点燃式煤油航空直喷发动机冷起动试验研究

针对喷射截止时刻、点火提前角以及过量空气系数等影响因素,在一台自主研发的单缸试验机上,开展了煤油航空直喷发动机冷机起动燃烧特性以及相关影响因素的冷机起动敏感度分析研究.结果表明:喷射截止时刻为60°,CABTDC、点火提前角为27°,CA～30°,CABTDC时,发动机容易顺利起动;过量空气系数为0.65～0.70时,最大爆发压力循环变动率最低,失火现象消失,煤油航空直喷发动机平稳顺利起动.冷起动敏感度分析表明:敏感性强弱顺序依次是进气行程中的喷射截止时刻、过量空气系数、压缩行程中的喷射截止时刻、点火提前角.     

进气道喷水对增压直喷汽油机性能的影响

基于1台缸内直喷增压汽油机,试验研究不同水油比对加浓和当量比混合气燃烧时的发动机燃烧和排放性能的影响。研究结果表明:在满负荷工况下,当过量空气系数λ为1时,随着水油比增加,燃烧相位推迟,燃烧持续期延长,同时喷水后空气质量流量下降,两者共同导致发动机平均有效压力降低;采用当量比混合气燃烧时,λ为1时的CO,HC和排气烟度与λ为0.88时相比明显降低,而NO_x排放量升高;CO,排气烟度和NO_x排放量随着水油比增加而降低,而HC排放量升高。在满负荷工况下采用当量比混合气燃烧时,通过喷水能够使发动机抗爆能力提高,点火时刻进一步提前,燃烧相位提前;燃烧相位提前使发动机平均有效压力与未优化点火时刻相比提升0.9%～2.9%,有效燃油消耗率降低2.2%～3.9%。     

引燃油喷射时刻对着火特性和压力振荡影响的研究

为提高天然气/柴油双燃料船用低速发动机低负荷时的燃烧稳定性、避免高负荷时爆震发生,采用三维数值模拟的方法,研究了实际双燃料发动机中引燃油喷射时刻对缸内混合气的着火/燃烧特性及缸内压力振荡的影响.结果表明:甲烷当量比为0.38的工况,引燃油喷射时刻的推迟会造成缸内甲烷/空气混合气的着火时刻和燃烧相位推迟,缸内压力减小且爆压相位滞后;当喷射时刻推迟至2.0°CABTDC时,缸内压力峰值低于10 MPa,说明燃烧严重恶化,甚至出现失火现象.甲烷当量比为0.50的工况,引燃油喷射时刻的推迟使缸内压力振荡幅度增大且振荡发生的时刻推迟,当喷油时刻推迟至2.0°CABTDC时,甲烷/空气混合气在引燃油喷射之前发生自燃;此外,喷油时刻的推迟会导致火焰发展速度加快且火焰前端燃烧更为剧烈,易在靠近壁面的狭小空间内产生压力振荡.     

乙醇DI对汽油PI发动机性能与爆震的影响

文章在一台汽油缸内直喷发动机的基础上,建立了发动机的三维计算模型,标定了原机的喷雾模型和燃烧模型,并在此基础上进行了乙醇缸内直喷(ethanol direct injection,EDI)+汽油进气道喷射(gasoline port injection,GPI)的仿真模拟,研究EDI喷油时刻、点火时刻、进气温度对发动机缸内混合气的形成、燃烧、排放的影响和乙醇燃料特性对爆震抑制的贡献率。仿真模拟结果表明:通过改变EDI喷油时刻,影响乙醇的蒸发雾化程度,在缸内形成不同程度的混合气当量比分布;喷油时刻在上止点前250°CA时,缸内混合气均匀,产生最佳的燃烧相位。在最大爆震极限火花提前时,通过进气加热抵消乙醇汽化潜热的影响,得出乙醇高汽化潜热和高火焰传播速度对OH自由基的抑制率分别为23.5%、76.5%。     

喷油时刻对缸内直喷汽油机性能的影响

通过对某涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成及燃烧过程的数值模拟,并借助发动机台架试验中获得的油耗、排放及燃烧数据,研究了喷油开始时刻对发动机性能的影响.结果显示,对于5 000r.min-1工况,喷油开始时刻为400°曲轴转角是混合气雾化混合的最佳方案,此时混合气分布比较均匀且点火时刻火花塞附近具有较高的湍动能,10%～90%燃烧持续期最短且HC排放较低,从而使其具有最佳的燃油经济性与燃烧稳定性.而2 000r.min-1工况的最佳喷油开始时刻推迟了30°曲轴转角.喷油提前,壁面油膜量增加,混合气当量比下降及火花塞附近较低的湍动能使得燃烧速率降低,因此HC排放、燃油经济性及燃烧稳定性均会变差.同样的情况也出现在推迟喷油中,由于混合不充分使得点火时刻混合气均匀度下降,从而使发动机性能恶化.     

汽油掺烧甲醇裂解气的燃烧特性研究

为了评估掺烧甲醇裂解气对发动机燃烧特性的影响,基于某型发动机进行数值仿真与台架试验,运用CONVERGE建立其仿真模型,并通过发动机缸压对仿真模型进行标定,进而研究了汽油发动机掺烧甲醇裂解气后点火提前角、掺混比和过量空气系数对发动机燃烧特性的影响.结果表明:当其他条件相同时,平均指示压力随着点火提前角的增大先升高后降低;在最佳点火角下,掺烧甲醇裂解气发动机相比于原汽油机动力性变化不大时,指示热效率有所提高.当掺烧甲醇裂解气后,随着掺混比例的增加,缸内压力、温度和放热率都有不同程度的升高,且燃烧速度加快,放热更加集中.当掺混比例一定时,随着过量空气系数的增大,缸内压力、温度和放热率都有不同程度的降低,相应地可以通过改变掺混比例来适应过量空气系数的变化.同时甲醇裂解气的点火界限十分宽泛,当过量空气系数为1.4时,汽油已经难以点燃,燃烧恶化,当掺烧甲醇裂解气后,燃烧状况明显好转,可实现稀薄燃烧.由此可见:汽油掺烧甲醇裂解气可以改善燃烧特性,提高指示热效率;在汽油掺烧甲醇裂解气发动机上,利用稀薄燃烧、优化点火正时等,可以在发动机部分负荷工况下得到更好的燃油经济性.     

喷气策略对多点喷射天然气发动机燃烧及排放的影响

为了提高大缸径船用多点喷射稀薄燃烧天然气发动机在中低负荷下的缸内火焰传播速度及燃烧效率,进而优化发动机燃烧和排放,以喷气策略为切入点,采用台架试验与仿真两种方法,分别研究喷气方向与位置、喷气压力以及喷气时刻对发动机燃烧及排放的影响。结果表明：喷气方向与进气气流垂直可以增强扰动作用,喷气位置距气门远可以增加燃气射流在进气道中行进的距离,进而增加进气混合的均匀性,使浓混合气分布靠近火花塞,燃烧及排放明显改善;喷气压力采用较高的736.63 kPa时可以增加喷射动能,提高缸内湍流强度、进气混合均匀性同时适应缸内大尺度掺混,使燃烧和排放更优;随着喷气时刻的推迟,在点火时,缸内混合气形成明显的分层现象,混合气浓度自上而下逐渐降低,火花塞附近浓混合气利于火核发展,火焰传播速度加快,燃气燃烧效率提高。该文结果为实现大缸径船用天然气发动机高效清洁燃烧提供了理论依据。     

火花辅助对多缸汽油机HCCI燃烧及排放的影响

采用优化动力技术手段,利用发动机冷却水和排气余热加热进气,在多缸汽油机上实现了均质混合气压缩(HCCI)燃烧,研究了火花辅助点火对HCCI燃烧及其排放特性的影响.结果表明：当进气温度未达到HCCI稳定燃烧条件时,火花辅助有助于HCCI燃烧,并可增大平均指示压力、最大气缸爆发压力以及最大压力升高率,降低循环波动率,提高燃烧稳定性;火花辅助使得HCCI燃烧出现了2个放热阶段,当点火提前角增加时,主燃烧阶段的放热率峰值增大,燃烧起始点提前;在发动机转速为1 200~1 600 r/min的小负荷范围内,火花辅助可以适当降低NOx和HC的排放量.     

天然气缸内直喷发动机在不同喷射和点火时刻下的排放与燃烧特性

在一台缸内直喷火花点火天然气发动机上对不同喷射时刻和点火时刻下的微粒排放进行了试验研究,并对相关的燃烧和排放特性进行了分析.研究结果表明:随着喷油时刻和点火时刻的提前,发动机微粒排放增多;峰值粒径出现在29 nm附近,数量浓度达到1×107cm-3,而微粒的粒径分布没有发生太大变化;火焰发展期随着喷油时刻的提前而缩短,快速燃烧期在190°时达到最小值;随着点火时刻的提前,火焰发展期变长,快速燃烧期先减小后增大;NOx和HC排放均随喷油时刻和点火时刻的提前而增大.     

对置活塞二冲程汽油机分层稀燃组织研究

结合对置活塞二冲程汽油机缸径小、冲程长的特点,提出了进排气侧非对称喷雾方式,并采用AVL-Fire软件对喷雾方向进行优化,实现全负荷工况下的缸内均匀混合;同时研究了部分负荷工况下二次喷射对分层混合气形成和稀燃组织的影响.结果表明,进气侧喷射角增大有利于提高缸内混合气的均匀度,排气侧喷射角增大会导致燃油蒸发率降低;二次喷油比例影响分层混合气浓稀区的分布,二次喷油时刻影响缸内混合气稀区的均匀性.当进气侧喷射角为30°、排气侧喷射角为15°时,选择第一次喷油时刻为220℃ A,第二次喷油时刻为270℃ A且二次喷油比例为20%,可有效组织混合气分层.在部分负荷工况下,采用分层稀混合气相比均匀稀混合气的火焰发展期缩短约30%,快速燃烧期缩短约15%.      

小型二冲程直喷发动机爆震燃烧特性数值模拟

为了了解点火参数对小型二冲程直喷发动机爆震燃烧的影响,利用GT-Power和AVL Fire软件对该发动机整机及燃烧室分别建立了仿真模型,选取扭矩、功率等数据验证了模型的正确性,并对发动机在5 000r/min、大负荷工况下的缸内平均压力和温度、放热率、累积放热量以及爆震强度分布等特性进行了研究.结果表明:在点火提前角由15℃A逐渐增加至35℃A的过程中,小型二冲程直喷发动机的扭矩、功率、缸内混合气燃烧放热量、放热率、缸内平均压力和温度的峰值均呈现出逐渐增大的趋势,而且会伴随着爆震强度表征物的浓度增大,二冲程直喷发动机的爆震倾向加强;当异步点火相位由0℃A逐渐增加至5℃A时,二冲程直喷发动机的扭矩、功率呈现出略微减小的趋势,两个火花塞附近由于湍动能增大,加快了火焰传播速度,使得末端混合气低温反应时间变短,爆震强度表征物的浓度逐步减小,二冲程直喷发动机爆震发生的倾向有所减小.     

甲醇缸内直喷复合导流分层燃烧系统的优化研究

综合缸内直喷发动机壁面引导、喷雾引导和气流引导分层燃烧系统的特点,在一台柴油机改造的火花点火发动机上,开展了甲醇缸内直喷复合导流分层燃烧的研究.对影响燃烧系统性能的导流面位置、火花塞伸出缸盖的距离、涡流比、供油提前角、点火提前角、喷油器启喷压力、喷油嘴形式等主要参数进行了优化.优化后的甲醇发动机可以实现过量空气系数为2.23的分层燃烧,在1 500r/min时扭矩为135 N·m(是同工况下原柴油机的65.5%),热效率达到29.7%,较好地实现了分层燃烧系统的优化匹配.     

正庚烷均质压燃发动机燃烧循环变动

为了研究均质压燃(HCCI)发动机燃烧的循环变动,在1台改装的HCCI发动机上进行了试验。通过改变进气温度、混合气浓度和运行转速等参数,研究了参数变化对正庚烷HCCI燃烧的影响。研究结果表明:随着过量空气系数从1.9增加到2.7,峰值压力的平均值从6.69 MPa降低到5.50 MPa,进气温度从30℃增加到70℃,峰值平均压力从5.49 MPa增加到6.44 MPa,所对应的曲轴转角位置也有所提前;随着转速的提高,峰值压力也有所增加,并且出现的时刻都有所提前;在转速为1 500r/min条件下,进气温度为30℃、过量空气系数为1.9时的循环变动系数最小,进气温度在50℃、过量空气系数为2.1时的循环变动最小,分别为2.89%和1.68%。可以得出最优的进气温度、混合气浓度等,使得HCCI发动机的燃烧稳定性得到保证。     

H2/RP-3航空煤油混合燃料着火特性研究

实现碳氢燃料的快速点火与稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中必须解决的关键问题。在航空煤油中添加乙醇燃料,利用乙醇热分解得到氢气等可燃小分子气体来改善燃烧过程是达到促进航空煤油着火与燃烧稳定的有效手段。选取正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料作为RP-3航空煤油的模拟替代燃料,构建了其燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。为揭示氢气对RP-3航空煤油着火特性的影响,构建了RP-3航空煤油/氢气混合燃料的燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。同时,采用该燃烧反应机理分析了多工况下掺氢比对RP-3航空煤油着火特性的影响。结果表明,采用正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料的燃烧反应机理计算得到的着火延迟时间与相应工况下RP-3航空煤油着火延迟时间的试验数据吻合良好;多工况下氢气添加能够提升RP-3航空煤油/氢气混合气活性,缩短着火延迟时间,促进燃料着火;同时,随着混合气中掺氢比的升高,混合气的着火延迟时间逐渐缩短。     

汽油氢气缸内双喷射发动机控制试验研究

文章构建了一套新型的汽油缸内直喷+氢气火花塞微孔喷射缸内双燃料喷射系统;基于该系统在怠速和部分负荷工况下对喷氢压力、喷氢正时、喷氢脉宽以及过量空气系数等控制参数进行了试验研究,并对油耗量、总排温、燃烧和排放等数据进行了分析。试验结果表明:该双燃料喷射方式在怠速工况下,掺入少量的氢能够提高发动机的稳定性,降低循环变动,喷射压力为6 MPa时发动机的平均指示有效压力(indicated mean effective pressure,IMEP)波动较小,最佳的喷氢正时为上止点前100°CA;在部分负荷工况下,不同过量空气系数所对应的最佳掺氢比分别为1.99%、2.18%、3.51%、3.51%、3.56%、5.10%。     

喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响

在缸内直喷火花点火发动机上对天然气掺混氢气的体积分数为0％～18％的混合燃料不同喷射时刻下发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究．研究结果表明：对于给定的喷射持续期和点火时刻，喷射时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射太迟燃烧持续期长，放热速率慢，喷射过早会导致充量系数下降；对于给定转速，发动机存在一个最佳的喷射时刻，此时缸内最高压力升高率和最高燃气平均温度高，燃烧持续期短，燃烧过程定容度高，发动机热效率高，HC排放低；在同一喷射时刻下，当氢气的体积分数小于10％时，HC排放略有上升，当氢气的体积分数达到18％时，发动机HC排放与纯天然气排放水平相当；掺氢对NOx、CO和CO2排放影响不大．     

两段喷射直喷式汽油机燃烧系统的混合气形成规律

针对一般直喷式汽油机燃烧系统设计复杂的问题,研究开发了一种以两段喷射作为分层稀燃混合气形成主要手段的汽油缸内直喷式燃烧系统。该文用三维模拟计算和试验的方法研究了两段喷射控制分层混合气形成的基本规律。研究结果表明:一次喷油时刻存在着最佳值,过早过晚都使喷雾碰壁,不利于混合气的形成和燃烧。二次喷油时刻也存在最佳值,在进气上止点后250°CA进行二次喷油,可使火花塞周围的混合气在点火时刻较适宜,有利于点火。两次喷射油量之比对混合气的形成有显著影响,当其控制在1/3左右时,缸内混合气的分层结构较为合理。     

电控气动发动机进气门开启时刻控制基础研究

气动发动机进气门采用电控技术是提高其工作效率的有效措施之一。以获取进气门开启时刻随工况参数的变化规律为目的,针对进气门采用电控气动阀的气动发动机,建立了其工作过程理论模型,搭建了其试验台,并进行了理论模型的验证。以验证过的理论模型作为平台,对电控气动发动机工况参数、进气温度和压力对其主要控制参数——最佳进气门开启角的影响进行了仿真优化分析,获取了在各种不同工况及进气条件下,气动发动机进气门开启角的控制规律。研究结果表明:以气耗率最小为目标,随着气动发动机进气持续角和转速的增大,最佳进气时刻应提前,减小进气压力或增大进气温度,最佳进气时刻应适当延迟,但当进气持续角增大到145°CA时,进气压力对最佳进气时刻影响甚微;以动力性和经济性为目标的气动发动机最佳进气门开启角是不同的,在负荷低于80%时,应以经济性为目标,当负荷增大到80%及以上时,则应以动力性为目标控制进气门开启角。控制基础的研究为气动发动机采用电控技术提供了数据支持。     

甲醇缸内直喷复合导流分层燃烧系统的优化研究

综合缸内直喷发动机壁面引导、喷雾引导和气流引导分层燃烧系统的特点，在一台柴油机改造的火花点火发动机上，开展了甲醇缸内直喷复合导流分层燃烧的研究．对影响燃烧系统性能的导流面位置、火花塞伸出缸盖距离、涡流比、供油提前角、点火提前角、喷油器启喷压力、喷油嘴型式等主要参数进行了优化．优化后的甲醇发动机可以实现过量空气系数为2．23的分层燃烧，[第一段]     

气道喷射正庚烷缸内直喷异辛烷的分层充量压缩燃烧与排放特性

在一台单缸发动机上,通过进气道预喷正庚烷和上止点前缸内直喷异辛烷,对双燃料分层充量压缩燃烧(Stratified Charge Compression Ignition,SCCI)进行了试验研究.通过进气道预喷的正庚烷在进气行程形成均匀混合气并在上止点前发生两阶段反应,触发缸内直喷的异辛烷着火与燃烧,整个燃烧过程为分阶段燃烧,分析了不同负荷及预混合率时的燃烧与排放特性.结果表明:最大压力升高率为0.87 MPa/(°)时,最大平均指示压力(I MEP)可达到0.73 MPa,说明SCCI可以扩展运行负荷.预喷燃油量最大时的工况点,其NOx排放值较高;预喷正庚烷燃空当量比一定时,增加负荷,可以减小CO和THC的排放.