典型工况下的稀燃天然气发动机燃烧循环变动研究

通过分别记录稀燃天然气发动机在怠速、低速大负荷及高速大负荷工况下的缸内压力数据,提取并计算各工况下缸内燃烧特征参数的循环变动率,进而研究各工况下稀燃天然气发动机燃烧循环变动的特性。结果表明:在怠速工况下,天然气发动机燃用稀混和气时,燃烧循环变动十分明显;与低速大负荷工况相比,稀燃天然气发动机在高速大负荷工况下的平均指示压力燃烧循环变动系数上升了一倍。     

小升程凸轮轴发动机HCCI燃烧特性的研究

为了在发动机的低速低负荷区实现均质充量压缩着火（HCCI）燃烧，设计了气门升程小和气门开启持续期短的进、排气门凸轮轴，并将其安装在Ricardo Hydra单缸汽油机上。试验研究了发动机使用理论空燃比混合气时的燃烧情况，结果表明，使用负气门重叠角可以在低速低负荷区实现HCCI燃烧。在HCCI燃烧方式下运行时的平均指示压力（PIMEP）依赖于气门定时和发动机转速。排气门关闭越早，缸内的残余废气量增加，每循环进气量减少，燃烧持续期变长，PIMEP减小，然而泵气损失减小；进气相位对PIMEP的影响小于排气相位的影响；高的发动机转速对燃烧过程的影响类似于排气门早关．     

气门重叠角的大小及位置对汽油机性能影响的研究

改变配气相位是发动机提升性能和改善排放的重要途径之一,随着可变气门正时(VVT)技术的发展,使得气门重叠角的大小和位置都可调节,实现了根据不同发动机工况对配气相位进行调节,本文采用GT-power软件,针对发动机不同工况采用不同重叠角的大小及位置进行模拟研究,从性能角度给出不同重叠角大小及位置对性能的影响规律。研究表明:在扫气区,增加重叠角有利于提高充气效率同时抑制爆震,但重叠角位置不能过于靠后,在小负荷,采用大的重叠角会增加残余废气量,使得燃烧不稳定,然而通过前移重叠角位置可以使得在较大重叠角下仍然具有很好的残余废气控制。     

增压直喷汽油机低速高负荷扫气性能研究

研究了增压直喷发动机低速高负荷工况(1200r/min外特性工况)下,不同气门重叠角对发动机扫气量、动力性、经济性和排放的影响。研究结果表明:随着气门重叠角的增大,发动机进气量增加,同时直接进入尾气的新鲜空气暨扫气量也大幅增加,尾气含氧量增加;扭矩相应增加,但有效热效率随之降低;THC及NOx排放基本随着气门重叠角的增大而增加,仅在气门重叠角为40°CA时,NOx排放大幅下降。     

过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响

在一台Ricardo Hydra单缸四气门汽油机上,利用气门重叠负角方法实现了均质充量压缩着火(HCCI)燃烧,并通过试验研究了过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响.研究结果表明,在相同的转速和气门相位角下,随着过量空气系数的增加,平均指示压力减小,缸内残余废气率也减小,但燃油消耗率的变化趋势与转速有关.在大多数工况下,过量空气系数为1.05时,HCCI发动机的着火时刻最早,燃烧持续期最短.过量空气系数对循环波动的影响与转速和气门相位角有关.随着转速的增加,循环波动增大.     

气门重叠角度对内燃机换气过程的影响规律研究

结合模拟仿真和试验方法,对气门重叠角在某发动机较高转速外特性工况点下对发动机性能的影响规律和作用机制进行了研究。分析可知,排气门晚关角过小将导致进气初期发生倒流且使得排气末期流动损失加剧,而排气门晚关角过大将使排气末期的废气倒流加剧且使得进气初期的进气不畅;进气门早开角过小将使得进气初期的正向流动损失加剧且使得排气末期发生倒流,而进气门早开角过大将使得进气初期发生倒流。研究结果表明:最佳排气门晚关角和进气门早开角的选取原则分别为总排气量最大和进气开启流速为零,根据优化结果指导加工出配气凸轮轴并在发动机台架上进行试验,功率、扭矩等动力性指标提高约2%,充量系数和循环进气量提高约5%,证明了仿真计算方法的准确性和有效性。     

无节气门汽油机燃烧循环变动特性试验

一种全可变液压气门机构(FHVVS)可实现气门升程和开启持续期的连续可变,采用进气门早关的方式可取代节气门实现无节气门负荷控制方式.通过试验测量缸内压力,发现无节气门汽油机在小负荷工况下的燃烧循环变动明显增大,燃烧速率显著降低.通过增大点火提前角,使燃烧重心(CA 50)调整至5°~10°,CA ATDC的推荐位置,却导致出现失火循环.探讨了通过组织进气涡流和增大点火能量的方式改善燃烧性能,结果表明:螺旋进气门能够在小升程时产生较强的进气涡流,显著改善了无节气门汽油机在小负荷工况下的燃烧循环变动和失火循环,提高了指示热效率;增大点火能量对改善燃烧循环变动也有一定作用.     

氢内燃机循环变动特性

为探索氢内燃机的循环变动特性,基于一台2.0,L 进气道喷射式氢内燃机,开展了氢内燃机循环变动特性及影响因素的试验研究．试验结果表明：平均指示压力的循环变动系数是评价氢内燃机循环变动特性的理想特征参数;怠速转速越高,氢内燃机的循环变动越小;随混合气浓度提高,氢内燃机循环变动显著减小,点火提前角对循环变动的影响变弱,同时循环变动系数最小时对应的点火提前角逐渐趋近压缩上止点;节气门开度在0～20%范围时,随节气门开度增大循环变动显著减小;在怠速工况下,进气过程中喷氢会导致氢内燃机循环变动增加．     

凸轮轴型线设计对PFI汽油机低速性能影响的试验研究

凸轮轴是发动机进气系统的重要组成部分,不同型线直接影响发动机的性能和排放水平.本文通过对PFI增压汽油机进行不同型线的凸轮轴计算分析和试验验证,研究了凸轮轴型线对发动机性能及燃烧特性的影响.试验表明,适当减小气门重叠角可以有效提高低速扭矩,但是燃烧变差,适当增大进气门升程及包角,可以增加扫气的同时提高燃油雾化效果,改善燃烧降低油耗,但对扭矩无明显影响.     

EGR系统与两级增压系统的优化匹配研究

以WP12重型柴油机为研究对象,在各转速中等负荷工况,对比低压废气再循环(LP-EGR)系统和高压废气再循环(HP-EGR)系统对增压系统运行规律的影响。试验结果表明:在相同EGR率条件下,采用两种EGR系统,NOx排放几乎相等。在低速工况,采用LPEGR系统时,随着EGR率增加,进气压力增加,进而进气流量增加,缸内平均燃空当量比减小,碳烟排放较采用HP-EGR系统时更低;而在高速工况,循环油量较低速时增加,混合逐渐变得困难,采用HP-EGR系统时,随着EGR率增加,虽然进气流量减小,但此时燃空当量比较小,且涡前压力也逐渐减小,循环油量减小,能大幅改善缸内混合问题,降低碳烟排放;同时,研究表明有效热效率是有用功、换气功及循环油量三方面综合作用的结果。     

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.     

汽油机可变滚流进气系统瞬态模拟研究

运用动态网格技术对直喷汽油机在不同转速下缸内气体运动进行瞬态模拟研究,分析可变滚流进气系统中滚流调节阀工作状态对进气流动、喷雾及油气混合特性以及缸内燃烧特性的影响。模拟结果显示,滚流阀开启和关闭对缸内燃油分布有着显著的影响。通过关闭滚流阀提高滚流强度,可加快缸内燃油雾化速度,有助于点火时刻在缸内形成浓度均匀的混合气并提高燃烧效率;在低转速下关闭滚流阀,增加缸内滚流比,可以显著提高缸内燃烧压力,增加点火时刻的湍动能,配合较晚的点火时刻形成稳定而快速的燃烧。模拟结果有利于分析和评价不同参数对可变滚流直喷汽油机混合气形成及燃烧特性的影响规律,为可变滚流进气系统的整机开发提供理论依据。     

Reducing the idle speed of an SI CNG engine fueled by HCNG with high hydrogen ratio

This paper presents an experimental study aimed at idle characteristics of a CNG engine fueled by HCNG with 55% hydrogen blend. The idle speed was reduced from original 800 r/min to 750 r/min and 700 r/min, and the characteristics of combustion & emissions at reduced idle speed were investigated. It is found that, for the HCNG engine, only reducing idle speed cannot reduce fuel consumption at conditions of fixed λ. In order to reduce fuel consumption and keep the COV at rather low levels, the excess air ratio must be increased properly while reducing the engine idle speed. Due to the large valve overlap (30°) of this inlet inject HCNG engine, CH₄ emissions are mainly caused by scavenging, which account for the vast majority of THC emissions. The emissions of CO, THC and NOx are reduced with the decrease of ignition advance angle at a fixed λ.     

发动机可变进气门相位的确定及优化

理想的可变配气相位机构需要灵活的调节进排气门开闭的时间，同时调节行程的大小，对进气量、进气流速、残余废气系数进行控制，最终改善燃烧过程，提高发动机综合性能。而发动机进气门处压力对发动机充气效率有决定性的影响，它与气缸内的压力、进气门流通面积共同决定了发动机的充气效率。笔者对进气门处压力进行了计算分析．对可变进气门相位进行了确定及优化。     

压燃式天然气发动机着火和敲缸的试验研究

提出了一种压燃式天然气发动机燃烧系统。该燃烧系统采用了低散热的分隔式燃烧室和复合供气系统,即利用分别安装于进气管和气缸盖上的高、低压天然气喷射阀在一个工作循环中的分时供气,以在副燃烧室内形成较浓的混合气,在主燃烧室内形成稀混合气。在接近压缩终点处,副室内的混合气首先着火,其火焰喷入主燃烧室点燃其中的稀混合气。在单缸试验机上研究了这一燃烧系统的着火起动特性和敲缸现象。试验结果说明：仅采用进气道低压喷射天然气的供气方式在发动机气缸内形成天然气／空气的均质混合气,可很容易地实现压缩着火和起动发动机;电热塞温度、进气温度及副室与主室之间通道尺寸对发动机的着火和起动性有显著的影响,可以实现仅利用电热塞辅助加热即可在常温进气条件下起动发动机。在主、副燃烧室内实现混合气浓度的时间-空间控制,以实现混合气浓度分层,有助于避免敲缸现象。     

柴油机压缩空气补气系统的车载实验研究

柴油公交车在起步和急加速时,由于发动机转速上升缓慢以及增压器的响应滞后使得进气量跟不上供油量的变化,造成烟度排放增加。为了解决这一问题,本文研究了一种用于车载的压缩空气补气系统。在发动机怠速及减速过程中,辅助空气压缩机向高压储气罐充气;当发动机加速时,由电控单元控制的电磁阀将低压气罐中的压缩空气直接喷入进气管,增加气缸充量。车载实验结果表明,该系统可满足实际应用的要求,显著减少了柴油机加速时的烟度排放。     

气道和燃烧室形状对汽油机缸内流场影响的计算研究

为探究气道及燃烧室形状对汽油机缸内流场的影响,以某1.4L多点进气道喷射(MPI)汽油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件对原机进气道形状进行稳态数值模拟计算,并对原汽油机在2 800r/min最低比油耗工况点进气及燃烧过程进行瞬态数值模拟计算。基于计算结果对进气道及燃烧室形状进行优化设计,提出4种计算方案,对优化前后各计算方案的缸内速度场、湍动能场、火焰前锋面密度和瞬时放热率进行对比分析。结果显示:改进气道的滚流比明显高于原机气道;结合改进气道,进气侧凸起活塞能够更好地维持滚流;在点火时刻,改进气道结合进气侧凸起活塞这一计算方案的缸内湍流分布及湍动能优于改进气道结合大曲率凹坑活塞、原机气道结合原机活塞(压缩比12)与原机计算方案,点火后火焰传播速度最大,燃烧速度最快。优化进气道及燃烧室形状能够加强缸内气流运动,提高点火时刻缸内湍流强度,加速火焰传播,改善燃烧过程。     

Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark-ignited ethanol engine at idle and stoichiometric conditions

Regarding the limited fossil fuel reserves, the renewable ethanol has been considered as one of the substitutional fuels for spark ignition (SI) engines. But due to its high latent heat, ethanol is usually hard to be well evaporated to form the homogeneous fuel–air mixture at low temperatures, e.g., at idle condition. Compared with ethanol, hydrogen possesses many unique combustion and physicochemical properties that help improve combustion process. In this paper, the performance of a hydrogen-enriched SI ethanol engine under idle and stoichiometric conditions was investigated. The experiment was performed on a modified 1.6 L SI engine equipped with a hydrogen port-injection system. The ethanol was injected into the intake ports using the original engine gasoline injection system. A self-developed hybrid electronic control unit (HECU) was adopted to govern the opening and closing of hydrogen and ethanol injectors. The spark timing and idle bypass valve opening were governed by the engine original electronic control unit (OECU), so that the engine could operate under its original target idle speed for each testing point. The engine was first fueled with the pure ethanol and then hydrogen volume fraction in the total intake gas was gradually increased through increasing hydrogen injection duration. For a specified hydrogen addition level, ethanol flow rate was reduced to keep the hydrogen–ethanol–air mixture at stoichiometric condition. The test results showed that hydrogen addition was effective on reducing cyclic variations and improving indicated thermal efficiency of an ethanol engine at idle. The fuel energy flow rate was reduced by 20% when hydrogen volume fraction in the intake rose from 0% to 6.38%. Both flame development and propagation periods were shortened with the increase of hydrogen blending ratio. The heat transfer to the coolant was decreased and the degree of constant volume combustion was enhanced after hydrogen addition. HC and CO emissions were first reduced and then increased with the increase of hydrogen blending fraction. The acetaldehyde emission from the hydrogen-enriched ethanol engine is lower than that from the pure ethanol engine. However, the addition of hydrogen tended to increase NO_x emissions from the ethanol engine at idle and stoichiometric conditions.