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...     

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。     

预燃室火焰射流点火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1500 r/min、平均有效压力为2 M Pa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...     

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。     

预燃室式火花点火天然气发动机燃烧模型

由于全球能源和环保的要求，预燃室式火点火天然气发动机近十年来得到迅速发展。在实验研究方面已经取得很大进展，但得燃烧模型方面，目前尚未见到有报道。     

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。     

缸内汽油直喷稀薄燃烧技术

介绍了非均质进气、缸内直喷稀薄燃烧技术，分别介绍了三种统一式和三种分隔式缸内直喷稀燃系统。采用该技术可在保持动力性指标的同时，还具有很好的燃油经济性，使有害排放大大降低。     

被动预燃室汽油机当量燃烧特性的数值分析

对一台被动预燃室增压直喷汽油机的燃烧过程进行了三维数值模拟分析,研究了预燃室的不同设计参数如预燃室容积、射流孔数量、射流孔直径、射流孔结构等对当量燃烧时燃烧特性的影响。结果表明,预燃室射流点火优于常规火花塞点火的重要原因是主燃烧室内着火点增多,同时点火后预燃室内产生的高速冲击射流会提升主燃室内的湍流强度,从而加快湍流火焰的传播。在2 000 r/min转速和1.2 MPa平均指示有效压力工况下预燃室发动机的50%燃烧角相对火花塞发动机提前约8.5°。不同结构参数的预燃室模拟分析表明燃烧初期预燃室喷入主燃室射流的动量越大,对主燃室湍流强度的提升效果会越大,燃烧相位也会更优,在上述工况下不同结构预燃室50%燃烧角的差异最高可达约5.8°。变更预燃室结构造成的燃烧相位差异主要体现在燃烧前中期,随着转速和负荷升高,该差异有降低的趋势。     

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。     

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．     

稀燃条件下甲醇汽油发动机燃烧和排放特性的试验研究

在一台汽油缸内直喷(GDI)增压发动机上,研究了稀燃条件下燃用不同甲醇汽油混合燃料的燃烧特性和排放特性。试验结果表明:稀燃条件下,随混合气浓度逐渐变稀,当量燃油消耗率呈现出先降低后升高的趋势,并且随着甲醇比例的增加,当量燃油消耗率增加,但均低于原机。在混合气逐渐变稀的过程中,燃烧时缸压峰值和燃烧温度总的变化趋势是逐渐降低,而燃烧持续期和循环变动率逐渐升高。稀燃条件下,CO排放量逐渐降低,碳氢化合物排放呈先降低后增加的趋势。NO_x排放量总的变化趋势是先增大后逐渐降低,随着甲醇体积分数的增加,NO_x的排放量逐渐降低,且3种甲醇、汽油混合燃料的NO_x和CO排放量都低于汽油燃料。     

降低稀燃汽油机NOx排放技术进展

节能和环保的要求，使得稀燃技术越来越受到人们的重视。然而，由于稀燃的富氧燃烧，使得NOx排放降低较小。介绍了国内外降低稀燃汽油机NOx排放技术的进展情况。     

含Pd双金属分子筛催化剂控制稀燃汽油机NOx排放

为实现对稀燃汽油机NOx排放的有效控制，对Pd-In-ZSM5、Cu-Pd-ZSM5催化剂在实际稀燃排气条件下进行了研究，对Pd-In-ZSM5催化剂，由于Pd、In两种金属的作用，出现了两个NOx转化效率的峰值，最高转化效率达到35．7％．Cu-Pd-ZSM5催化剂可以实现CO对NOx的还原反应，使稀燃NOx的转化效率最高达到60％，并且具有较宽的活性温度窗口；当量空燃比时，NOx的转化效率超过70％，含Pd的双金属分子筛催化剂，在不同的温度范围内，可以实现HC和CO对NOx的协同还原反应，有效拓宽较高NOx转化效率的活性温度窗口。     

降低准均质稀燃汽油机NOx排放的电控系统研制

为了配合稀NOx吸附-还原催化转化器的正常工作,开发了一套稀燃汽油机电控系统.该系统不仅可以任意设定汽油机浓、稀燃的空燃比大小和间隔时间长短,而且可以使稀NOx吸附-还原催化转化器在稀燃时,控制汽油机按稀燃状态运行;而在浓燃还原再生过程中,电控系统自动调小节气门开度和点火提前角,使得汽油机对外输出的扭矩稳定.将该系统应用于一台丰田8A-FE16气门EFI汽油机,实验结果表明,研制的稀燃电控系统,达到了设计的要求.     

预燃室火焰射流对双燃料着火燃烧过程的模拟研究

基于计算流体力学(CFD)程序耦合动力学机理,研究了一台大型低速二冲程船用柴油机改装的柴油-天然气双燃料发动机预燃室系统的布置方案对射流火焰发展过程的影响,以及由此对缸内流动、燃烧和有害污染物氮氧化物(NO_x)生成历程的影响。结果表明:预燃室方案造成射流火焰对撞会对碰撞区域及周围流场产生较大扰动,同时在碰撞区域形成富燃区,抑制该区域内NO_x的生成;射流火焰不碰撞则会增大其贯穿距离,实现更大空间范围的多点着火,放热更集中,同时会因较高的温度使NO_x排放上升;此外射流火焰与缸盖、活塞和缸套等壁面接触会显著降低其流动速度和燃烧温度,造成燃烧效率下降,缸内湍动能减小,在实际应用中应尽可能避免。     

湍流射流点火甲醇发动机负荷拓展和性能优化研究

基于一台湍流射流点火（turbulent jet ignition, TJI）甲醇发动机开展发动机负荷拓展和性能优化试验研究。结果表明,稀燃工况下（过量空气系数大于1.4）,采用进气增压技术可有效提升TJI甲醇发动机在高负荷工况下的燃烧稳定性和动力性,同时降低指示油耗率,提升排放性能;此外,基于进气增压技术提出了TJI甲醇发动机宽负荷工况下的最佳油耗运行策略。低负荷运行工况下,相较于质调节方式,采用量调节方式改变发动机负荷可使指示油耗率最高降低5.2%（平均指示压力为0.30 MPa时）,一氧化碳（carbon monoxide, CO）、甲醛（methanal, HCHO）及碳氢化合物（hydrocarbon, HC）等污染物排放均有所降低,同时可提升燃烧稳定性,避免过于稀薄而造成的燃烧恶化现象。     

二次喷油过程对稀燃汽油机性能影响的试验研究

利用气道内燃油二次喷射技术可以在气缸内形成准均质稀混合气，改善汽油机稀薄燃烧过程。在一台4缸16气门发动机上，利用自主开发的电控系统，固定两次喷油总量，改变两次喷油比例和二次喷油时刻等参数，可以实现对二次喷油过程的优化，改善混合气形成，从而改善燃烧过程，扩大稀燃极限。采用不同喷油比例，在不同空燃比时实现的节油率为7．7％～19．2％。空燃比越大，二次喷油比例对燃油经济性的改善越明显。选择合适的二次喷油时刻，在气流运动的作用下，有助于对火花塞附近区域混合气进行有效加浓。     

典型工况下的稀燃天然气发动机燃烧循环变动研究

通过分别记录稀燃天然气发动机在怠速、低速大负荷及高速大负荷工况下的缸内压力数据,提取并计算各工况下缸内燃烧特征参数的循环变动率,进而研究各工况下稀燃天然气发动机燃烧循环变动的特性。结果表明:在怠速工况下,天然气发动机燃用稀混和气时,燃烧循环变动十分明显;与低速大负荷工况相比,稀燃天然气发动机在高速大负荷工况下的平均指示压力燃烧循环变动系数上升了一倍。