65的均质稀薄燃烧,指示燃油消耗率(ISFC)最低达到184.0 g/(kW·h);采用点火能量更高的高能点火系统B可以实现φa为1.94的均质超稀薄燃烧,指示燃油消耗率最低达到180.7 g/(kW·h),对应的指示热效率为48.2%;将φa进一步提升至2.00时,NO_x原始排放将降至188×10~(-6),但受限于燃烧过程恶化,此时ISFC将增加至185.3 g/(kW·h).     

预燃室火焰射流点火对汽油机性能影响的研究

在一款增压直喷小型强化废气涡轮增压汽油机上,进行了加装预燃室与传统点火在低速外特性、中转速负荷特性的燃烧特性、经济性和排放特性对比试验,分析了预燃室火焰射流点火过程与传统点火对汽油机性能影响的规律.研究结果表明,在1500 r/min、平均有效压力为2 M Pa工况,采用预燃室点火后缸内燃烧等容度提高,最高燃烧压力增大...     

电增压及EGR共同作用下对降低汽油机燃油消耗率的试验研究

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火（turbulent jet ignition, TJI）的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。     

不同预燃室结构对甲烷湍流射流点火燃烧的影响

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。     

柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验

为了实现重型柴油机大负荷工况下的高效清洁燃烧,设计了一种应用于重载柴油机的预燃室射流扰动燃烧系统,旨在利用预燃室产生的射流动量促进柴油机大负荷工况下的油、气混合过程,提高扩散燃烧的速度,增大燃烧等容度,从而提高发动机的指示热效率．建立预燃室仿真模型,研究预燃室射流的作用位置、持续时间、动量大小及作用相位对油、气混合与燃烧过程的影响,以缩短发动机燃烧持续期、提高指示热效率为目标,对预燃室的结构进行优化．基于仿真结果,搭建了预燃室射流扰动燃烧系统的试验平台并进行试验．结果表明：在没有明显提高排放的前提下,采用预燃室射流扰动燃烧系统可以有效缩短大负荷工况下的燃烧持续期,提高指示热效率．在转速为1 200 r/min、平均指示有效压力(IMEP)为2.54 MPa、进气压力为0.36 MPa、预燃室喷油量为6 mg且主燃室喷油量为194 mg时,原机指示热效率可从48.18%提升至48.65%.     

预燃室式LPG发动机的试验研究

在不改变原柴油机缸盖结构的前提下，将小型直喷式柴油机改造成预燃室式火花点火LPG发动机。在此基础上，对预燃室喷嘴直径进行了优化试验研究。试验结果表明，这种预燃烧系统作为主室的点火能量放大器和扰动源，可提高燃烧速度，缩短燃烧持续期，达到了稀气快燃的目的，可获得较好的动力性和改善排放，尤其怠速工况下NO排放非常理想。为CNG或LPG发动机的改造、理论研究和应用提供借鉴。     

天然气发动机单独进气预燃室研究

为了改善天然气发动机的燃烧过程和性能,在不对整个燃烧系统进行大的更改的前提下,开发了一种单独进气预燃室。该预燃室内在较高浓度混合气状态下,着火时产生的能量使主燃烧室内的燃料与空气迅速进行混合并快速充分地燃烧。试验结果表明,所设计的单独进气预燃室可加快燃烧速度,缩短燃烧周期,改善发动机性能,降低排放污染,具有推广应用价值。     

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.     

被动预燃室汽油机当量燃烧特性的数值分析

对一台被动预燃室增压直喷汽油机的燃烧过程进行了三维数值模拟分析,研究了预燃室的不同设计参数如预燃室容积、射流孔数量、射流孔直径、射流孔结构等对当量燃烧时燃烧特性的影响。结果表明,预燃室射流点火优于常规火花塞点火的重要原因是主燃烧室内着火点增多,同时点火后预燃室内产生的高速冲击射流会提升主燃室内的湍流强度,从而加快湍流火焰的传播。在2 000 r/min转速和1.2 MPa平均指示有效压力工况下预燃室发动机的50%燃烧角相对火花塞发动机提前约8.5°。不同结构参数的预燃室模拟分析表明燃烧初期预燃室喷入主燃室射流的动量越大,对主燃室湍流强度的提升效果会越大,燃烧相位也会更优,在上述工况下不同结构预燃室50%燃烧角的差异最高可达约5.8°。变更预燃室结构造成的燃烧相位差异主要体现在燃烧前中期,随着转速和负荷升高,该差异有降低的趋势。     

湍流射流点火甲醇发动机燃烧特性及预燃室喷射策略研究北大核心CSCD

基于一台四冲程单缸发动机开展湍流射流点火甲醇发动机的性能表现和燃烧特性研究。结果表明,湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)燃烧模式放热率(heat release rate,HRR)曲线呈现“双峰”现象,放热率峰值明显高于火花塞点火(spark ignition,SI)模式,且具有更短的燃烧持续期。过量空气系数λ=1.0时,预燃室内不喷射甲醇的被动式TJI模式的平均指示压力略低于SI模式,指示燃油消耗率略高于SI模式。对于主动式TJI燃烧模式,λ=1.5,预燃室甲醇喷射时刻为压缩上止点前180°曲轴转角,喷射脉宽保持在350μs~600μs之间时,TJI甲醇发动机燃烧稳定性较好,同时动力性与经济性均有所提升。     

点火位置对天然气直喷超稀燃烧影响的基础性研究

利用快速压缩装置进行了点火位置对天然气直喷超稀燃烧的基础性研究，研究结果表明：对于给定的当量比来说，存在一个最佳点火位置，在此位置点火时可以获得最短的燃烧持续期、最大的压力升高值、最高的燃烧效率，最快的燃烧放热率和最低的CO和未燃碳氢排放。最佳点火位置随当量比的减小而移向喷油嘴出口位置。当点火位置靠近喷油嘴出口位置时，稀燃极限可以延伸到更小的当量比，但可着火的当量比的范围变得狭窄。当量比大于0.1时，燃烧效率将维持在较高的数值；当量比小于0.1时，因未燃燃油所占的比例增加，燃烧效率明显降低。     

增压发动机被动预燃室的仿真分析

用CONVERGE软件对预燃室燃烧系统模型进行网格划分，设置关键参数以研究预燃室喷孔数对湍流比、湍动能、空燃比、缸内混合气流速的影响。结果表明：进气行程结束前，预燃室喷孔数对湍流比无影响；气门关闭时，预燃室喷孔数为偶数对湍流比无影响，奇数则对湍流比影响较大；预燃室喷孔数对湍动能影响较小；预燃室喷孔数对主燃室空燃比影响不大；预燃室喷孔数减少，可以提升缸内混合气流速。