点燃型预燃室在大缸径甲醇发动机上应用

通过计算流体动力学数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径（320mm）甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NOx排放很低,SOx排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织Tier Ⅲ排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、声响强度和NOx排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、声响强度、指示热效率逐渐下降,NOx排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略：在平均有效压力低于1.8MPa时控制缸内过量空气系数为2.4并匹配较早的点火正时,在平均有效压力高于1.8MPa时控制过量空气系数为2.1并匹配较晚的点火正时。采用该策略可使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。     

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。     

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．     

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...     

预燃室湍流射流点火甲醇发动机稀薄燃烧和排放特性试验研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)甲醇发动机燃烧特性、性能表现和排放特性的试验研究。结果表明,TJI燃烧模式燃烧速率较快,放热率(heat release rate,HRR)峰值明显较高,且具有更短的滞燃期和燃烧持续期。随着过量空气系数变大,缸内压力和放热率峰值变小,TJI和火花塞点火(spark ignition,SI)燃烧模式滞燃期和燃烧持续期均变长。此外,TJI燃烧模式可有效提升甲醇发动机的稀薄燃烧稳定性,可将稀燃极限拓展至过量空气系数2.0。TJI燃烧模式下平均指示压力略低于SI模式;然而对于过量空气系数大于1.1的稀燃工况,TJI燃烧模式指示燃油消耗率更低,在过量空气系数1.3时低于570 g/(k W·h),说明其具有更好的燃油经济性。TJI燃烧模式下氮氧化物排放量明显低于SI燃烧模式,过量空气系数1.1时降低约37.2%,并且在过量空气系数大于1.3的极稀燃工况具有相对较低的甲醛CH₂O和碳氢化合物排放。     

不同过量空气系数下射流点火发动机燃烧、排放和爆震特性的试验研究

基于单缸试验机研究了过量空气系数对射流点火发动机性能的影响。通过分析发动机性能曲线、缸内燃烧情况及爆震特性探究射流点火最佳运行区间,并与火花点火燃烧方式进行对比。结果表明,射流点火可以有效提升瞬时放热率并拓展发动机稀燃极限,缩短缸内混合气滞燃期与燃烧持续期,同时燃油经济性有一定提升。在稀燃条件下氮氧化物排放极低。爆震方面,随着点火提前角增大,射流火焰的多点点火效应会在缸内产生明显压力震荡,继续增大点火提前角会诱导末端混合气自燃。因此射流点火爆震缸压表现为两阶段压力震荡,爆震因子集中性高。提升过量空气系数可以降低射流点火爆震因子幅值,使发动机工作在轻微爆震或无爆震状态。     

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。     

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%.     

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.     

高效稀燃发动机预燃室试验研究北大核心CSCD

为了研究预燃室点火技术的稀燃点火能力及预燃室点火技术对发动机性能的影响,用热力学单缸机试验的方法对比研究了不同点火方式的点火能力,并研究了预燃室点火条件下,进排气相位、滚流气道、预燃室设计对发动机性能的影响。研究结果表明:与传统的火花塞点火线圈点火方式相比,主动预燃室点火能量大,能稳定点燃λ>2.4的均质稀燃混合气,有效拓展稀燃极限;在预燃室点火条件下,通过优化进排气相位和滚流气道,结合合理的预燃室设计参数及发动机工况点的优化能提升热效率,试验测试已实现52.5%的指示热效率。     

基于射流点火和气道喷水技术的缸内直喷汽油机稀薄燃烧特性研究

在一台4缸涡轮增压汽油机的基础上,增加预燃室和进气道喷水系统,在最佳油耗工况附近（转速2 500 r/min,平均有效压力为0.8~1.2 MPa）开展了试验,研究和分析了汽油机稀薄燃烧特性,以及射流点火和进气道喷水技术对稀薄燃烧性能的影响。结果表明,稀薄燃烧可以将有效热效率从当量燃烧的39.5%提高到42.4%左右,但是当过量空气系数超过1.4以后,燃烧稳定性和碳氢排放变差。采用射流点火技术可以将稳定燃烧的过量空气系数拓展到1.7以上,热效率增加至43.0%以上,燃烧持续期最大缩短37.6%,循环波动不超过1.3%。在此基础上增加进气道喷水,对于平均有效压力在1.1 MPa以上的负荷,抑制爆震效果明显,喷水脉宽达到4 ms时,爆震限制的燃烧重心可以提前到活塞上止点后8°左右,同时最大热效率超过44%,循环波动不超过3%;但是对于平均有效压力低于1.1 MPa的负荷,爆震现象不严重,喷水反而会降低燃烧速率和热效率,同时燃烧稳定性和未燃碳氢排放也随之恶化。     

直喷汽油机预混和分层稀薄燃烧特性对比研究

以多孔喷油器中间布置的热力学单缸直喷汽油机为平台,研究了预混和分层2种喷雾模式在发动机不同负荷的燃烧与排放特性,以及分层稀薄燃烧对发动机最大指示热效率的影响。研究结果表明:在燃烧循环变动系数(COV)不超过3的情况下,分层稀薄燃烧能够显著提高发动机部分负荷的过量空气系数极限,并且能在增压全负荷稀薄燃烧工况提高发动机的燃烧稳定性。在部分负荷(转速为1 500 r/min,平均指示压力(IMEP)为0.2 MPa)过量空气系数λ从1.0提高到1.5,泵气损失降低了26.30%,在2 000 r/min自然吸气全负荷工况,单缸机的最大指示热效率达到44.25%。提高λ,CO排放降低,NO_x排放先升高后降低,HC排放先降低后升高。     

异辛烷、乙醇及其混合燃料HCCI燃烧的试验研究和分析

在一台改制的发动机上进行了异辛烷、乙醇及其混合燃料HCCI燃烧的研究。发动机性能用缸内压力评估,研究用的参数包括放热率、平均指示压力和热效率。试验结果表明,乙醇着火时刻早于异辛烷;在乙醇中加入异辛烷可以推迟着火,并导致平均指示压力和热效率的降低;对某种特定燃料,HCCI燃烧的发生主要取决于进气充量温度,初始充量温度的增加将导致HCCI燃烧提前;充量温度低或发动机转速低时,混合气形成质量差,对HCCI燃烧有不良影响;指示热效率为30%~43%,其值高于火花点火发动机;预燃室的存在有利于稳定的HCCI燃烧;超稀充量运行可以显著降低NOx排放。     

稀燃对甲醇直喷点燃式发动机性能的影响北大核心CSCD

将一台增压直喷米勒循环汽油机改制成高压缩比(13.8)甲醇直喷点燃式发动机,在2 750 r/min、平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)为1.1 MPa及1.5 MPa工况下研究了稀燃对甲醇直喷发动机燃烧、排放及热效率的影响。结果表明:随过量空气系数λ增大,甲醇直喷发动机滞燃期和燃烧持续期逐渐延长,高稀释率下燃烧滞燃期和持续期明显短于汽油原机。在1.1 MPa BMEP工况下,发动机的稳定燃烧极限从汽油原机的λ=1.5拓宽到甲醇直喷的1.7以上。气体排放方面,随λ增大,甲醇直喷发动机HC排放逐渐增加,而CO排放先降低后升高,在λ=1.1附近CO排放最低。与汽油原机相比,甲醇直喷发动机在各过量空气系数下均表现出更低的NOx、HC及CO排放。热效率方面,发动机在BMEP为1.1 MPa下,汽油原机和甲醇直喷的最大有效热效率分别为39.8%和44.1%,热效率绝对值分别较当量比燃烧提升2.5%和3.2%。BMEP提高到1.5 MPa后,甲醇直喷发动机在λ=1.4实现了44.5%的最大有效热效率。     

预燃室射流点火技术对汽油机性能影响的研究

在一款增压直喷小型强化废气涡轮增压汽油机上,进行了加装预燃室与传统点火在低速外特性、中转速负荷特性的燃烧特性、经济性和排放特性对比试验,分析了预燃室火焰射流点火过程与传统点火对汽油机性能影响的规律。研究结果表明,在1500r/min、平均有效压力为2MPa工况,采用预燃室点火后缸内燃烧等容度提高,最高燃烧压力增大,燃烧相位提前7.1°,有效燃油消耗率下降约24g/（kW·h）;在2000r/min负荷特性的试验工况,相比于传统点火,预燃室点火燃烧循环变动均获得改善,燃烧持续期缩短,低负荷时燃烧相位不变而比油耗略微上升,高负荷时燃烧相位大幅提前,比油耗改善约7g/（kW·h）,且最高有效热效率由36.9%上升至37.5%。就气体排放物而言,预燃室点火加速燃烧使NOx排放最高上升约15%,HC排放最多下降约36%,而CO排放低负荷时基本维持不变,在高负荷时略有下降。     

不同峰值压力下压缩比对柴油机热效率的影响

应用三维数值模拟软件CONVERGE研究了压缩比变化对重型直喷柴油机燃烧和排放性能的影响,并在不同峰值压力限制下研究了压缩比耦合过量空气系数提高热效率的潜力.结果表明,当过量空气系数较低时,随压缩比提高,指示热效率呈现出先增加后降低的趋势,当压缩比为21.5时可获得最高指示热效率.提高缸内峰值压力可显著改善热效率,与原...     

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.     

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.     

进气温度和过量空气系数对乙醇均质压燃燃烧过程的影响

在一台经过改进的CA6110发动机上,进行了进气温度和过量空气系数对乙醇燃料均质压燃燃烧过程影响的试验研究．结果表明,在转速和供油量一定时,随着进气温度的升高,着火始点提前,燃烧持续期变短,压力升高率变大,缸内的最大燃烧压力变大,指示效率提高,平均指示压力升高．当进气温度一定时,随着过量空气系数的减小,着火始点提前,燃烧持续期逐渐变短,压力升高率变大,缸内的最大燃烧压力变大,指示效率增加．     

湍流射流点火甲醇发动机燃烧特性及预燃室喷射策略研究北大核心CSCD

基于一台四冲程单缸发动机开展湍流射流点火甲醇发动机的性能表现和燃烧特性研究。结果表明,湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)燃烧模式放热率(heat release rate,HRR)曲线呈现“双峰”现象,放热率峰值明显高于火花塞点火(spark ignition,SI)模式,且具有更短的燃烧持续期。过量空气系数λ=1.0时,预燃室内不喷射甲醇的被动式TJI模式的平均指示压力略低于SI模式,指示燃油消耗率略高于SI模式。对于主动式TJI燃烧模式,λ=1.5,预燃室甲醇喷射时刻为压缩上止点前180°曲轴转角,喷射脉宽保持在350μs~600μs之间时,TJI甲醇发动机燃烧稳定性较好,同时动力性与经济性均有所提升。