直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究

基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,基于不同的燃油总量、直喷汽油量、预混汽油油量和汽柴油喷射时刻等参数,展开了缸内直喷汽油对反应活性控制压燃(RCCI)燃烧模式高负荷拓展影响的研究。结果表明:进气压力及柴油喷射时刻会影响缸内浓度分层进而影响燃烧过程,而汽油喷射时刻影响不明显;在汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略下,增加缸内直喷汽油量可以进一步增强缸内的混合气浓度分层,延长燃烧持续期,降低缸内的最高燃烧压力和压力升高率,实现更低的燃烧温度。仿真计算结果显示:若保证碳烟和NOx排放在限值内且油耗有所降低,可将平均有效指示压力(IMEP)拓展至1.6MPa;将IMEP拓展到1.7MPa后,增加汽油的预混比例并不能提高IMEP,但对排放略有改善,相应的压力升高率和燃烧压力提高。     

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.     

直喷汽油对HPCC大负荷工况影响的数值模拟

利用三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,对燃油预混比例、汽油喷射时刻、柴油喷射时刻和柴油喷射量4个参数进行优化,系统研究了缸内直喷汽油对高比例预混燃烧(HPCC)大负荷工况的影响.结果表明:汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略可以增强缸内的混合气浓度分层;采用该喷油策略计算得到的平均指示有效压力(IMEP)和压力升高率分别为1.350,MPa、0.520,MPa/(°)CA,相比于基准工况的1.346,MPa和0.893,MPa/(°)CA,在保证IMEP不变的前提下,压力升高率和NOx排放分别降低了41%,和46%,,soot排放略有升高.采用汽油混合喷射结合柴油缸内直喷是控制压力升高率和拓展HPCC运行负荷上限的有效措施之一.     

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.     

基于缸内直喷的甲醇汽油混合燃料HCCI燃烧排放特性研究

在缸内直喷发动机上研究甲醇汽油混合燃料的HCCI燃烧排放特性,分析了其非常规排放的性能。试验中选用汽油、M10(甲醇体积分数10%)、M20(甲醇体积分数20%)3种燃料,并通过FTIR方法测量甲醇及甲醛等非常规排放。研究结果表明:在汽油中添加甲醇可以有效拓展HCCI燃烧的高负荷范围,M20燃料的高负荷范围比汽油提高近9%,指示燃油消耗率比汽油高5%～10%,但指示能量消耗率比汽油低2%～6%。CO、THC、NOx等常规排放随甲醇添加比例的增加而降低,而甲醇和甲醛等非常规排放随甲醇添加比例的增加而增加,并随负荷增高呈先增加后减少的趋势。     

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.     

汽油和乙醇预混对柴油机燃烧与排放影响的试验

基于一台单缸柴油机,分别采用进气道喷射汽油和乙醇的预混方式,通过调节不同负荷下喷射汽油/柴油和乙醇/柴油燃料比例,以研究其对发动机燃烧与排放的影响.结果表明,低负荷下采用汽油或者乙醇预混,缸内最高燃烧压力降低,实现较为缓和的燃烧放热,均可以同时降低碳烟(Soot)和NOx,但HC和CO排放增加.较高负荷下随着预混比例增大,放热更加剧烈,缸内最大爆压升高.滞燃期随燃油预混比例增大而增大,但增大幅度随负荷增大而逐渐减小.与汽油预混方式相比,采用乙醇预混的方式滞燃期增大更加明显,且燃烧温度较低,在较高负荷下仍能实现较为缓和的燃烧放热,表明采用乙醇预混的方式有利于向高负荷拓展.     

汽油/柴油双燃料发动机的低速高负荷扩展

在一台改造的单缸发动机上开展了进气道喷射汽油、缸内直喷柴油的双燃料燃烧模式的低速高负荷扩展研究.结果表明:汽油/柴油双燃料发动机高负荷工况需配合高比例废气再循环(EGR),当采用原机相同工况的进气压力时,由于进气量不足抑制了高EGR率的应用,导致高NO_x排放.通过提高进气压力,稳定燃烧对应的柴油喷油时刻范围变宽,汽油比例上限提高,降低了燃烧控制的难度.但由于汽油/柴油双燃料发动机的汽油高度预混合特性及直喷柴油引起的局部不均匀性,导致缸内最大压力升高率(MPRR)及碳烟排放偏高,限制了其向更高负荷的扩展.在提高进气压力的同时,通过提高汽油比例及EGR率,实现了在限定条件下向更高负荷的扩展及燃油消耗率的降低.相比于原柴油机,汽油/柴油双燃料发动机高负荷扩展的受限因素由进气增压前的高NO_x排放转变为增压后的高压力升高率.     

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。     

内外EGR拓展汽油HCCI发动机高负荷的试验研究

均质混合气压缩着火(HCCI)是一种高效低排放的燃烧方式,但与传统汽油机相比,HCCI发动机受爆震和NOx排放的限制运行范围较窄,自然吸气HCCI发动机的最大IMEP约为0.5MPa.在一台四冲程缸内直喷汽油机上,研究了内外EGR结合对HCCI高负荷拓展的作用.试验结果表明:HCCI发动机所能达到的最大IMEP从0.41MPa拓展到0.59MPa.在相同油量下,随着外部EGR率的增加,燃烧持续期明显增加,燃烧温度大幅度下降,NOx排放大幅降低.同时,HCCI燃烧可通过调整内外EGR的比例来加以优化.     

Experimental study of fuel stratification for HCCI high load extension

Fuel stratification has the potential to extend the high load limits of homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion by improving the control over the combustion phase as well as reducing the maximum rate of pressure rise. In this work, experiments were carried out on a single-cylinder engine equipped with a dual-fuel-injection system – a port injector for preparing a homogeneous charge and a direct in-cylinder injector for creating the desired fuel stratification. The homogeneous charge was prepared using gasoline fuel while the fuel stratification was created with the in-cylinder injection of either gasoline or methanol during the compression stroke. The test results indicate that high load extension using gasoline for fuel stratification is limited by the trade-off between CO and NO_x emissions. Weak gasoline stratification leads to an advanced combustion phase and an increase in NO_x emission, while increasing the stratification with a higher quantity of gasoline direct injection, results in a significant deterioration in both the combustion efficiency and the CO emission. Engine tests using methanol for the stratification retarded the ignition timing and prolonged the combustion duration, resulting in a substantial reduction in the maximum rate of pressure rise and the maximum cylinder pressure – a prerequisite for HCCI high load extension. Further tests were then conducted with methanol stratification to extend the HCCI load limit and to optimize the stratified methanol-to-gasoline fuel ratio. Compared to gasoline HCCI, a 50% increase in the maximum IMEP attained was achieved with an acceptable maximum pressure rise rate of 0.5 MPa/°CA while maintaining a high thermal efficiency.     

HCCI甲醇发动机的燃烧与排放特性

在Ricardo Hydra单缸四冲程发动机上利用内部废气再循环策略实现了甲醇燃料的HCCI燃烧.通过调整HCCI发动机的过量空气系数和转速,研究了HCCI甲醇发动机的燃烧和排放特性.结果表明,甲醇燃料的HCCI燃烧不同于普通汽油,其着火更早、燃烧更快,但在低转速时,平均指示压力相对较低.甲醇燃料可以在更稀的混合气条件下实现HCCI燃烧.在相同的转速和过量空气系数下,甲醇燃料的NOx和HC排放低于汽油.     

Active fuel design—A way to manage the right fuel for HCCI engines

Homogenous charge compression ignition (HCCI) engines feature high thermal efficiency and ultralow emissions compared to gasoline engines. However, unlike SI engines, HCCI combustion does not have a direct way to trigger the in-cylinder combustion. Therefore, gasoline HCCI combustion is facing challenges in the control of ignition and, combustion, and operational range extension. In this paper, an active fuel design concept was proposed to explore a potential pathway to optimize the HCCI engine combustion and broaden its operational range. The active fuel design concept was realized by real time control of dual-fuel (gasoline and n-heptane) port injection, with exhaust gas recirculation (EGR) rate and intake temperature adjusted. It was found that the cylinderto- cylinder variation in HCCI combustion could be effectively reduced by the optimization in fuel injection proportion, and that the rapid transition process from SI to HCCI could be realized. The active fuel design technology could significantly increase the adaptability of HCCI combustion to increased EGR rate and reduced intake temperature. Active fuel design was shown to broaden the operational HCCI load to 9.3 bar indicated mean effective pressure (IMEP). HCCI operation was used by up to 70% of the SI mode load while reducing fuel consumption and nitrogen oxides emissions. Therefore, the active fuel design technology could manage the right fuel for clean engine combustion, and provide a potential pathway for engine fuel diversification and future engine concept.     

均质压燃燃烧闭环控制系统的开发和试验研究

以缸内喷射CO2为控制手段,实现了对柴油均质压燃(HCCI)燃烧的闭环控制。开发了基于循环的燃烧相位闭环控制系统,试验研究了系统的开环和闭环性能。基于循环的燃烧闭环控制系统包括气缸压力采集、燃烧特征参数计算和控制参数更新等模块。经过对最高燃烧压力对应的曲轴转角(φpmax)、最大压力升高率对应的曲轴转角(φλmax)和燃烧分数为50%时对应的曲轴转角(CA50)等参数的比较,决定选择CA50作为反馈参数。试验结果表明:用CO2喷射作为执行器能实现燃烧相位的快速控制。系统能很好地跟踪CA50阶跃输入,并且在转速和负荷干扰存在的情况下实现对CA50的控制。     

多缸HCCI汽油机SIAI/AI燃烧模式切换的试验

HCCI/SI复合燃烧模式是HCCI汽油发动机实用化的运行策略.但不同的空燃比和内部EGR率的需求给HCCI/SI模式切换带来了极大控制难度;同时由于HCCI负荷范围窄,使得燃烧模式切换频率过高,降低了发动机运行稳定性.在一台具备错位双凸轮机构的多缸汽油机上实现了火花点火激发混合气自燃着火(SIAI)燃烧方式,扩展了压燃模式下的负荷范围,研究了SIAI/SI燃烧模式的切换.结果表明,采用压缩冲程燃油喷射配合火花点火策略能够有效地避免燃烧模式切换中的失火现象,提高模式切换的稳定性;同时采用SIAI燃烧方式扩展内部EGR条件下的负荷范围,可以有效地减小模式切换频率.     

基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究

在电控气口喷射四冲程单缸试验机上,利用特殊设计的小包角配气凸轮,通过负气门重叠角实现了由内部残余废气控制的汽油HCCI燃烧,详细研究了气门定时参数对HCCI燃烧的影响.结果表明,就进排气门定时比较而言,排气门关闭时刻对内部EGR率和负荷的影响更大,而进气门开启时刻对HCCI燃烧的影响相对较小.在进排气门相位对称条件下,随着气门重叠负角的减小,最大压力升高率增加,着火时刻提前,负荷也增大.随着转速的增加,内部EGR率增加,排气温度升高,着火时刻也提前.通过调整气门定时,在不需要进气加热的条件下,可在转速880～4 000 r/min,负荷0.25～0.75 MPa（pIMEP）的范围实现HCCI燃烧.     

Control of homogeneous charge compression ignition combustion in a two-cylinder gasoline direct injection engine with negative valve overlap

Homogeneous charge compression ignition (HCCI) has challenges in ignition timing control, combustion rate control, and operating range extension. In this paper, HCCI combustion was studied in a two-cylinder gasoline direct injection (GDI) engine with negative valve overlap (NVO). A two-stage gasoline direct injection strategy combined with negative valve overlap was used to control mixture formation and combustion. The gasoline engine could be operated in HCCI combustion mode at a speed range of 800–2 200 r/min and load, indicated mean effective pressure (IMEP) range of 0.1–0.53 MPa. The engine fuel consumption is below 240 g/(kW⁻¹·h⁻¹), and the NO _x emission is below 4 × 10⁻⁵ without soot emission. The effect of different injection strategies on HCCI combustion was studied. The experimental results indicated that the coefficient of variation of the engine cycle decreased by using NVO with two-stage direct injection; the ignition timing and combustion rate could be controlled; and the operational range of HCCI combustion could be extended. Translated from J Tsinghua Univ (Sci & Tech), 2006, 46(5): 720–723 [译自: 清华大学学报]