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。     

高压缩比湍流射流点火发动机负荷拓展及性能优化

稀薄燃烧可以提高发动机效率并降低排放,而湍流射流点火(TJI)是一种能够实现稀薄燃烧稳定点火的技术．笔者基于一台压缩比为13.0的单缸、四冲程汽油机,开展了TJI汽油机小负荷和大负荷极限的拓展研究,并结合试验提出一种全负荷运行策略．在大负荷拓展方面,采用进气增压的策略;在小负荷拓展方面,对比了质调节和量调节两种方式．结果表明：进气增压可拓展TJI发动机的大负荷极限,增压后发动机指示平均有效压力(IMEP)上限可以拓展至1.06 MPa,且指示燃油消耗率(ISFC)降低．小负荷运行工况下,量调节方式在燃油经济性与排放方面均明显优于质调节,主要因为过于稀薄的混合气不利于火焰传播,小负荷工况下需保证一定的混合气浓度以实现高效燃烧．最后,提出一种不同负荷的运行优化策略以实现TJI发动机在全负荷工况下高效运行.     

预燃室湍流射流点火甲醇发动机稀薄燃烧和排放特性试验研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)甲醇发动机燃烧特性、性能表现和排放特性的试验研究。结果表明,TJI燃烧模式燃烧速率较快,放热率(heat release rate,HRR)峰值明显较高,且具有更短的滞燃期和燃烧持续期。随着过量空气系数变大,缸内压力和放热率峰值变小,TJI和火花塞点火(spark ignition,SI)燃烧模式滞燃期和燃烧持续期均变长。此外,TJI燃烧模式可有效提升甲醇发动机的稀薄燃烧稳定性,可将稀燃极限拓展至过量空气系数2.0。TJI燃烧模式下平均指示压力略低于SI模式;然而对于过量空气系数大于1.1的稀燃工况,TJI燃烧模式指示燃油消耗率更低,在过量空气系数1.3时低于570 g/(k W·h),说明其具有更好的燃油经济性。TJI燃烧模式下氮氧化物排放量明显低于SI燃烧模式,过量空气系数1.1时降低约37.2%,并且在过量空气系数大于1.3的极稀燃工况具有相对较低的甲醛CH₂O和碳氢化合物排放。     

湍流射流点火对天然气发动机燃烧特性影响的试验研究

湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition,TJI）是一种有效的燃烧增强技术,可提供更高的点火能量,使发动机稳定着火,且可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现发动机稀薄燃烧的有效手段。基于一台带有预燃室的点燃式单缸试验机,开展了TJI模式下天然气发动机性能的试验研究。首先,研究了不同过量空气系数下TJI对天然气发动机动力性能、排放性能及燃烧特性的影响,并与火花塞点火（Spark Ignition,SI）模式进行对比;其次,在稀燃条件下分别探究了进气增压和预燃室喷氢对天然气发动机动力性、经济性及燃烧过程的优化作用。结果表明：TJI的使用可有效拓展天然气发动机的稀燃极限,且燃烧滞燃期和燃烧持续期均更短,放热率更高;过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且可实现氮氧化物近零排放;此外,采用进气增压的方式可以提高TJI发动机在高负荷下的经济性;TJI模式下,相较于预燃室喷甲烷,预燃室喷氢气可进一步缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。     

预燃室射流点火对汽油发动机性能影响

基于一台单缸汽油发动机,设计了主动预燃室系统,试验了预燃室混合气状态对燃烧及排放的影响,通过对比不同点火能量的火花塞点火和预燃室点火,明确预燃室射流点火对燃烧过程影响机理．结果表明：随着预燃室内喷油量的增加,颗粒物数量(PN)排放增加;预燃室内浓混合气能改善燃烧相位、加快燃烧速度,提高点火性能,但预燃室内当量比附近的混合气有更大的节油潜力．当全局过量空气系数φglobal小于1.4时,预燃室点火燃油消耗率恶化;当φglobal大于1.4时,预燃室改善热效率的能力开始凸显．当预燃室中燃油量占总循环油量的分数为2%时,预燃室点火能将稀燃极限扩展至φglobal为2.1,在φglobal为1.8时总指示热效率达到48.5%的最大值．     

预燃室式火花点火天然气发动机燃烧模型

由于全球能源和环保的要求，预燃室式火点火天然气发动机近十年来得到迅速发展。在实验研究方面已经取得很大进展，但得燃烧模型方面，目前尚未见到有报道。     

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。     

火花点火式稀薄燃气发动机

<正> 1 引言在预燃室稀薄天然气发动机上进行了燃烧过程详细研究。这种发动机引入主燃烧室的燃气非常稀薄(通常50％～100％的过量空气),而预燃室引入少量较浓燃气。压缩之后,预燃室燃气浓度达到化学当量混合比。预燃室内燃气一旦被火花塞点火引燃,燃烧迅速发生,仅在曲轴转角几度之后火焰射流进入主燃烧室,火焰射流能量比原来火花能量大几个数量级。事实上预燃室在这里起一个“能量放大器”作用,放大后的能量用来引燃主燃烧室的稀薄燃气。     

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。     

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。     

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。     

预燃室氢射流火焰引燃氨预混气火焰发展及着火特性数值研究

基于计算流体平台CONVERGE,对化学当量比下H2射流火焰引燃NH3、空气预混气过程中射流火焰的发展历程、射流特性及主/预燃室物质场分布进行了数值仿真。结果表明：射流火焰发展历程可分为射流阶段、过渡阶段和热射流阶段三个阶段;射流火焰的前锋面移动距离的增长率受NH3火焰传播速度的制约而逐渐下降;随着射流引燃的进行,射流火焰温度场和物质浓度场呈现明显分层现象,NH2高浓度区经分离后分布在射流头部的NH3燃烧区及射流尾部的H2射流火焰区。     

利用EGR控制甲醇发动机负荷

将一台2,L柴油机改装成点火式甲醇发动机,在该发动机上做了仅利用EGR(废气再循环)控制负荷的试验研究.试验时节气门全开,仅用废气和甲醇喷射量来调节负荷.试验中选择了多个点火提前角,寻找了每个点火提前角下的爆震对应的最小EGR率和转矩波动对应的最大EGR率,以及利用EGR可控的负荷范围.结果显示,在18,°CA BTDC点火时最大转矩达到153.4,N.m,在39,°CA BTDC点火时最小转矩达到55.5,N.m;点火提前角增大,最小EGR率逐渐增大,最大EGR率先增大后减小;点火提前角增大,最大转矩逐渐降低,最小转矩先增大后减小,且中间有波动;通过油耗分析,发现功率在14,kW以上,可以通过调整点火提前角来降低燃料消耗率,而功率小于14,kW之后通过调整点火提前角降低燃料消耗率不明显.     

甲醇燃料低速机性能仿真研究北大核心CSCD

基于某型低速柴油机,利用CONVERGE仿真软件建立了柴油模式缸内燃烧模型,并根据试验数据进行了燃烧模型标定。在标定的柴油模式缸内燃烧模型的基础上,将3个甲醇喷射器和3个引燃柴油喷射器安装在缸盖上,每个甲醇喷射器与引燃柴油喷射器成30°夹角安装,开展了柴油引燃甲醇燃烧模式缸内燃烧模拟,在100%负荷下研究了甲醇喷射器喷孔大小、引燃柴油喷射正时对发动机着火及燃烧过程的影响及与原柴油模式的对比。研究表明:甲醇喷射持续期为25°时,可以得到与原柴油机相近的缸内峰值压力水平;甲醇喷射正时不变的情况下随着引燃油喷射正时的提前角减小,发动机整体性能呈下降趋势,但下降幅度较小。     

火花点火甲醇发动机工作过程多维数值模拟

研究对象为一台由柴油机改造的火花点火甲醇发动机,应用AVL-FIRE软件的FEP技术建立进气道-进气门-气缸部分三维动态网格,建立数学模型并验证了模型的可行性;详细分析了缸内流体速度场分布,甲醇与空气的混合气燃烧火焰扩散及传播过程;研究了火花塞位置对甲醇发动机燃烧过程的影响,结果表明火花塞设置在原柴油机喷油器处较为合理...     

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.     

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。