湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室结构和射流孔直径对湍流射流点火(turbulentjetignition,TJI)甲醇发动机性能和燃烧特性的影响研究．试验采用直单孔和斜三孔两种类型预燃室射流孔，根据预燃室是否喷射甲醇，预燃室可分为主动式预燃室和被动式预燃室．结果表明，预燃室射流孔直径过大会使射流强度减弱，进而导致主燃烧室燃烧速率降低，不利于稀薄工况下的稳定燃烧；预燃室射流孔过小则会导致节流损失和淬息作用增强，造成稀薄工况缸内燃烧恶化，且污染物排放增加．稀燃工况下，对于直单孔预燃室，4 mm直单孔预燃室性能表现较好，可产生较强的射流，拓宽发动机稀燃极限、提升燃烧稳定性，同时降低指示油耗率，减少污染物排放．预燃室结构不同时，斜三孔预燃室可产生与活塞表面平行的射流火焰，TJI甲醇发动机获得更好的动力性与燃油经济性，且污染物生成较少；同时，斜三孔预燃室可在主燃烧室产生多股射流，提供分布更加广泛的点火源，促进缸内快速燃烧，有效提升稀燃工况下的燃烧稳定性．不同发动机负荷下，斜三孔预燃室的使用可使发动机获得更好的燃烧和排放性能；TJI甲醇发动机具有较好的经济性和燃烧稳定性，同时，缸内燃烧速率更高，...     

通道尺寸对热面点火天然气发动机工作过程的影响

针对缸内直喷压燃式天然气（CNG）发动机低负荷循环波动大及高负荷NOx排放偏高的问题,设计开发了涡流室式热面点火燃烧系统,研究了涡流室通道尺寸对缸内天然气空气混合气形成、着火燃烧及发动机运转特性的影响．结果表明：选择直径较大的涡流室通道,发动机起动性能较好且缸内混合气燃烧持续期短,对改善发动机的有效热效率有利;选择直径较小的涡流室通道,主副燃烧室内混合气的浓度分层效果明显,能够实现两级燃烧过程,有利于降低发动机循环波动,扩展功率范围及改善NOx排放。     

天然气发动机燃烧不稳定性的多尺度特性分析

为了揭示过量空气系数λ在多尺度上对天然气发动机燃烧不稳定性的影响规律,在低负荷工况下针对不同λ值进行试验,对平均指示压力时间序列进行小波分析和多分辨率分析,研究多尺度上天然气发动机燃烧不稳定性。结果表明:天然气发动机燃烧过程呈现明显的多尺度特性,且燃烧不稳定性与各尺度上细节信号的波动具有较强的相关性;当混合气浓度较大时,压力波动呈现出持久性的大尺度周期振荡模式;随着λ增加,高频尺度范围出现了间歇性的短周期振荡,高频细节信号的波动特征加剧,邻近燃烧循环之间的关联性增强,呈现出更复杂的动力学特征;在接近稀燃极限工况时,高频细节信号D₁对燃烧不稳定性的贡献率更大。同时,对燃烧过程多尺度确定性变化的原因进行了分析,为天然气发动机稀燃稳定性控制提供了理论依据。     

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%。     

CA6102型车用汽油机燃烧室的改进

在单缸试验机上对ＣＡ６１０２型汽油机燃烧室的改进试验结果表明：该燃烧室在燃用ＭＯＮ７０汽油时具有较强的抗爆能力和较高的燃烧速率，利于采用较高压缩比和燃用稀薄混合气，改善了发动机的燃油经济性和动力性，且生产时无须更改原有加工设备，便于推广应用．     

柴油机燃用乙醇-柴油-汽油混合燃料的试验研究

以汽油为助溶剂配制出均匀稳定的乙醇-柴油-汽油混合燃料,在单缸四气门135柴油机上对燃用不同配比混合燃料及使用不同油嘴型式进行了性能试验。结果表明:燃用适当配比的乙醇-柴油-汽油混合燃料,柴油机动力性、经济性基本不变,碳烟和NOx排放下降明显;着火滞燃期延长,缸内平均温度下降,燃烧速率加快,燃烧持续期缩短;当使用HL伞喷油嘴燃用E20G15燃料时,着火滞燃期进一步延长,油气混合速率和混合气均匀度明显提高,在整个工况范围内,气缸压力和缸内平均温度均较低,碳烟和NOx排放同时降低,其燃烧过程具有明显的热预混合燃烧特征。     

汽油机双火花塞轻度均质稀燃特性的测试分析

在单火花塞均质预混燃烧室结构的基础上增设双火花塞点火系统,通过改造电控燃油喷射系统实现了双火花塞轻度均质稀燃模式的稳定运行。通过设置双火花塞化学当量比(过量空气系数λ为1)、双火花塞轻度均质稀燃(λ为1.1)和单火花塞化学当量比(λ为1)的状态,测试了双火花塞对轻度均质稀燃过程及其燃烧特性的影响。研究表明:双火花塞在加速缸内稀燃的总体效应主要体现在10%~50%累积燃烧放热的前期燃烧期;轻度均质稀燃(λ为1.1)状态的双火花塞燃烧放热和循环变动特性仍明显优于单火花塞化学当量比状态;在低负荷非稳定燃烧工况,双火花塞在加速缸内燃烧过程、减小循环变动率和提高燃烧稳定性的效果上更加突出。台架测试表明:在稀燃运行区域,双火花塞轻度均质稀燃模式的燃油经济性较单火花塞化学当量比燃烧模式提升了3%~6%,并有助于降低有害物的排放。     

柴油机燃用乙醇-柴油-汽油混合燃料的试验研究

以汽油为助溶剂配制出均匀稳定的乙醇-柴油-汽油混合燃料，在单缸四气门135柴油机上对燃用不同配比混合燃料及使用不同油嘴型式进行了性能试验。结果表明：燃用适当配比的乙醇-柴油-汽油混合燃料，柴油机动力性、经济性基本不变，碳烟和NOx排放下降明显；着火滞燃期延长，缸内平均温度下降，燃烧速率加快，燃烧持续期缩短；当使用HL伞喷油嘴燃用E20G15燃料时，着火滞燃期进一步延长，油气混合速率和混合气均匀度明显提高，在整个工况范围内，气缸压力和缸内平均温度均较低，碳烟和NOx排放同时降低，其燃烧过程具有明显的热预混合燃烧特征。     

车用直喷式柴油机燃烧压力振荡控制的研究

针对柴油机缸内燃烧压力振荡对发动机工作过程产生的重要影响，试验研究和理论分析转速、负荷、喷油提前角等对直喷式柴油机燃烧压力振荡的影响．研究结果表明：随着运行参数的变化，柴油机的滞燃期发生了变化，从而影响了滞燃期内喷入气缸的燃油量，严格控制滞燃期可以有效地降低燃烧压力振荡强度．缸内燃烧压力振荡的研究，为改善柴油机的缸内燃烧过程及其工作过程的可靠性提供了依据．     

液化石油气-氢气-空气层流燃烧特性的研究

研究了定容燃烧弹中不同过量空气系数(0.6～1.4)、掺氢比例(0～60%)和初始压力(0.081～0.124 MPa)下的液化石油气-氢气-空气混合气的层流燃烧现象,分析了过量空气系数、掺氢比例、初始压力等因素对规范化质量燃烧速率、燃烧持续期等层流燃烧特性参数的影响.研究表明:当过量空气系数在0.8～1.0范围内取值时,混合气的规范化质量燃烧速率和压力升高速率取最大值.随着初始压力的降低,规范化质量燃烧速率升高,燃烧持续期缩短,浓燃和稀燃更加明显;随着掺氢比例的增加,压力升高速率增加,混合气的规范化质量燃烧速率增加,燃烧持续期显著缩短,短的燃烧持续期所对应的过量空气系数范围变宽.     

氨/氢燃料射流点火船用发动机燃烧特性

为突破氨在发动机中的燃烧局限性,促进氨燃料高效快速燃烧,提出了一种利用氢气射流火焰点燃氨燃料的方案。通过向主动式预燃室供给氢气,进气道内预混氨/氢燃料,实现氨在大缸径船用发动机上的稳定高效燃烧。基于数值模拟计算方法,在改进了Otomo氨/氢机理基础上,探究了进气温度、掺混氢气的质量分数和主燃室当量比对氨/氢燃料着火与燃烧特性的影响。研究结果表明,射流火焰可以在主燃烧室形成燃烧所需的热力学环境和高活性热射流。在当量比为0.4、不掺混氢气的条件下,450 K进气温度可以实现氨燃料发动机的稀薄燃烧,在掺混氢气的质量分数较低时,射流点火对火焰发展促进作用更显著;掺混氢气的质量分数提高至10.0%可以使燃烧相位提前18°,但爆震风险增加;在进气温度为320 K和掺混氢气的质量分数为2.5%条件下,主燃室在当量比最小为0.45时可正常着火,但随着更接近理论空燃比的燃烧,指示热效率略有提升,主动预燃室氢射流点火的燃烧模式在实现氨发动机高效快速燃烧方面具有良好的潜力。     

增压直喷汽油机起动怠速及混合气浓度对微粒排放的影响

在一台增压直喷(GDI)汽油机上,使用快速微粒光谱仪(DMS500)对排气中微粒排放分布进行了实验研究.结果表明:在发动机起动后数秒内微粒排放较高,随着暖机进行积聚态微粒排放减少,热机怠速工况排气微粒主要以核模态为主.随着过量空气系数λ减小缸内峰值压力增加,燃烧持续期缩短,缸内平均温度升高,燃烧后期缸内温度下降幅度增加,混合气氧含量降低,这些均促进了碳烟排放.采用稀混合气时,循环变动升高.低负荷时,积聚态微粒对λ变化较敏感;增加负荷和转速后,积聚态微粒数浓度有所降低,表现为随λ减小而增加的趋势.采用浓混合气时,排气微粒质量迅速增加.在实验工况,排气微粒的几何平均直径(GMD)和中位直径(CMD)基本在10,nm以内,λ为0.8时微粒的GMD和CMD值较大.     

氨/柴油双燃料船用中速发动机燃烧及排放特性

基于一台缸径为400 mm的船用中速柴油机开展计算流体力学(CFD)数值模拟，研究在进气道喷射氨气、缸内直喷柴油的双燃料燃烧模式下发动机的燃烧和排放特性．计算结果表明：随着氨预混合气当量比增加，氨气的燃烧效率提高，但会导致爆压增高；柴油能量比提高，会提高燃烧效率，但过高的柴油能量比会使柴油燃烧不充分，导致CO排放量增加；适当降低发动机压缩比能延长滞燃期，从而提高燃烧效率和指示热效率．当发动机压缩比为13、氨气预混合气当量比为0.55、柴油能量比为10%时，燃烧爆发压力为18.2 MPa，指示热效率达到47.2%，发动机能够获得较为优越的综合性能．     

不同压缩比下稀释方式对直喷汽油机节油影响

基于一台1.0 L涡轮增压发动机,在9.6及12的压缩比下,研究了化学当量比、稀薄燃烧(稀燃)及低压废气再循环(EGR)工况下的燃烧与油耗特性.结果表明:EGR在压缩比12、大负荷工况下,节油效果优于稀燃,其余工况下稀燃的节油效果均更好.通过改变压缩比并结合稀燃或EGR,小、中、大负荷下燃油消耗率(BSFC)相比于压缩比9.6化学当量比工况降低最多为7.5%、10.4%和9.3%.结合一维仿真,分析并对比了大负荷下稀燃与EGR的节油原因及其差异.结果表明:在压缩比12、大负荷、过量空气系数(λ)小于1.4的情况下稀燃不能抑制爆震,节油效果不明显;相同工况下EGR可以有效抑制爆震,降低燃油消耗率达5.5%;大负荷下稀燃和EGR的节油来源主要为传热损失和排气损失减少,二者对节油的贡献程度之和大于90%.     

基于MATLAB图像处理的大缸径定容弹中甲烷/空气射流火焰传播特性

在带有预燃室的大缸径定容燃烧系统中进行甲烷/空气射流引燃主燃室内预混气体的实验研究.基于MATLAB软件平台编写火焰图像批处理算法,并通过该算法进行图像预处理进而获取特征参数;通过分析瞬时压力曲线以及高速摄影仪拍摄的火焰传播图像,研究甲烷/空气预混射流火焰的传播特性以及初始压力和过量空气系数等初始条件对射流火焰发展过程及火焰传播速度的影响.研究结果表明:位于预燃室中的火花塞偏置会造成主燃室内的引燃射流火焰的不均衡发展,且这种不均衡性在过量空气系数越小时愈发严重;射流火焰传播速率随初始压力和过量空气系数的增大而减小,并且当过量空气系数较小(λ=0.8)时,射流火焰对背压的变化较为敏感.     

预燃室火花塞式天然气发动机燃烧性能试验

为研究装配预燃室火花塞对天然气发动机燃烧性能的影响,本文基于发动机试验台架,对其燃烧性能进行了试验研究。首先,基于试验对象,搭建发动机试验台架。随后,基于上述试验平台,分别研究预燃室火花塞的燃烧特性、空燃比特性及点火提前角特性。通过试验发现,相较于普通火花塞,预燃室火花塞可以有效提高缸内燃烧压力与燃烧速率,增强发动机动力性能,但同时会增大缸内压力升高率,导致NOx排放增加,发动机工作粗暴;预燃室火花塞稀燃特性有所下降,当提高空燃比时,更容易出现失火现象;预燃室火花塞可显著提升发动机经济性能,且最佳点火提前角有所减小。     

纯甲醇发动机均质压燃燃烧特性模拟

以甲醇为燃料,模拟研究了进气温度、过量空气系数、压缩比、EGR率等参数对均质充量压燃(HCCI)发动机燃烧特性的影响,同时确定了HCCI可行的工作范围.采用单区燃烧模型和详细化学反应动力学机理通过CHEMKIN软件模拟了甲醇发动机的燃烧特性.计算结果表明:随着进气温度和压缩比的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均升高;过量空气系数对燃烧始点影响很小,对燃烧持续期有一定影响;随着EGR率的增加,着火时刻推迟,燃烧持续期增加,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均降低.发动机转速为1 500 r/min,不使用EGR、过量空气系数为5～9时,可以实现HCCI燃烧,随着EGR率的增加,HCCI燃烧区范围变窄.     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。     

用特征时间燃烧模型模拟直喷式柴油机的燃烧

为了更好地模拟直喷式柴油机的喷雾及燃烧过程，对Kiva-3程序的喷雾和燃烧模型进行了改进，引入Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor模型来模拟油滴破碎过程，采用改进的SheU自燃模型来模拟着火过程，为了综合考虑化学动力学和湍流对燃烧的影响，采用层流和湍流多重特征时间尺度燃烧模型来模拟燃烧过程．计算结果表明：在不同工况下计算所得的缸内压力、滞燃期和燃烧放热速率与实验结果吻合良好，着火点位于油束下游当量比略小于1的稀混合气区域；用改进的Kiva-3程序可以较好地研究直喷式柴油机的喷雾和燃烧过程，为进一步利用三维数值模拟计算来指导直喷式柴油机的参数优化奠定了基础。     

双电极点火时间间隔对天然气-空气预混合气层流燃烧的影响

在定容燃烧弹中对天然气-空气预混合气双电极点火进行了研究,分析了双电极在不同空燃比和预混压力下的4种点火时间间隔对混合气燃烧特性的影响。结果表明:增加点火时间间隔可以促进燃烧,加速火焰传播,使容弹内燃烧压力峰值、已燃区工质温度峰值略有上升,瞬时放热率峰值升高,各峰值位置提前,火焰发展期和快速燃烧期缩短,在稀薄燃烧或预混压力较小等不稳定着火、燃烧的情况下这种规律更显著,点火间隔为2ms时各参数变化最为明显;点火间隔为2ms,过量空气系数λ为1.3、预混压力为100kPa和λ为1.0、预混压力为40kPa时,双电极间隔点火的压力峰值出现时间比同时点火分别提前了45ms和12ms,温度峰值出现时间分别提前了39.8ms和11.8ms,瞬时放热率峰值分别增加了33.3%和71.2%,且峰值出现时间分别提前了32.3ms和19.8ms,火焰发展期分别缩短了14.6ms和12ms,快速燃烧期分别缩短了16.6ms和9.8ms。