喷油对二冲程汽油机混合燃烧模式影响的模拟

利用三维数值模拟,研究了小负荷时两次喷油策略对气门式二冲程直喷汽油机缸内混合气形成和火花点火形成的火焰诱发自燃的混合燃烧(SFI)特性的影响.结果表明:缸内燃油和温度的分层形式是影响混合气自燃特性的重要因素.在固定循环喷油量下,随着第二次喷油比例的增大,火花点火时火花塞周围燃空当量比增大,从气缸中心区到外围区的燃油浓度减小,着火时刻先略有提前然后逐步推迟,同时燃烧持续期先减小后增加,而平均指示压力、最大压力升高率和最大气缸压力均呈先增加后降低的趋势.与单次喷油相比,两次喷油更容易实现SFI燃烧.其中,第二次喷油比例为30%,时,火焰传播速度最快、自燃持续期最短.第二次喷油比例大于70%,时,气缸周围的偏稀混合气在火焰传播过程中难以自燃,缸内以火焰传播为主.     

基于两阶段燃油喷射的直喷汽油机离子电流特性的试验

基于两阶段燃油直喷的汽油机研究了首次喷油时刻、第2次喷油时刻、两阶段喷油比例以及点火时刻对起动首循环缸内燃烧离子电流特性的影响.分析了不同燃烧边界条件下直喷汽油机缸内燃烧反相离子电流峰值及其相位的变化,进而探讨了缸内压力及放热率之间的关系.此外,分析了分层燃烧直喷汽油机典型燃烧情况下的离子电流波形特征,并且对比了分层混合气和均质混合气燃烧模式下离子电流波形特征.结果表明,调整首次喷油时刻、第2次喷油时刻以及两阶段喷油比例主要是改变缸内混合气形成特性,尤其是火花塞附近的局部混合气浓度,影响了火焰传播速度,进而也影响了形成的离子电流的强弱.提前和推迟点火时刻均导致反相离子电流峰值减小.另外,4种典型的燃烧(失火、部分燃烧、伴有后燃以及正常燃烧)情况下,离子电流波形特征有着显著的差异,且反相离子电流峰值和积分信号在4种情况下依次增大,伴有后燃的情况下在做功冲程后期再次出现离子电流峰值波形.     

进气和喷油方式对缸内混合气温度和浓度分布的影响

缸内混合气的温度和浓度分布影响均质充量压缩着火汽油机的着火时刻.为此,利用平面激光诱导荧光法(PLIF)在可视化汽油机上研究进气道喷射方式下进气门相位及升程、燃油缸内直喷方式下喷油时刻对缸内混合气温度及浓度分布的影响.结果表明:在进气门升程保持不变时,随着进气门开启时刻推迟,缸内混合气平均温度呈现先增大后减少的趋势,而混合气的温度及浓度不均匀性增大;在进气门开启时刻一定时,随着进气门最大升程的增大,缸内混合气平均温度先增大后减少,缸内混合气温度及浓度的不均匀性减小;在相同的气门相位及升程下,直喷方式下缸内混合气的平均温度低于进气道喷射方式下的,并且随着直喷燃油时刻的推迟,缸内混合气平均温度降低.     

不同喷油压力对汽油压燃中高负荷性能试验研究

基于一台改装后的压缩比为17的压燃式单缸发动机,展开不同喷油压力对汽油压燃燃烧模式发动机燃烧特性、爆震特性、效率特性和排放特性的研究,结果表明随着喷油压力的增加,缸内混合气形成速度加快,混合气着火时刻提前,燃烧持续期缩短,热效率呈现出先增大后略微降低的趋势。喷油压力的增加使得发动机爆震趋势增强,为降低最大压力升高率和爆震强度,采用推迟喷油策略,但高喷油压力下缸内燃烧对喷油时刻变得敏感,易产生较大的平均指示压力循环波动或爆震,燃烧控制难度增加。对不同喷油压力下爆震循环的缸压信号进行分析得出喷油压力对爆震频率无明显影响。喷油压力升高会使得未燃碳氢和CO排放降低,但同时也会使得NO_x排放增加。     

进气氧浓度和喷油正时对柴油机低温燃烧特性影响的试验研究

在一台四缸增压直喷式柴油机上进行不同进气氧浓度和喷油正时对柴油燃料低温燃烧特性影响的试验研究。研究结果表明:降低进气氧浓度,缸内压力和放热率峰值迅速下降,放热率始点推迟,滞燃期延长,有效燃油消耗率增加,氮氧化物(NO_x)排放大幅降低,CO排放增加。当进气氧浓度较高时,碳烟排放变化较小,而随着进气氧浓度的进一步下降,碳烟排放急速增加。在相同的进气氧浓度下,随着喷油正时的提前,滞燃期先减小后增大,CA50逐渐向上止点靠近,最大压力升高率增大,燃油消耗率下降,NO_x和碳烟排放增大,CO排放减小。     

高辛烷值燃料对HCCI增压发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台经改装的4缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)和93号汽油的进气增压(pin)对均质压燃(HCCI)燃烧特性、性能和排放影响的试验研究.结果表明,进气压力增加,发动机缸内最大爆发压力提高,着火时刻提前.增压后,RON对PRF着火时刻的影响减小,汽油的着火时刻滞后于PRF.进气压力增加,HCCI正常运转工况范围向大负荷和小负荷区域都得到拓展.增压后汽油燃料所能达到的最大负荷比PRF高.相同供油量下,进气压力提高,燃烧效率和净指示热效率先增大后减小;最高燃烧效率和净指示热效率均增大.进气压力增加,HCCI发动机的HC和Nox排放降低,CO排放升高.增压后,RON对PRF的HC、CO和Nox排放影响变小,汽油的HC、CO和Nox排放较PRF高.     

进气增压对负阀重叠HCCI发动机燃烧特性的影响研究

基于一台缸内直喷汽油机进行了进气增压对负阀重叠HCCI发动机燃烧与排放特性的试验与仿真研究。试验结果表明:相同供油量下,随着进气压力从0.10MPa增大到0.15MPa,着火时刻提前了6°CA,缸内最高燃烧压力增大了0.9MPa,放热率峰值下降了18%,燃烧持续期变长,指示热效率先增大后减小,平均指示压力循环变动率仍保持在4%。由于进气增压使内部残余废气率提高了7%,造成比热容上升而降低了缸内温度。仿真计算揭示了随着进气压力增加,导致负阀重叠期燃油发生改质变化,OH基和O基反应速率减缓,以及C2H2等活性分子浓度上升了80%和CH4等稳定分子浓度下降了37%,使得HCCI热着火温度略微下降,提高了HCCI着火稳定性。     

二次喷油过程对稀燃汽油机性能影响的试验研究

利用气道内燃油二次喷射技术可以在气缸内形成准均质稀混合气，改善汽油机稀薄燃烧过程。在一台4缸16气门发动机上，利用自主开发的电控系统，固定两次喷油总量，改变两次喷油比例和二次喷油时刻等参数，可以实现对二次喷油过程的优化，改善混合气形成，从而改善燃烧过程，扩大稀燃极限。采用不同喷油比例，在不同空燃比时实现的节油率为7．7％～19．2％。空燃比越大，二次喷油比例对燃油经济性的改善越明显。选择合适的二次喷油时刻，在气流运动的作用下，有助于对火花塞附近区域混合气进行有效加浓。     

PODE掺混和喷油参数对柴油机燃烧排放特性影响

在一台增压4缸直喷柴油机上开展了不同聚甲基二甲醚(PODE)掺混比例和喷油参数对柴油机燃烧和排放特性影响的试验.测试燃料包括纯柴油(PD0)、两种柴油/PODE混合燃料分别为PD20(PODE体积分数为20%)和PD30(PODE体积分数为30%).结果表明:随着喷油时刻的推迟,3种燃料缸内压力峰值降低,放热率峰值增加,燃油消耗率增加,热效率下降,CO和HC排放增加,NOx排放减小,颗粒物质量浓度降低,数量浓度先降低后升高;随喷油压力的增加,3种燃料缸内压力和放热率峰值增加,CO和HC排放减小,NOx排放增加,颗粒物数浓度和质量浓度下降.喷油时刻推迟和喷油压力增加都会使PD0的烟度排放明显减少,但对PD20和PD30的烟度排放影响比较小.随着PODE比例增加,热效率提高,但燃油消耗率上升,CO、HC和烟度排放下降,NOx排放小幅增加,颗粒物数浓度和质量浓度显著降低.     

进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验

通过一台改装的单缸直喷式柴油机,在不同进气温度条件下实现汽油直喷压燃(GCI)燃烧方式的燃烧特性、工况范围以及排放特性的试验.结果表明:在进气温度为323 K时,汽油GCI燃烧方式即可实现稳定运转,燃烧表现为单阶段放热,整体放热集中,燃烧持续期短;在保持过量空气系数一定、发动机正常运转条件下,随着进气温度提高,着火时刻提前,最高爆发压力和峰值放热率均升高,指示热效率提高,HC和CO排放降低,NO排放升高;同一进气温度下,随着过量空气系数的增大,缸内混合气变稀,平均指示压力减小,指示热效率减小,CO排放先升高后降低,HC排放显著增大,NO排放减小;进气温度对汽油GCI燃烧方式正常工况范围影响很大,随着进气温度升高,负荷上限和下限均明显下降,表明进气温度是向小负荷范围拓展的重要边界条件.     

喷油策略对分层火焰引燃混合燃烧影响的研究

通过一台单缸汽油机,采用进气道喷射(PFI)和缸内直喷(DI)实现燃油分层,结合火花点火实现分层火焰引燃(SFI)混合燃烧,探索了点火时刻、直喷比例和直喷时刻对SFI混合燃烧特性的影响.结果表明:点火时刻直接影响前期火焰传播放热过程,进而实现对后期放热过程的有效控制,而直喷比例和直喷时刻则直接影响缸内燃油分布,进而影响SFI燃烧特性.点火时刻提前,使火焰传播阶段的平均放热速率增加,自燃始点提前;直喷比例增加,可以提升前期火焰传播阶段的平均放热速率,但是后期自燃阶段的平均放热速率呈先增加后减小趋势;直喷时刻为上止点前60°,CA时,火焰传播阶段和自燃阶段的平均放热速率都达到最高,但此时的传热损失也最大.通过优化直喷比例和直喷时刻,可以实现燃油经济性的提升,在转速为1,500,r/min、平均指示压力(IMEP)约为0.7,MPa工况下,优化后的SFI混合燃烧相比于纯均质混合气稀释燃烧,指示热效率可以提升7.4%,.     

采用快速压缩机对甲醇燃料的HCCI燃烧特性的研究

为进一步了解高辛烷值燃料的均质压燃燃烧特性,利用自主研发的快速压缩机,研究了边界条件对甲醇燃料HCCI燃烧特性的影响.试验表明:随着充量温度的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,燃烧温度最大值增加,放热率最大值增加,最大压力升高率增大,最大压力升高率出现时刻提前;随着可燃混合气过量空气系数的增加,可燃混合气的浓度减小,燃烧始点延迟,燃料的最高燃烧温度降低,放热率最大值降低,最大压力升高率降低,着火温度升高,同时反应速率减慢,所以燃烧持续期增加,最大压力升高率减小,最大压力升高率出现时刻延迟.     

多次喷油实现清洁高效柴油预混燃烧的机理

采用试验和数值模拟方法研究了多次喷油模式耦合高EGR率和进气增压实现高效清洁柴油机预混燃烧的潜力.结果表明,EGR可以推迟高温反应定时,降低化学反应速率,特别是在较高负荷时,EGR还明显降低NOx排放.平均指示压力(IMEP)为0.4,MPa左右时,较少的喷油量使得单次喷油和多次喷油模式着火前一时刻形成的混合气均在当量比φ<2之内,故排放差别不大.氧体积分数为10%左右时,提高喷油量,进入侧隙内的气相燃油量增加并形成φ>2的浓区,两模式的碳烟、CO和UHC排放均升高.但IMEP为0.7 MPa左右时,多次喷油更有利于生成稀且均匀的混合气,减少局部过浓区,故其碳烟、CO和UHC排放远低于单次喷油.高EGR率时,多次喷油耦合进气增压,混合气形成得到进一步改善,可在更高负荷下实现高效清洁燃烧.     

废气再循环对柴油机氮氧化物和颗粒排放影响的试验研究

废气再循环(EGR)、进气压力和喷油压力是影响柴油机低温燃烧的重要参数,主要研究了EGR对氮氧化物和颗粒排放的影响.结果表明,在一定工况条件下,随EGR率变大,NO所占体积分数呈先降低后升高的趋势,而NO2和N2O则呈先升高后降低的趋势.N2O所占比例较小,峰值在1%左右.NO谷值与NO2峰值对应相同的EGR率.随进气压力变大,NO2所占比例峰值也变大,对应的EGR率也增加,进气压力为0.24,MPa时,NO2最大比例已接近60%.随EGR率增加,Soot排放快速升高时,颗粒发生积聚,颗粒数密度降低,但粒径变大.提高喷油压力可以降低颗粒排放,但在不同EGR率下,其降低颗粒的机理不同.     

均质压燃燃烧着火时刻的循环变动

在一台改装单缸机上,研究了进气温度、进气压力、外部废气再循环率等运行参数对汽油均质压燃(HCCI)燃烧着火时刻循环变动的影响.结果表明:着火时刻对应的曲轴转角对HCCI燃烧循环变动有重大影响.着火时刻提前,HCCI燃烧循环变动较小.不同运行参数对燃烧循环变动的影响不同.进气温度和冷却水温度升高、进气压力增大有助于减小着火时刻循环变动,过量空气系数和EGR率增大会增大着火时刻循环变动.     

汽油/柴油混合燃料发动机小负荷工况的燃烧及排放特性仿真研究

针对汽油/柴油混合燃料发动机,在均质压燃(HCCI)模式,利用缸径100 mm单缸柴油机,控制喷油量在每循环9.4 mg,转速在2 000 r/min,进气压力在0.2 MPa时,选取不同汽油/柴油比例掺烧、在不同喷油时刻进行数值模拟研究,结果表明,汽油/柴油混合燃料随汽油比例增大,喷油时刻提前,缸内平均压力呈先增后减,燃料燃烧速度先减后增,缸内平均温度呈上升趋势,喷油时刻提前,可大幅度降低CO,NO,喷油时刻在止点后-30°曲轴转角(CA)到-40°CA之间时,增大汽油比例能有效降低碳烟(Soot);G50燃料会随喷油时刻提前,燃油混合气雾化效果变好,CO,NO会进一步降低,而Soot排放呈先减后增规律,整体排放降低的最优喷油时刻在上止点后-35°CA。     

用汽油和甲醇燃油分层拓展HCCI燃烧高负荷的试验研究

在一台单缸HCCI发动机上研究了进气道喷射汽油缸内喷射甲醇形成汽油甲醇燃油分层的HCCI燃烧排放特性,探索了其拓展HCCI燃烧高负荷的潜力。试验结果表明:在汽油HCCI燃烧中喷射甲醇能够有效降低缸内混合气的温度,推迟着火时刻,延长燃烧持续期,从而降低压力升高率和缸内最高燃烧压力,有利于拓展HCCI燃烧高负荷。一定的HCCI负荷工况存在最佳的汽油甲醇比例,且汽油甲醇最佳比例随着负荷的增加不断减小。在最大压力升高率0.5MPa/°CA和较高的指示效率的限制下,自然吸气条件下采用汽油和甲醇燃油分层的HCCI燃烧最高负荷比汽油HCCI燃烧提高了近50%,达到0.62MPa。     

柴油机燃用掺水乳化油的试验研究与机理分析

柴油掺水使柴油机混合气的形成和燃烧过程增加了新的促进因素,提高了混合气形成的速度,改善了混合气的质量,有促进燃烧趋于完全的作用:1.乳化油作用机理分析1.1 燃料的二次雾化燃料通过柴油机的喷油泵、喷油器将燃油在接近压缩行程终了时喷入气缸,喷油压力一般在10～20MPa 之间,对非增压柴油机而言,此时气缸内压力一般为     

进气氧浓度对柴油机低温燃烧影响的试验研究

为了研究低温燃烧机理的极端情况,即废气中不含比热容较小的N2,通过向进气管喷入CO2气体控制进气氧浓度、改变喷油量、喷油时刻、喷油压力等,研究了进气氧浓度对柴油机燃烧和排放特性的影响.结果表明,随进气氧浓度降低,在喷油量为25 mg/cyc时,放热速率逐渐降低,而在喷油量为50 mg/cyc时,放热速率先升高后降低;较低进气氧浓度时,燃烧呈明显的两阶段放热.喷油量为50 mg/cyc时,降低碳烟排放最有效的途径是提高喷油压力.综合性能和排放,喷油提前角应不小于20°CA,此时NOx和碳烟排放较低,且可保持较高的热效率.     

进气组分耦合喷油定时对柴油机工作过程的影响机理

通过一台共轨柴油机,基于正庚烷/甲苯/正己烯混合物简化动力学机理耦合三维CFD数值模型,模拟不同进气组分(O_2、H_2和CO_2)耦合喷油时刻对发动机工作过程的影响机理.研究表明:不同进气组分下,随喷油时刻提前,缸内活性自由基(OH、O)质量分数及其分布区域增大,NO生成量增多.但随喷油时刻过度提前,燃烧始点反而推迟,燃烧放热速率、缸内燃烧压力与温度峰值降低,NO也相应减少;相比其他进气组分,进气掺O_2时缸内O自由基质量分数增大,碳烟(Soot)降低且喷油时刻对其影响较小;进气掺H_2时,缸内燃烧压力和温度峰值最高,OH自由基质量分数及分布区域最大,Soot随喷油定时提前大幅降低;进气掺CO_2时,缸内燃烧压力与温度峰值最低,OH和O活性自由基最少,当喷油时刻提前超过24°CA BTDC时,燃油逐渐喷射到压缩余隙容积形成局部过浓区,C_2H_2和多环芳香烃芘(A_4)生成量增多,Soot排放随喷油定时进一步提前明显升高.