对置二冲程柴油机喷油规律曲线对燃烧过程影响的仿真研究

针对对置二冲程柴油机喷油系统与传统柴油机的不同,研究了不同喷油规律曲线形状对发动机燃烧性能的影响,探索适合对置二冲程柴油机燃烧系统的喷油规律。利用AVL-FIRE建立了对置二冲程柴油机缸内过程仿真模型,计算得到了不同喷油规律曲线形状下发动机燃烧性能。分析计算结果表明:矩形喷油规律的滞燃期最短;矩形喷油规律和梯形喷油规律最高燃烧压力点更靠近气缸容积最小点,因此等容度高;梯形喷油规律的缸内最高燃烧压力最大,NO质量分数最高而碳烟质量分数最低。     

船舶中速柴油机喷油正时优化研究

以船用中速柴油机为研究对象,采用计算机仿真和台架试验相结合的方法对喷油正时进行优化。首先基于相应机型的理论参数设计模拟工况,通过模拟结果分析缸内燃烧与污染物排放,得到理论值范围内的最优喷油正时。根据最优值进行台架试验,验证最优的喷油正时参数。模拟结果表明：缸内燃烧过程中心相位会随着喷油正时的提前而前移,但总体的燃烧持续期变化不明显。缸内最高燃烧压力会随喷油提前角加大而增加,在上止点前8°和上止点前9°出现明显增量,喷油提前角继续增大,压力变化不明显。模拟排放数据表明上止点前10°喷油正时工况中,污染物排放性能达到最佳。台架试验结果证明,上止点前10°喷油正时的试验工况中,缸内循环效率和污染物排放性能达到最佳。     

点燃式液压自由活塞发动机高增压燃烧过程的试验与仿真研究

在快速压缩-膨胀机上进行试验,模拟液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine,HFPE)在不同缸内初始压力下的单次燃烧做功过程,并利用OpenFOAM和CONVERGE三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真平台进行增压仿真研究。结果表明:液压自由活塞发动机随着缸内初始压力的增大,相同压缩比下发动机循环周期缩短,活塞在上止点附近停留时间缩短,爆震极限压缩比增大,抗爆能力增强。适当提高缸内初始压力有利于提高指示效率,当缸内初始压力提高至0.15MPa时,发动机指示效率由0.30提高至0.31,但当初始压力达到0.20MPa后,指示效率又降至0.30。针对缸内初始压力进一步增大后出现的效率降低问题,在仿真研究中发现采用多火花塞点火方案,即使在初始压力0.80MPa的条件下也能得到较高的指示效率而不发生爆震。     

基于活塞运动规律的自由活塞发动机燃烧放热规律

自由活塞发动机具有异于传统发动机的活塞运动规律,为研究其对自由活塞发动机燃烧放热规律的影响,提出了等效转速变换的概念,将试验示功图反算得到的燃烧放热规律以曲轴转角为计量单位表示,分析了自由活塞发动机与传统发动机放热规律的差异,最后采用三维仿真与试验的结论进行对比.结果表明:自由活塞发动机在压缩行程比传统发动机有较高的运动速度与加速度,这使其在压缩行程有良好的雾化与油气混合效果,预混燃烧量达到80%,;膨胀行程缸内容积变化率较大,缸内压力温度下降较快,因而缓燃期和后燃期持续时间远低于传统柴油机;双韦伯函数拟合的自由活塞内燃发电动力系统(FPEG)放热规律预混合燃烧品质系数和扩散燃烧品质系数分别为3.451和10.24,与传统柴油机相比均偏大;受活塞运动规律的影响,自由活塞发动机与相同缸径的传统发动机相比最高爆发压力较小,出现最高爆发压力的时间较晚,且滞燃期较短.     

多次喷射策略对正戊醇-柴油混合燃料燃烧及有害排放影响的模拟研究

为了揭示含氧燃料与喷油策略耦合对发动机燃烧、性能和排放特性影响的机制,基于三维仿真软件CONVERGE,耦合化学反应动力学机理,研究了正戊醇—柴油混合燃料在不同喷射策略下燃烧与有害排放物的生成过程。结果表明,正戊醇促进了燃烧过程,燃用正戊醇—柴油混合燃料时,缸内最高燃烧压力和燃烧放热峰值增大,发动机平均指示压力（indicated mean effective pressure,IMEP）升高,CO、总碳氢化合物（total hydrocarbons,THC）和碳烟排放降低,但NOx排放升高。采用大比例预喷射策略可以促进主喷燃烧过程,提高缸内温度,增大IMEP,但导致CO及THC排放升高,而小预喷间隔会导致碳烟排放增加。后喷射策略导致发动机IMEP降低,但可以降低NOx排放。在小后喷间隔下碳烟排放显著降低,但在大后喷间隔下碳烟排放明显升高。研究表明,正戊醇柴油混合燃料采用大预喷间隔及小后喷间隔的3次喷油策略,能够获得最高的IMEP及最低的有害物排放。     

液压自由活塞柴油机控制参数影响特性试验

在研制的单活塞式液压自由活塞柴油机上开展了控制参数影响特性、启动特性及运行特性等规律性试验.结果表明:改变压缩压力可以实现压缩比的控制,随着压缩压力的增大压缩比将增大;循环喷油量、喷油正时和排气门正时等参数对自由活塞发动机的膨胀行程、压缩比和下止点位置等具有决定作用;频率控制阀信号脉宽影响发动机的启动过程,脉宽较小时会导致活塞运动速度减慢甚至启动困难.对其特性的研究结果表明:活塞运动规律呈明显的非对称性,膨胀行程用时较压缩行程短;缸内燃烧过程呈近等容燃烧;液压输出能量受单向阀响应性影响会损失掉一部分高压能.     

喷油策略与EGR对柴油机低温燃烧影响试验研究

为研究喷油策略及废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对柴油机低温燃烧特性和排放特性的影响,在一台电控高压共轨柴油机上进行了试验研究。研究结果表明:EGR率的升高提高了进气比热容,降低了缸内最高燃烧压力及缸内平均温度,延长了滞燃期,降低了NOx排放,由于进气氧浓度及碳烟氧化速率的降低,增加了碳烟排放;中小EGR率下,提高喷油压力,加速油气混合程度,可以有效降低碳烟排放;推迟燃烧重心CA50到上止点后7°之后造成燃烧效率降低,扩散燃烧持续期延长,导致碳烟排放升高。     

某GDI发动机二次喷油策略的试验研究

本文研究了某汽油机缸内直喷(Gasoline Direct Injection,GDI)发动机二次喷油策略对自然吸气直喷发动机燃烧性能、经济性和排放性的影响规律,优化了二次喷射比例和时刻,为该类型发动机相关参数优化提供了数据积累和依据.试验工况下,随着二次喷油比例的增加,燃烧质量变差,缸内爆发压力降低,缸内燃烧温度降低...     

GDI发动机冷怠速工况缸内混合气形成模拟研究

采用三维CFD仿真建立了缸内直喷发动机冷怠速工况缸内混合气形成过程仿真模型,并与光学发动机台架测量结果进行了对比,验证了仿真模型的准确性。基于仿真模型研究了冷怠速工况两次喷油正时与喷射比率对缸内混合气形成、燃油碰壁的影响。研究结果表明:进气行程喷油过早会导致活塞顶油膜增加,过晚喷射则会导致缸套壁面油膜增加,进气行程喷油正时对缸内混合气分布有一定的影响,但压缩上止点附近火花塞附近浓区形成与保持主要由压缩行程喷射来实现;压缩行程喷油过早,在点火时刻缸内会形成相对均质的混合气分布,过迟则会导致活塞顶油膜量急剧增加;两次燃油喷射量比率对火花塞附近浓区的形成影响相对较小,但压缩行程喷射量过多会导致活塞顶油膜量明显增加。     

GDI发动机怠速停止技术无起动机起动的试验研究

不使用起动机的条件下,在一台4G15缸内直喷汽油机上研究了直接向处于膨胀冲程气缸喷油点火正转直接起动模式和向处于压缩冲程气缸喷油反转后再向膨胀冲程气缸喷油正转的起动模式.结果表明:首次喷油气缸过量空气系数在0.84左右时可以获得最高燃烧压力;正转起动模式处于膨胀冲程气缸活塞初始位置在上止点后105°CA时较为理想,能保证膨胀冲程气缸活塞转过其下止点,从而使起动成功;对于先反转后正转起动模式,处于压缩冲程气缸活塞位置控制在上止点前80°CA时,保证了该活塞反转且不能转过其下止点,其次使处于膨胀冲程的气缸有较多的气体并尽量的被压缩,有利于顺利起动.     

基于CFD的增压柴油机不同喷油提前角的排放影响分析

在考虑进气涡流比的情况下,对某490增压直喷柴油机不同喷油提前角下的缸内喷雾及燃烧过程进行了三维CFD模拟,给出了4种不同喷油提前角时的缸内火焰、NOx和Soot的时空分布.计算和分析了不同的喷油提前角下,上止点前后喷入缸内的油量比例、着火时刻、上止点温度、最高燃烧温度等对燃烧与排放物的影响.结果表明上止点前后的油量比例对排放有较大影响,对于该机型在喷油提前角较小的情况下,应考虑适当减小喷油锥角以充分利用燃烧室底部的空气.仅靠喷油提前角的变化并不能同时降低NOx和Soot的排量,并通过性能与排放试验进行了验证.     

Improvement of fuel economy of an indirect injection (IDI) diesel engine with two-stage injection

This paper focuses on the effects of early stage injection and two-stage injection on the combustion characteristics and engine performances of an indirect injection (IDI) diesel engine. In a direct injection (DI) diesel engine, HC emission increases with early stage injection because some of the fuel spray adheres to the cylinder wall and burns in the gap between the piston and the cylinder. On the other hand, since the fuel spray of early stage injection in an IDI diesel engine is injected into an auxiliary combustion chamber such as a swirl chamber, the IDI diesel engine could reduced the HC emission produced from the gap compared with a DI diesel engine. In a two-stage injection IDI diesel engine, NO and smoke emissions are improved when the amount of fuel in the first stage injection is small and the first stage injection timing is advanced over −80° TDC. And 20% improvement in fuel consumption is achieved when the first stage injection timing is advanced over −80° TDC. Conversely, HC and CO emissions of two-stage injection increases compared with that of conventional injection of an IDI diesel engine. However, CO emission can be improved a little when the first stage injection timing is advanced over −100° TDC and the second stage injection timing is retarded over TDC.     

Analysis of CRDI diesel engine characteristics operated on dual fuel mode fueled with biodiesel-hydrogen enriched producer gas under the single and multi-injection scheme

The present work aims to investigate the consequences of pilot fuel (PF) multiple injections and hydrogen manifold injection (HMI) on the combustion and tailpipe gas characteristics of a common rail direct injection (CRDI) compression ignition (CI) engine operated on dual fuel (DF) mode. The CI engine can perform on a wide variety of fuels and under high pilot fuel (PF) pressure. Pilot fuel injection (PFI) is achieved at TDC, 5, 10, and 15ºCA before the top dead center (bTDC), and divided injection consists of injecting fuel in three different magnitudes on a time basis and PF is injected into the engine cylinder at a pressure of 600 bar. In this work, the hydrogen flow rate (HFR) was fixed at 8 lpm constant and producer gas was inducted without any restriction. The investigational engine setup has the ability to deliver a PF and hydrogen (H₂) precisely in all operating circumstances using a separate electronic control unit (ECU). Results showed that diesel-hydrogen enriched producer gas (HPG) operation at maximum operating conditions provided amplified thermal efficiency by 4.01% with reduced emissions, except NOx levels, compared to biodiesel-HPG operation. Further, DiSOME with the multi-injection strategy of 60 + 20+20 and 50 + 25+25, lowered thermal efficiency by 4.8% and 9.12%, respectively compared to identical fuel combinations under a single injection scheme. However, reductions in NOx levels, cylinder pressure, and HRR were observed with a multi-injection scheme. It is concluded that multi-injection results in lower BTE, changes carbon-based emissions marginally, and decreases cylinder pressure and heat release rate than the traditional fuel injection method.     

正丁醇/柴油发动机燃烧排放特性及喷油、燃烧室形状影响

针对某型号直喷柴油机,建立了该柴油机中单缸完整燃烧室及气道三维模型,使用三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)分析软件CONVERGE对其进行模拟计算,研究了正丁醇掺混比例对柴油机燃烧排放的影响。结果表明:随着正丁醇掺混比例的提高,峰值缸压、滞燃期和燃烧速度均呈递增趋势,碳烟及CO排放量逐渐减少,NO_x排放量小幅增加。为了进一步改善缸内燃烧情况和降低污染物排放,对正丁醇掺混时喷油策略、燃烧室几何形状的综合影响进行了研究,结果表明:掺混时多次喷油及采用合适的燃烧室模型可以有效改善掺混后缸内油气混合情况,增加缸内湍动能强度,进一步降低碳烟排放量。与纯柴油工况对比,掺混并采用多次喷油策略后碳烟排放明显下降,且通过掺混能够有效简化喷油策略,但弱化了燃烧室形状对碳烟排放量的影响。     

可变喷油速率的超高压共轨系统喷射控制研究

通过AMESim软件建立了喷油速率可调的超高压共轨系统仿真模型,分析了相同喷油量条件下喷油率的变化特点。采用GT-Power软件建立单缸柴油机模型,将不同喷油率导入柴油机的燃烧计算模型,研究了不同喷油率对柴油机缸内压力、缸内温度、放热率、NO_x排放、碳烟排放及输出转矩和油耗率的影响。仿真结果表明:靴形喷油速率匹配合适的喷油提前角可优化柴油机的综合性能。搭建了超高压共轨柴油机台架,开展了不同喷油速率的喷射控制试验,结果表明:与相同油量条件下的高压共轨喷射相比,柴油机实施变喷油速率超高压喷射可获得更优异的动力性和燃油经济性,动力输出提高了5%,燃油消耗量下降了6%,碳烟排放降低,但NO_x排放升高。     

不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性

开展了天然气高压缸内直喷发动机不同喷射时刻时的燃烧特性研究。研究结果表明：燃料喷射时刻对发动机性能及排放有较大影响,喷射太迟会导致天然气和空气混合时间短,混合效果差,燃烧持续期长,放热速率慢。喷射过早会导致充量系数下降,燃料容易进入燃烧室狭缝间隙处,造成较高的HC排放。对于给定转速,发动机存在一个最佳燃料喷射提前角,此时缸内最高压力值最大,最大压力升高率和最大放热率最大,放热速率快,燃烧过程等容度好,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期短,发动机热效率高,HC、CO排放也维持较低水平。     

双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究

从热力学和内燃机燃烧的基本理论入手 ,推导了计算分析双燃料发动机缸内工质成分和热力学参数的计算关系式以及求解双燃料发动机燃烧放热规律的微分方程式 ,基于面向对象技术开发了双燃料发动机燃烧放热规律计算软件。研究结果表明 :用传统柴油机分析方法计算双燃料发动机的放热率峰值偏小 ,所计算的缸内工质平均温度偏高 ,新模型计算的结果与实际情况更为吻合。该分析软件可以适用于多种燃料发动机 ,是内燃机燃烧放热规律的通用计算软件。双燃料发动机燃烧特性研究表明 :双燃料发动机初始放热率比纯柴油大 ,若着火始点在上止点后 ,双燃料缸内最大爆发压力比纯柴油低 ,否则比纯柴油高 ;控制双燃料发动机着火始点是控制缸内最大爆发压力和 NOx 排放的关键 ,双燃料发动机着火始点应在上止点后 ,可以使发动机爆发压力和 NOx 排放比纯柴油低。     

变配气正时对HCCI燃烧的影响研究

试验研究了变进排气正时对缸内早喷柴油均质充量压燃燃烧(HCCI)的影响。柴油在排气上止点附近喷入缸内,研究改变进排气门负重叠期对HCCI燃烧放热率、排放及综合性能的影响。试验研究结果表明,增大气门负重叠期,有利于早喷燃油的快速蒸发和均质混合气的形成,有利于减少柴油湿壁,但是容易使燃烧相位提前,易于产生爆振。增加气门负重叠期,HCCI燃烧的运行范围向低工况扩展,但是中高负荷受到限制。在HCCI燃烧可运行范围内,有害排放产物和指示油耗均下降。     

增压直喷汽油机燃油喷射特性对排放影响的试验研究

基于某1.5L涡轮增压直喷汽油机,搭建试验测试系统,采用试验匹配测试方法研究了喷油模式、喷油时刻、喷油比例、喷油压力等决定燃油喷射特性的关键参数对碳烟排放的影响。试验结果表明:单次喷油模式下在部分负荷时,喷油越提前,碳烟排放越多;在全负荷时,喷油越推迟,碳烟排放越多。在多次喷油模式下,随第一次喷油的推迟碳烟排放降低,随第二、三次喷油的推迟碳烟排放增加。提高喷油压力对部分负荷工况燃烧及排放改善不明显,但外特性工况碳烟排放显著下降,碳氢化合物排放总量也大幅度降低,缸内燃烧速度加快,燃烧稳定性提高,有效燃油消耗率降低约2%。     

甲醇-柴油混合燃料对发动机燃烧及排放特性的影响

在一台YTR3105直喷式柴油机上进行了小比例甲醇-柴油混合燃料发动机的燃烧及排放特性试验研究。结果表明:在相同的平均有效压力和转速下,随着甲醇含量的增加,燃料着火延迟相应增大,使得燃烧过程向上止点后移动。混合燃料的滞燃期比柴油长,预混燃烧放热率峰值增大,燃烧持续期缩短,缸内最大爆发压力和压力升高率增加。与纯柴油相比,甲醇-柴油混合燃料HC排放有所升高,但NOx和碳烟排放降低。大负荷时,CO排放显著下降。