汽油机缸内直喷技术的探索与研究

汽油机采用缸内直喷技术主要达到两个目标：一是大幅度改善汽油机的燃油经济性;二是控制排放,主要是NOx、未燃HC和少量的未燃颗粒物的排放。采用缸内直喷技术把汽油直接喷射到气缸中,可以精确控制空燃比,并在混合气形成的组织上具有更大的灵活性,可实现汽油机的燃油经济性和动力性能的大大提升。通过采用合适的燃烧模式和排放后处理技术,使排放特性也会得到大幅度改善。     

用三维计算研究喷油参数对汽油缸内直喷的影响

汽油缸内直喷已成为新一代汽油机提高经济性、降低排放的重要手段 .在这种新型燃烧方式中 ,喷雾过程是重要的影响因素 .文中以一台家用轿车三缸发动机为对象 ,进行缸内过程的三维模拟计算 .就喷油参数对汽油缸内直喷的影响进行了分析 ,研究了喷油定时与喷油角度的作用 .结果表明 ,选择适当的喷雾参数对缸内混合气的形成、燃烧的组织等具有重要意义     

废气再循环对汽油缸内直喷汽油机燃烧和排放的影响

为降低汽油缸内直喷(GDI)发动机污染物排放,试验研究了中小负荷下废气再循环和过量空气系数对缸内直喷汽油机燃烧及排放的影响规律。研究表明:加入废气再循环(EGR)能显著降低缸内峰值压力;且过量空气系数小于1时,废气对燃油的蒸发雾化起积极作用,使燃烧持续期增大;但燃烧放热率降低。EGR能显著降低直喷汽油机的NOx排放,但对CO排放的影响较弱。过量空气系数小于1时,EGR对HC排放的影响较明显,HC排放随EGR率增大而减小。随过量空气系数的增大,EGR对HC排放的影响逐渐降低。总体来看,当过量空气系数小于1时,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放影响较明显,废气的稀释和热容作用起重要作用。EGR的加入,降低了GDI汽油机核态颗粒物的排放;随EGR率增大,PM排放降低。当过量空气系数大于1后,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放的影响逐渐减弱。     

EGR对GDI汽油机燃烧和排放的影响

为降低GDI发动机污染物排放,试验研究了中小负荷下废气再循环和过量空气系数对缸内直喷汽油机燃烧及排放的影响规律。研究表明：加入EGR能显著降低缸内峰值压力,且过量空气系数小于1时,废气对燃油的蒸发雾化起积极作用,使燃烧持续期增大,但燃烧放热率降低;EGR能显著降低直喷汽油机的NOx排放,但对CO排放的影响较弱;过量空气系数小于1时,EGR对HC排放的影响较明显,HC排放随EGR率增大而减小;随过量空气系数的增大,EGR对HC排放的影响逐渐降低。总体来看,当过量空气系数小于1时,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放影响较明显,废气的稀释和热容作用起重要作用;EGR的加入,降低了GDI汽油机核态颗粒物的排放,随EGR率增大,PM排放降低。当过量空气系数大于1后,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放的影响逐渐减弱。     

负阀重叠的双缸直喷汽油机HCCI燃烧控制

在一台双缸缸内直喷汽油机(GD I)上,采用负阀重叠(NVO)的配气相位和两阶段燃油喷射技术来控制缸内混合气的形成和燃烧,实现了高效低污染的汽油均质混合气压燃(HCC I)燃烧模式。在转速为800~2 200 r/m in、负荷(平均指示压力)为0.1~0.53M Pa的HCC I工况平面内,指示油耗在较宽的范围内低于240 g.kW-1.-h 1,NOx排放(体积分数)低于4×10-5,无碳烟排放。在HCC I运行范围内研究了不同喷油策略对HCC I燃烧特性的影响。结果表明,适当的NVO和两阶段缸内直喷可以有效地降低HCC I燃烧循环波动,控制着火始点、燃烧速率以及拓宽HCC I运行范围。     

机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放的影响规律

缸内直喷汽油机以其出色的经济性和瞬态响应性能得到了市场的广泛认可,但其类似于柴油机的喷射特点决定了汽油缸内混合时间短、混合气局部过浓,并使得其微粒生成的质量和数量增加。此外机油不可避免地参与燃烧,也会影响微粒排放特性。为研究机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放影响规律,采用DMS500粒径分析仪对一台GDI发动机不同机油消耗量条件下的微粒粒径分布特性进行研究。研究结果表明:改变油气分离器的状态可以显著改变GDI发动机的机油消耗量;怠速工况下机油消耗量增加会导致微粒生成质量和数量显著升高;低速工况下,中低负荷时,机油消耗量增加,微粒的质量浓度增加;高负荷时影响不明显。中速工况下,机油消耗量对微粒排放影响不明显。     

机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放影响规律的研究

缸内直喷汽油机以其出色的经济性和瞬态响应性能得到了市场的广泛认可,但其类似于柴油机的喷射特点决定了汽油缸内混合时间短、混合气局部过浓并使得其微粒生成的质量和数量增加;此外机油不可避免地参与燃烧也会影响微粒排放特性。为研究机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放影响规律,本文采用DMS500粒径分析仪对一台GDI发动机不同机油消耗量条件下的微粒粒径分布特性进行研究。研究结果表明：改变油气分离器的状态可以显著改变GDI发动机的机油消耗量;怠速工况下机油消耗量增加会导致微粒生成质量和数量浓度显著升高;低速工况下,中低负荷时,机油消耗量增加,微粒的质量浓度增加;高负荷时影响不明显。中速工况下,机油消耗量对微粒排放影响不明显。     

二次喷油优化直喷汽油机冷启动排放特性的研究

研究了一种通过特殊活塞顶面形状结合二次喷射策略来解决直喷汽油机冷启动工况排放问题的新方法.该方法通过适当的二次喷油分配、结合缸内气流运动来改善燃油混合气的分布.利用AVL-Fire对不同喷油策略下直喷汽油机启动时缸内油气混合分布进行了模拟,对不同喷油策略的冷启动排放进行了实验研究.结果表明,采用特殊活塞顶面形状进行合理的壁面引导,同时结合二次喷油策略,能够优化直喷汽油机冷启动工况下缸内空燃比的分布,使得混合气浓度在火花塞附近略高,宜于火花点火,在火花塞周围略低,宜于火焰传播,从而提高燃烧的稳定性,减少燃油的湿壁现象,降低HC的排放.     

复合燃烧技术在缸内直喷汽油机的应用探讨

汽车技术诞生的百余年中,发动机作为核心一直在不断突破,但其技术更新远不如车型风格演变那样简便,往往十数年都难以有大的进展,就好像一些车型引以为豪的VVT可变正时气门技术,其实也已经是上世纪的产物。而近年来,欧美的汽油缸内直喷技术开始从实验室走向市场,由此带来的发动机第三次革命也诞生了迄今最牛的汽油发动机技术——缸内直喷。文中介绍了缸内直喷汽油机的性能特点、提出了燃烧理论空燃比的复合喷射燃烧技术,运用了废气再循环(EGR)分层技术。复合喷射通过稳压腔辅助喷射燃油和缸内直接喷射燃油,使缸内形成准均质混合气,以满足各种工况下缸内直喷汽油机对混合气的要求。     

CFD耦合化学动力学模拟EGR对柴油机燃烧的影响

研究了柴油机低速部分负荷工况引入不同EGR对缸内燃烧排放特性的影响.将CHEMKIN-Ⅱ化学反应求解器集成到KIVA 3V Release 2程序中,用正庚烷化学反应机理替代柴油燃烧,建立柴油机缸内燃烧数值模拟模型;结合试验数据,模拟分析喷油时刻保持不变,EGR率(废气再循环)从0%增加到60%的燃烧过程、NOx和碳烟排放.结果表明:引入大比例EGR后点火延迟明显增长,燃烧相位推迟,燃烧温度降低;较低燃烧温度避开了NOx的高浓度生成区,EGR率60%时NOx排放比无EGR时降低93.5%;但高EGR率未使燃烧路径避开碳烟生成区,加之较低的氧浓度不利于碳烟的氧化,碳烟排放增高.     

喷射策略和运行工况对直喷汽油机微粒排放的影响

应用DMS500型快速颗粒分析仪对一台自然吸气缸内直喷汽油发动机排放的颗粒物粒径分布进行试验研究,考察了运行工况(负荷、冷却水温和点火时刻)以及喷油策略(喷油时刻、喷油压力)对颗粒物粒径分布特性及其微粒数量的影响规律,并分析了不同工况下颗粒物的氧化活化能.结果表明:缸内直喷汽油发动机排放的颗粒物粒径呈现出双峰变化特征,在30℃水温时,低负荷下以生成积聚模态颗粒物为主,高负荷下以生成核模态颗粒物为主;较低的冷却水温会增加排放的颗粒物数量;点火时刻的推迟能够减少颗粒物的生成;在不同负荷的喷油时刻都存在一个最佳的颗粒物排放点;喷油压力越高,生成的颗粒物数量越少,核模态颗粒物的比例越高;随着负荷增加和冷却水温降低,颗粒物的起燃温度升高,颗粒物的氧化活性降低.     

乙醇DI对汽油PI发动机性能与爆震的影响

文章在一台汽油缸内直喷发动机的基础上,建立了发动机的三维计算模型,标定了原机的喷雾模型和燃烧模型,并在此基础上进行了乙醇缸内直喷(ethanol direct injection,EDI)+汽油进气道喷射(gasoline port injection,GPI)的仿真模拟,研究EDI喷油时刻、点火时刻、进气温度对发动机缸内混合气的形成、燃烧、排放的影响和乙醇燃料特性对爆震抑制的贡献率。仿真模拟结果表明:通过改变EDI喷油时刻,影响乙醇的蒸发雾化程度,在缸内形成不同程度的混合气当量比分布;喷油时刻在上止点前250°CA时,缸内混合气均匀,产生最佳的燃烧相位。在最大爆震极限火花提前时,通过进气加热抵消乙醇汽化潜热的影响,得出乙醇高汽化潜热和高火焰传播速度对OH自由基的抑制率分别为23.5%、76.5%。     

正十四烷在柴油机条件下芳香烃的形成及演化

以单缸直喷柴油机为研究背景,考虑了正十四烷（C14H30）燃料的详细化学反应机理,设计了化学成分的焓值计算程序,对缸内燃烧过程进行三维数值模拟计算,研究了诱发碳烟颗粒先导物生成的单环及多环芳香烃（PAHs）的形成,应用Belardini碳烟模型讨论了缸内碳烟颗粒的形成和演变过程,分析了PAHs对碳烟生成的影响．结果表明...     

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。     

异辛烷/柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性

在一台单缸发动机上进行了双燃料分层充质压缩着火(SCCI)燃烧的试验研究.分析了异辛烷作为预喷射燃料,柴油作为缸内直喷燃料的SCCI着火方式和燃烧过程,并通过固定直喷入缸内的柴油当量比φD,研究不同异辛烷预喷射当量比φP对SCCI燃烧和排放特性的影响.研究表明:SCCI燃烧出现两阶段放热;φP对燃烧和排放特性的影响存在一个临界值,且φD固定值增大,该临界值降低.对燃烧特性的分析发现:当φP高于临界值时,异辛烷的着火延迟明显缩短,其放热峰值显著增大;整个SCCI的燃烧速率、缸内最大压力和最高温度迅速提高,燃烧持续期几乎保持不变,热效率显著改善.对排放的研究发现:φP增大时,HC和CO排放先增大,但当φP高于临界值时,HC和CO排放逐渐减少;NOx和碳烟的排放随φP的增大而增大,但当φP高于临界值时,增大速率显著加快.     

缸内直喷汽油机复合燃烧技术

针对缸内直喷汽油机(GDI)存在的主要排放未燃HC和NOx问题,提出了燃烧理论空燃比的复合喷射燃烧技术,运用了废气再循环(EGR)分层技术.复合喷射通过稳压腔辅助喷射燃油和缸内直接喷射燃油,使缸内形成准均质混合气,以满足各种工况下GDI对混合气的要求.在负荷由小到大直至满负荷的范围内都可避免出现过稀区、过浓区,这利于燃烧并减少HC排放;利用在进气管上设计的独特的废气通道,通过滚流分层充气方法,将进气冲程再循环的废气和油气分层,以形成废气-油气-废气馅饼状分层,从而提高了废气再循环率,降低了NOx排放.两种技术的结合,可以解决GDI发动机存在的主要排放问题.实验证明:复合燃烧系统与EGR分层充气技术的有效结合,可以在各种工况下降低NOx排放,降低量为61%;可以降低冷启动时的HC排放,降低量至少为50%.     

缸内直喷燃料改质控制HCCI着火时瓤和燃烧速率的研究

提出了汽油缸内直喷（GDI）多段燃油喷射策略来控制缸内混合气的温度、浓度及化学组分，实现了对HCCI着火时刻和燃烧速率的控制．研究了不同喷油策略、喷油比例和喷油时刻对HCCI着火、燃烧和排放的影响．结果表明，缸内直喷可以有效地控制HCCI着火始点和燃烧速率，降低燃烧循环波动，拓宽HCCI高低负荷下的运行范围．     

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.     

缸内直喷燃料改质控制HCCI着火时刻和燃烧速率的研究

提出了汽油缸内直喷（GDI）多段燃油喷射策略来控制缸内混合气的温度、浓度及化学组分，实现了对HCCI着火时刻和燃烧速率的控制.研究了不同喷油策略、喷油比例和喷油时刻对HCCI着火、燃烧和排放的影响.结果表明，缸内直喷可以有效地控制HCCI着火始点和燃烧速率，降低燃烧循环波动，拓宽HCCI高低负荷下的运行范围.     

柴油机燃用纳米CeO_2催化柴油的缸内碳烟分布

利用缸内燃烧可视化技术研究了催化柴油的碳烟生成过程和浓度分布规律,并分析了高压共轨柴油机燃用催化柴油的燃烧特性和烟度排放.结果表明:随着CeO_2质量浓度的增大缸内燃烧时碳烟火焰出现位置提前,消失的时刻更早;与燃用纯柴油相比,催化柴油的缸内碳烟生成区域减小,碳烟浓度降低,碳烟面积占有率比较小,而柴油机排气烟度有所降低,且随着负荷的增加改善效果更明显;纳米CeO_2颗粒会改善燃油燃烧过程并提高放热速率,柴油机燃用催化柴油后燃烧始点提前,缸内压力峰值、放热率峰值和压力升高率峰值均增大,且对应相位更加靠近上止点.