低负荷工况下天然气发动机燃烧不稳定性分析

为了揭示过量空气系数φ_a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φ_a进行试验,利用整个循环缸内压力时间序列的相空间重构和循环变动系数(CCV)、指示平均有效压力(IMEP)和燃烧中点(CA 50)的返回映射、燃烧始点(CA 5)和燃烧终点(CA 90)的分布等对天然气发动机的燃烧不稳定性进行了定性和定量分析．结果表明:天然气发动机的燃烧过程呈现一定的混沌特性,随着φ_a的增加,滞燃期变长,循环变动系数增大,相空间吸引子轨线的分离程度增加,IMEP和CA 50的返回映射点分布越分散,燃烧不稳定性增强,混沌特性增强．并对φ_a影响天然气发动机燃烧不稳定性的原因进行了分析,为改善天然气发动机稀燃稳定性提供了理论依据．     

预燃室点火控制对大功率稀燃天然气发动机性能影响的试验研究

介绍了大功率天然气发动机采用的稀薄燃烧的技术特点,以及为实现稀薄燃烧所采用的预燃室点火控制的主要结构和特点。为研究预燃室点火控制对于发动机性能的影响,设计了三种不同类型的试验方案,分别对预燃室进气喷射提前角、预燃室进气喷射压力、预燃室进气喷射持续期进行试验研究,为大功率稀燃天然气发动机性能优化提供了技术依据。     

船用中速天然气发动机起动过程的控制策略

船用天然气发动机起动过程预燃室过量空气系数受转速影响大.针对ACD320型船用中速天然气发动机台架试验出现的起动困难问题,通过计算分析获得发动机起动过程预燃室过量空气系数随主燃气喷射量、转速的变化规律.采用AVL Fire软件模拟发动机主燃室和预燃室在不同过量空气系数下的缸内燃烧和动力特性,并据此制定起动过程的控制策略,经发动机台架试验验证,证实了起动控制策略的有效性,从而为解决船用中速天然气发动机起动困难的技术问题提供参考.     

火花点火式天然气发动机燃烧系统的研究

本介绍了天然气发动机预燃室燃烧系统的研制过程，新设计的燃烧系统工作可靠、性能优良。试验结果表明：预燃室内混合气着火稳定、火焰传播迅速；主燃室燃烧速度高、持续期短、无后燃现象，整机性能比原机有较大的提高。     

湍流射流点火对天然气发动机燃烧特性影响的试验研究

湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition,TJI）是一种有效的燃烧增强技术,可提供更高的点火能量,使发动机稳定着火,且可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现发动机稀薄燃烧的有效手段。基于一台带有预燃室的点燃式单缸试验机,开展了TJI模式下天然气发动机性能的试验研究。首先,研究了不同过量空气系数下TJI对天然气发动机动力性能、排放性能及燃烧特性的影响,并与火花塞点火（Spark Ignition,SI）模式进行对比;其次,在稀燃条件下分别探究了进气增压和预燃室喷氢对天然气发动机动力性、经济性及燃烧过程的优化作用。结果表明：TJI的使用可有效拓展天然气发动机的稀燃极限,且燃烧滞燃期和燃烧持续期均更短,放热率更高;过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且可实现氮氧化物近零排放;此外,采用进气增压的方式可以提高TJI发动机在高负荷下的经济性;TJI模式下,相较于预燃室喷甲烷,预燃室喷氢气可进一步缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。     

火花点火式稀薄燃气发动机

<正> 1 引言在预燃室稀薄天然气发动机上进行了燃烧过程详细研究。这种发动机引入主燃烧室的燃气非常稀薄(通常50％～100％的过量空气),而预燃室引入少量较浓燃气。压缩之后,预燃室燃气浓度达到化学当量混合比。预燃室内燃气一旦被火花塞点火引燃,燃烧迅速发生,仅在曲轴转角几度之后火焰射流进入主燃烧室,火焰射流能量比原来火花能量大几个数量级。事实上预燃室在这里起一个“能量放大器”作用,放大后的能量用来引燃主燃烧室的稀薄燃气。     

预燃室射流点火对汽油发动机性能影响

基于一台单缸汽油发动机,设计了主动预燃室系统,试验了预燃室混合气状态对燃烧及排放的影响,通过对比不同点火能量的火花塞点火和预燃室点火,明确预燃室射流点火对燃烧过程影响机理．结果表明：随着预燃室内喷油量的增加,颗粒物数量(PN)排放增加;预燃室内浓混合气能改善燃烧相位、加快燃烧速度,提高点火性能,但预燃室内当量比附近的混合气有更大的节油潜力．当全局过量空气系数φglobal小于1.4时,预燃室点火燃油消耗率恶化;当φglobal大于1.4时,预燃室改善热效率的能力开始凸显．当预燃室中燃油量占总循环油量的分数为2%时,预燃室点火能将稀燃极限扩展至φglobal为2.1,在φglobal为1.8时总指示热效率达到48.5%的最大值．     

电控喷射稀燃天然气发动机的开发

进行了发动机进气系统、燃烧系统、天然气供给系统、点火系统和电控系统等的设计。研究了天然气发动机稀薄燃烧规律，提出了空燃比分区控制的稀薄燃烧控制方案，实现了不采用EGR情况下NO，排放物的有效控制，仅通过匹配氧化催化转化器，使发动机排放达到了欧Ⅲ（ESC）法规要求。试验结果表明，CA6SE1—21N天然气发动机不仅达到了原柴油机的标定功率水平，而且具有良好的可靠性。     

柴油机预燃室射流扰动燃烧系统的设计与试验

为了实现重型柴油机大负荷工况下的高效清洁燃烧,设计了一种应用于重载柴油机的预燃室射流扰动燃烧系统,旨在利用预燃室产生的射流动量促进柴油机大负荷工况下的油、气混合过程,提高扩散燃烧的速度,增大燃烧等容度,从而提高发动机的指示热效率．建立预燃室仿真模型,研究预燃室射流的作用位置、持续时间、动量大小及作用相位对油、气混合与燃烧过程的影响,以缩短发动机燃烧持续期、提高指示热效率为目标,对预燃室的结构进行优化．基于仿真结果,搭建了预燃室射流扰动燃烧系统的试验平台并进行试验．结果表明：在没有明显提高排放的前提下,采用预燃室射流扰动燃烧系统可以有效缩短大负荷工况下的燃烧持续期,提高指示热效率．在转速为1 200 r/min、平均指示有效压力(IMEP)为2.54 MPa、进气压力为0.36 MPa、预燃室喷油量为6 mg且主燃室喷油量为194 mg时,原机指示热效率可从48.18%提升至48.65%.     

稀燃条件下主动预燃室式直喷汽油机燃烧和排放特性研究

为明晰不同点火方式对汽油机稀薄燃烧特性的影响规律,在一款排量为0.5 L的研究型单缸机上试验研究了传统火花塞和主动预燃室两种不同点火方式下发动机燃烧及排放特性,探索主动预燃室拓展稀薄燃烧极限的多种影响因素.研究结果表明,稀薄燃烧可有效降低油耗,提高发动机热效率.传统点火线圈的稀燃极限处于过量空气系数1.5附近,最高指示...     

垃圾填埋气(LFG)发动机的实验研究

介绍了用垃圾填埋气（LFG）作燃料的发动机进行发电带来的巨大社会效益和经济效益。对一台水冷四冲程自然吸气式天然气发动机进行了改造，利用填埋气甲烷值高、抗爆性好的特点，将压缩比从8．6提高到11，功率和热效率增加。设计了一种新型低成本预燃室式燃烧系统，大大提高了燃烧速度，同时降低了排温。讨论了燃烧系统各种参数对填埋气发动机性能的影响。实验表明，采用新设计的预燃室燃烧系统后，发动机综合性能有较大的改善。     

预燃室式火花塞在大缸径气体机上的试验研究

为解决大缸径气体机燃烧不稳定问题,在大缸径气体机上进行普通火花塞、预燃室式火花塞性能对比试验,及3种预燃室式火花塞对气体机性能影响的对比试验。结果表明：采用预燃室式火花塞可以拓展气体机稀燃极限,大幅提高发动机燃烧稳定性,平均指示压力波动率和最大缸内爆发压力波动率降低约45%,缸内燃烧速度加快,热效率提高约0.5%,涡前排气温度降低约15℃;预燃室式火花塞喷孔直径和数量对气体机燃烧的滞燃期影响较大,较小的喷孔直径更有利于缩短滞燃期,增大喷孔直径导致失火率上升,喷孔数量对失火率影响较小,喷孔直径和数量对燃烧持续期、燃气消耗率和NO_x排放影响较小。     

气体燃料发动机新技术(一)

介绍气体燃料发动机几种新技术的基本原理和特点。气体燃料发动机可用的技术包括：增压中冷技术、废气再循环技术、催化氧化还原技术、天然气缸内直接喷射技术、层状进气稀薄燃烧技术、预燃室技术等。     

气体燃料发动机新技术(二)

介绍气体燃料发动机几种新技术的基本原理和特点。气体燃料发动机可用的技术包括：增压中冷技术、废气再循环技术、催化氧化还原技术、天然气缸内直接喷射技术、层状进气稀薄燃烧技术、预燃室技术等。     

射流控制压缩着火正时可控性试验

预混合压燃发动机能够实现低PM、低NO_x排放和高热效率,但着火正时的可靠控制仍是其应用的主要障碍.射流控制压燃(JCCI)通过点火室火焰射流控制主燃烧室着火正时,这种控制方式直接有效、环境适应性强.通过一台改装的重载发动机对JCCI工作过程进行了试验,验证了JCCI控制着火正时的原理,研究了点火室点火正时、进气温度和EGR率对JCCI工作过程的影响.结果表明:JCCI的主燃烧室着火直接受控于点火室点火;相同点火正时条件下,进气温度为60～80℃时的CA 10变化只有2°CA,因而着火正时控制鲁棒性好;加入EGR率能够降低JCCI燃烧速率和燃烧噪声,但会造成热效率降低以及HC和CO排放升高.     

主动预燃室式直喷汽油机稀薄燃烧性能研究

为明晰不同点火方式对汽油机稀薄燃烧特性的影响规律,在一款排量为0.5L的研究型单缸机上试验研究了传统火花塞和主动预燃室两种不同点火方式下发动机燃烧及排放特性,探索主动预燃室拓展稀薄燃烧极限的多种影响因素。研究结果表明,稀薄燃烧可有效降低油耗,提高发动机热效率。传统点火线圈的稀燃极限处于过量空气系数1.5附近,最高指示热效率为45.0%,而采用主动预燃室系统后,稀燃极限可进一步拓展,过量空气系数可达2.0,指示热效率提升至46.5%,氮氧化物排放比采用传统火花塞点火技术时降低约88%;主动预燃室匹配高压缩比14.80的燃烧系统,可进一步拓展稀燃极限至过量空气系数2.1,指示热效率可达48.0%,氮氧化物排放继续降低,在过量空气系数采用2.1时NOx排放最低可达58×10-6。     

复合供气压燃式天然气发动机的燃烧特性

根据分层燃烧理论,设计了分隔室复合供气压燃式天然气发动机燃烧系统.采用化学动力学简化机理模型与CFD耦合对发动机的着火和燃烧过程进行了模拟计算,并验证了模拟计算结果的有效性.结果表明,进气温度、电热塞温度、喷气时刻、供气量对发动机的燃烧特性有较大影响.进气温度过高时,燃烧趋向单级燃烧,将导致爆燃,而且产生较高的NO排放.电热塞温度过高同样导致高的燃烧速率,增大爆燃趋势;高压供气时刻提前使燃烧压力、温度和压力升高率上升,NO排放随之增加;在现有的较低喷气速率下,当缸内喷气持续期控制在40～50 °CA时,燃烧时刻最佳;当进气道供气量比例较高时,会发生敲缸现象.     

扫气口角度对双燃料船机混合及燃烧的影响

针对一台低压喷射二冲程天然气/柴油双燃料发动机进行三维全尺寸模拟,研究了扫气口角度对天然气混合过程以及功率和排放的影响.结果表明:引燃油喷射前,天然气分布呈现出分层,其中扫气口角度θ20°时,天然气集中分布在活塞顶附近,呈"上下"分层;扫气口角度θ≥20°时,混合气浓区集中分布在气缸壁附近,呈"左右"分层,同时会出现天然气逃逸现象;适中的扫气口角度(θ=25°)有利于降低天然气消耗率,低于此值时预燃室附近天然气稀薄,火焰传播速度低,燃烧持续期长;高于此值时,燃烧相位前移,压缩负功增加.此外,当扫气口角度过小时,由于活塞顶部天然气过浓,会使NOx排放急剧增加,甚至超过TierⅢ排放法规的限值.     

射流角度对双燃料发动机燃烧过程的影响

基于三维流体力学软件,模拟研究了天然气射流中心轴线与水平方向夹角α、柴油/天然气两射流的中心轴线在水平方向上相对交角β对柴油/天然气双直喷发动机缸内射流发展、混合及燃烧过程的影响,结果表明：水平夹角α较小(30°和40°)时,受燃烧室空间限制难以形成稳定的涡旋结构;α较大(50°和60°)时,有利于形成尺度较大且稳定的涡旋结构,与后续柴油射流作用后,形成较多柴油-天然气-空气混合气,引燃面积增大,燃烧速率加快且温度分布更加均匀,剩余未燃CH₄较少;相对交角β较小(0°和10°)时,缸内混合气形成不均匀分布,燃烧室中心混合气较稀,唇口处较浓;β较大(30°和40°)时,柴油射流和原有涡旋相互作用,形成更多且分布更加广泛的柴油-天然气-空气混合气,缸内燃烧情况最好,剩余未燃CH₄较少．     

双燃料船机天然气喷射规律对燃烧特性的影响

基于高压直喷(highpressuredirectinjection,HPDI)天然气船用低速机,采用计算流体力学(CFD)软件Converge开展三维数值模拟研究,探究了天然气喷射规律对缸内着火及燃烧特性的影响.结果表明,随着天然气喷射速率的降低,缸压、放热率和平均温度峰值显著降低.当喷射速率从1.30 kg/s降低到0.78 kg/s时,放热率峰值持续时间延长了约15°CA,缸压降低了约2 MPa,导致燃烧相位延后,发动机做功能力降低.降低喷射速率使得缸内火焰发展速度变慢且火焰浮升长度更晚到达稳定值.进一步分析燃烧过程的高温反应和低温反应发现,天然气喷射速率降低使得燃烧初期的低温反应速率降低;2.5°CA前总体高温反应无明显变化,但随后高温反应随着天然气喷射速率的降低而减弱.天然气喷射速率越低,燃烧反应进行至约1.5°CA后富燃区低温产物CH_2O和H_2O_2浓度峰值越高,且峰值持续时间更久,其原因为富燃区低温产物消耗较慢且火焰对富燃区的影响相对滞后,使低温产物快速消耗的时刻推迟.