双燃料发动机天然气逃逸的仿真研究

以Z6170型柴油机改造后的进气总管喷射进气柴油/LNG双燃料发动机为研究对象,在Fluent软件环境中,运用动网格技术模拟气门重叠期天然气逃逸过程,定量分析转速、进气提前角和排气迟闭角对双燃料发动机气门重叠期天然气逃逸的影响。仿真结果表明:进气总管喷射进气双燃料发动机气门重叠期存在天然气逃逸现象;在其他条件相同的情况下,发动机转速升高,一个工作循环内气门重叠期CH_4逃逸量减少;气门重叠角大小对气门重叠期CH_4逃逸的影响最大,特别是进气提前角影响尤为突出。     

VVT对发动机性能影响的试验研究

研究了VVT对发动机充量系数、燃烧、动力性和排放的影响。试验结果表明:充量系数随着气门重叠角的增大而增大,缸内气流运动影响最佳燃烧对应的气门重叠角,进气VVT主要影响发动机的动力性,合适的进气VVT能够使扭矩提高11.6%,而排气VVT则影响发动机的排放,随着排气VVT的提前,NOx下降36%。     

燃烧系统参数对增压中冷柴油-天然气双燃料发动机排放特性和经济性影响的实验研究

将一台6缸、增压中冷柴油机改装为混合器进气方式的柴油—天然气双燃料发动机，对其燃烧系统参数对双燃料发动机排放和经济性的影响进行了实验研究，包括引燃柴油喷油时刻、天然气替代率、中冷后进气温度的影响。双燃料发动机的排放与空燃比及燃烧系统参数密切相关。替代率增加时，排气烟度降低，HC排放升高，当量燃油消耗率升高，CO排放在替代率较小时随替代率增加而升高，但在替代率较高时随替代率增加而略有降低。替代率对NOx排放的影响则与发动机工况有关，在最大转矩和低速大负荷工况，空燃比值较小，NOx排放随替代率的升高而增大；在标定功率工况，空燃比较大，NOx排放随替代率的升高而减小。提前角减小，NOx排放降低。中冷后温度升高，碳烟排放和NOx排放升高，HC和CO排放降低，当量燃油消耗率降低。研究结果表明，采用增压中冷技术、提高CNG替代率、减小引燃柴油喷油提前角，能够有效地降低双燃料发动机的有害排放物。     

增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的实验研究

对天然气替代率、引燃柴油喷油时刻和中冷后进气温度等燃烧系统参数对增压中冷柴油—天然气双燃料发动机燃烧特性的影响进行了实验研究。研究结果表明：增压中冷柴油—天然气双燃料发动机的燃烧放热速率比纯柴油快，引燃柴油的着火时刻和缸内燃料空燃比值决定着双燃料发动机的燃烧特性，即着火时刻在上止点前且空燃比值较小时，其燃烧接近于定容燃烧过程，随着天然气替代率的升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度升高；而着火时刻在上止点后且空燃比值较大时，其燃烧接近于等压燃烧过程，随着天然气替代率升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低。最大爆发压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度随引燃柴油喷油提前角的增大而升高；而随着进气温度升高，最大爆发压力和缸内温度增大。     

生物制气-柴油双燃料发动机NOx计算模型

采用气化炉热解气化各种农林废弃的生物质,产生可燃生物制气,作为双燃料发动机的主要燃料。双燃料发动机由单缸、四冲程、水冷、直喷式柴油机改装,生物制气通入发动机进气管,在进气过程中吸入气缸。在油滴蒸发准维燃烧模型的基础上,结合单区模型和详细化学反应动力学机理,建立生物制气-柴油双燃料发动机的NOx生成模型,计算结果与试验结果吻合较好。供油提前角提前,生物制气-柴油双燃料发动机NOx排放量增加;引燃柴油量减小时,NOx排放量减小。     

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.     

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。     

连续可变气门升程系统对增压直喷发动机燃油经济性影响的研究

为了深入分析连续可变气门升程(continuously variable valve lift,CVVL)系统对增压直喷(turbo-charged gasoline direct injection,TGDI)汽油发动机燃油经济性影响,通过对2 000r/min下0.2MPa和1.2MPa及5 000r/min下0.2MPa和1.2MPa这4个典型工况点的台架测试,对比分析了可变气门升程和可变气门正时(variable valve timing,VVT)对比油耗(brake specific fuel consumption,BSFC)的影响规律。结果表明:低负荷工况,比油耗随进气VVT提前和排气VVT推迟线性下降;降低气门升程,增加节气门开度,进气VVT可以进一步提前,排气VVT可以进一步推迟,从而形成米勒循环,使比油耗进一步降低。高负荷工况,气门全升程时比油耗更低,比油耗随进气和排气VVT提前而下降,但进气VVT对比油耗影响较小。     

气门正时对柴油燃料HCCI燃烧影响的初步实验研究

开发了变进排气正时控制机构,实现气门正时的调节,采用在进气上止点前进行柴油燃料的喷射,利用缸内残余高温废气余热加速燃油蒸发,实现了柴油燃料的HCCI燃烧,同时,研究了不同气门重叠期下HCCI燃烧的燃烧特性,不同负荷的工作稳定性和排放特性,结果表明,对于低温自燃性好的柴油燃料,排气门早关和进气门晚开引起的缸内温度升高比由此引起的残余废气增加对工质的稀释效果更大,使HCCI燃烧的着火始点提前,易引起大负荷工况HCCI燃烧的工作粗暴,但有利于小负荷工况HCCI燃烧的工作稳定性。     

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。     

生物制气-柴油双燃料发动机放热规律试验研究

采用气化炉热解气化各种农林废弃的生物质,产生可燃生物制气,用作为以柴油引燃的双燃料发动机的主要燃料。测量生物制气-柴油双燃料发动机气缸压力,计算分析放热规律。双燃料发动机与燃用纯柴油时的发动机相比,燃烧始点延迟,最大燃烧压力降低,最大放热率和排气温度增加,后燃较严重。负荷增大时,双燃料发动机燃烧始点提前,最大燃烧放热率增高,最高燃烧温度升高,后燃较严重。供油提前角提前时,后燃减小,燃烧过程明显改善。     

供油提前角对天然气/柴油双燃料发动机排放的影响

天然气／柴油双燃料发动机的排放指标受多种因素的制约,其中作为引燃燃料－柴油的供油提前角变化对发动机排放特性影响较大。试验结果表明,在可调节的供油提前角范围内,双燃料发动机排放中的ＴＨＣ相差３倍以上,ＣＯ相差近１．５倍左右,ＮＯｘ相差１．５倍左右。而且,在保证原机标定功率和动力性的基础上,双燃料发动机的供油提前角需要适当调整,并存在最佳供油提前角,保证良好的排放性能。     

LNG/柴油双燃料发动机掺烧策略的试验分析

针对LNG/柴油双燃料发动机的LNG燃料掺烧问题,以Z6170ZLCZ-19柴油机为原型机,采用增压器后单点进气方式进行改装,对掺烧策略进行试验研究。研究结果表明:在极低负荷区与重载超载区,不宜掺烧LNG燃料;在中低和中高负荷区,可适量掺烧LNG燃料;在中负荷区,双燃料发动机综合性能较好,适宜掺烧LNG燃料。将双燃料发动机工作范围划分为"禁止区"、"控制区"和"健康运行区",并对各个区域设置相应的替代率上限值,可较好地解决LNG的合理掺烧问题。     

柴油机采用扩张排气支管的流动特性试验研究

随着柴油机增压程度的提高,对排气系统的设计提出了新的要求．由于涡轮增压器综合效率的提高及柴油机向小气门重叠角方向的发展,许多高增压柴油机采用单排气总管排气系统．本文用试验手段研究了单排气总管系统采用扩张排气支管的流动特性,研究了排气支管的适度扩张有利于发动机缸内低压循环的基本原理．     

柴油/CNG双燃料发动机排放性能的试验研究

在设计开发的CA6113BN-01柴油/CNG双燃料发动机的基础上，通过改变燃烧系统参数，柴油供油系统参数和在天然气供气系统参数等，研究了这些参数变化时对柴油/CNG双燃料发动机排放特性的影响。试验结果表明：柴油/CNG双燃料发动机的燃烧室形状对双燃料发动机性能，排放的影响较小。NOx、HC排放量随提前角的变化趋势和柴油机相似，提前角增大，NOx排放量增加，HC排放量也增加，提前角对CO排放影响较小。喷油器的开启压力提高可以有效地改善双燃料发动机的排放。     

双VVT开度对GDI增压发动机性能的影响

通过对配置双VVT的GDI增压发动机进行试验,研究了双VVT开度变化对GDI增压发动机外特性和部分负荷性能的影响.试验结果表明,中等转速高负载采用较大的气门重叠角,可提高体积效率;低转速高负载采用较小的气门重叠角,可提高充量系数.部分负荷方面,较小气门重叠角对改善发动机稳定性有益.     

6105ZQS双燃料发动机的开发及试验研究

针对6105ZQ增压中冷发动机开发出了610SZQS柴油-天然气双燃料发动机。为了进一步对6105ZQ双燃料发动机进行性能研究，针对燃烧室结构参数、供油提前角、天然气替代率等对双燃料发动机性能有重要影响的因素进行了试验，研究其对发动机性能、缸内压力升高率、放热率以及缸内温度的影响，为今后开发天然气电控喷射式双燃料发动机及提高其性能提供依据。     

基于气门升程曲线的发动机性能优化

进排气门的开启时刻,对气缸充量有重要的影响。利用进气惯性及进气门迟闭可以有效地增加气缸充量,而较大的迟闭角可能会因为活塞的上移将气体推出气缸,减小气缸充量。同样,排气提前可以有效地降低缸内残余废气,使排气通畅;而较大的排气提前角可能会造成有效功的损失,并导致各缸间进排气干涉,减小气缸充量。采用仿真分析的方法,分析造成发动机扭矩偏低的原因,更改进排气门升程曲线,有效地增加气缸充量,增加发动机动力性。同时通过试验验证,选用最终的实施方案。     

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.