进气道喷水量对GDI汽油机燃烧和排放特性的影响

基于一台涡轮增压4缸汽油机,全面系统地探究了进气道喷水量对发动机燃烧特性、燃油经济性以及排放特性的影响规律.试验选取发动机3个常用转速(2 000 r/min、2 800 r/min和3 200 r/min)以及具有代表性的中等负荷(50%),水油质量比μ的选取范围为0～40%.结果表明:随着μ的增加,水的大比热容和高温分解带来的吸热作用的增强,使得缸内平均压力曲线上升趋势变平缓,缸内最高压力和tα显著降低;滞燃期先基本不变而后延长,CA50和θT先基本不变而后推迟,燃烧持续期逐步缩短.与μ=0相比,μ=40%时,在2 000 r/min、2 800 r/min、3 200 r/min下,缸内最高压力分别下降约0.72 MPa、0.64 MPa、0.94 MPa,tα分别降低30℃、68℃、47℃,CA50分别滞后3.3°CA、3.1°CA、4.4°CA.燃油消耗率(BSFC)呈现先略有减少而后较明显增加的趋势,μ=10%是转折点,可降低BSFC约1 g/(kW·h),而μ=40%时将增加BSFC约3 g/(kW·h).进气道喷水后减少了局部高温和局部过浓区域,有助于明显降低GDI汽油机的NOx和烟度排放.与μ=0相比,μ=40%时,NOx和烟度的最大降幅高达30%左右.而喷水对CO和HC排放的影响相对较弱,随着μ的增加,CO和HC排放分别呈现缓慢降低和缓慢上升的趋势.GDI汽油机在当量比下采取喷水策略具有节能减排的潜力,工程应用前景广阔.     

进气道结构对增压汽油机燃烧过程影响的数值模拟

为提高某三缸增压进气道喷射汽油机的燃烧效率,利用三维CFD软件AVL-FIRE对原汽油机进气道在各气门升程下的进气过程进行了稳态数值模拟计算,并对其原汽油机在1,000,r/min、3,000,r/min和5,000,r/min全负荷下的燃烧过程进行了瞬态数值模拟计算;基于计算结果提出了两种进气道优化设计方案.对优化前后的缸内速度场、湍动能场、温度场、瞬时放热率及燃烧持续期进行了对比研究.研究结果表明:与原气道方案相比,优化气道方案的滚流比更大,在缸内组织了更强的气流运动,点火时刻缸内的湍动能更大且分布更为合理,火焰发展期和快速燃烧期更短.通过优化进气道结构适当提高增压汽油机的滚流比,可以改善压缩行程后期缸内的气流运动,提高点火时刻缸内的湍流强度,对提高混合气的燃烧速度、促进缸内燃烧十分有利,从而可有效提升汽油机的燃烧效率.     

PFI汽油机油气混合过程三维瞬态数值模拟

以KIVA程序作为三维瞬态模拟软件,对进气道喷油式汽油机(PFI汽油机)采用闭阀喷射模式在3 500 r/min全负荷工况以及800 r/min怠速工况下单个工作循环内的油气混合过程进行了计算研究.计算表明两工况有着相似的燃油蒸气浓度分布状况,并且点火前时刻两工况下缸内的混合气浓度分布都比较均匀,空燃比的变化范围不大.计算还表明,800 r/min怠速工况下的燃油蒸发状况明显劣于3 500 r/min全负荷工况,该工况下气道内不仅存在附壁油膜,而且部分油膜不能在本循环完全蒸发,致使点火时刻缸内的燃油蒸气浓度明显低于3 500 r/min工况下的燃油蒸气浓度.     

排气再循环与燃烧边界条件耦合对增压汽油机有效热效率的影响

在一台小型增压进气道喷射汽油机上开展了排气再循环技术与关键燃烧边界协同性对发动机燃油经济性和燃烧循环波动影响的试验研究。结果表明:增压技术、排气再循环技术和压缩比协同控制较为重要,协同性明显影响燃油经济性和燃烧循环波动;转速为2 000r/min、负荷为0.2~0.4 MPa时排气再循环对燃油经济性改善不明显;转速为1 500~2 500r/min、负荷为0.6~1.0MPa时排气再循环率对汽油机燃油经济性改善明显,燃油消耗率降幅为2%~7%;考虑高能点火系统本身能耗,转速为2 000r/min、负荷为0.2~1.0MPa时多重火花电容放电的高能点火系统对燃油经济性改善不明显,但循环波动得到了改善;对于上市整车匹配1.6L进气道喷射汽油机,采取集增压技术、排气再循环技术、高滚流进气道和1.3L排量措施后的进气道喷射汽油机的整车循环油耗降低了8.86%,整车具备达到相应油耗水平的潜力。     

缸内直喷汽油机低速混合气形成过程研究

通过Hydsim搭建的多孔喷油器一维仿真模型分析了针阀开启与关闭阶段喷油参数的变化,并使用FIRE软件对15 MPa喷油压力下的定容室喷雾进行了数值模拟及模型标定. 在此基础上,以一涡轮增压缸内直喷汽油机为研究对象,对比数值模拟与实验结果,分析了滚流比及喷油时刻对低速工况缸内混合气形成过程的影响. 结果表明,对2000 r/min全负荷工况,采用较高滚流比可增强缸内气流运动,促进燃油快速蒸发并形成更加均匀的混合气,而适当的喷油时刻可减少燃油碰壁,改善混合气浓度分布,从而更利于燃烧及发动机性能的提升.      

均质二甲醚/乙醇喷雾压燃的燃烧和排放特性

在改装的2-135柴油发动机上对进气道喷射二甲醚(DME)引燃直喷乙醇的燃烧特性进行研究,分析了燃料预混合率和负荷对缸内压力、放热率、压力升高率和排放等的影响.结果表明:在发动机转速1000 r/min,平均有效压力pBME=0.27、0.41 MPa的工况下,缸内燃烧过程包括DME的均质充量压燃和乙醇喷雾燃烧2部分,随着预混合率增加,DME冷焰反应后的燃烧相位不断提前,燃烧过程由2个阶段发展到4个阶段,而后变为3个阶段;与此同时,缸内压力增大,循环变动减小;排放物中NOx的体积分数随预混合率的变化趋势与负荷有关,在pBME≤0.33 MPa时,NOx的体积分数随预混合率的降低而减小,但pBME=0.41 MPa时,情况则正好相反.     

Atkinson循环发动机燃油经济性与排放性试验

在外特性及汽油机常用工况点下,研究了高压缩比Atkinson循环发动机的燃油经济性与排放特性.研究表明:Atkinson循环发动机在外特性工况下,扭矩降低5%,有效燃油消耗率降低5%~8%左右;在2 000 r/min,0.2 MPa与3 000 r/min,0.3 MPa常用工况点下,扭矩损失较小,泵气损失分别降低34%与24%,有效燃油消耗率分别降低9.0%与7.5%;负荷越低,泵气损失减少越明显;在排放特性上,NO_x排放分别降低了65.0%与31.5%,HC排放增加23.7%与26.0%.      

引燃油喷射时刻对着火特性和压力振荡影响的研究

为提高天然气/柴油双燃料船用低速发动机低负荷时的燃烧稳定性、避免高负荷时爆震发生,采用三维数值模拟的方法,研究了实际双燃料发动机中引燃油喷射时刻对缸内混合气的着火/燃烧特性及缸内压力振荡的影响.结果表明:甲烷当量比为0.38的工况,引燃油喷射时刻的推迟会造成缸内甲烷/空气混合气的着火时刻和燃烧相位推迟,缸内压力减小且爆压相位滞后;当喷射时刻推迟至2.0°CABTDC时,缸内压力峰值低于10 MPa,说明燃烧严重恶化,甚至出现失火现象.甲烷当量比为0.50的工况,引燃油喷射时刻的推迟使缸内压力振荡幅度增大且振荡发生的时刻推迟,当喷油时刻推迟至2.0°CABTDC时,甲烷/空气混合气在引燃油喷射之前发生自燃;此外,喷油时刻的推迟会导致火焰发展速度加快且火焰前端燃烧更为剧烈,易在靠近壁面的狭小空间内产生压力振荡.     

共轨压力对柴油机噪声及声品质的影响

以某493型柴油机为例研究共轨压力的提高对发动机噪声及声品质的影响机理。对发动机转速1 600 r/min和2 600 r/min全负荷工况下不同共轨压力的发动机噪声和缸内压力进行试验测量,对比不同轨压下的发动机噪声和声品质客观评价指标,并通过燃烧噪声的分析对其影响机理进行研究。最后,从发动机结构衰减和燃烧噪声方面对降噪提出方案。研究结果表明:提高轨压后,发动机整机噪声增大,高频范围更加明显;噪声响度、粗糙度和尖锐度升高;主要原因是轨压的提升使滞燃期内产生更多的可燃混合气,使得缸内压力、高频振荡幅值、压力升高率和放热率增大,燃烧更剧烈,导致燃烧噪声变大,主要体现在高频范围。     

高压直喷天然气发动机外特性燃烧及NO_x排放

以六缸增压中冷发动机为研究对象,采集不同工况下示功图并对NOx排放进行了测试,分析了外特性燃烧特性及排放随转速的变化规律.试验结果表明:在外特性整个转速范围内,瞬时放热率呈先急后缓的趋势,转速越高,瞬时放热率峰值越低;由于低速时滞燃期较长,因此天然气预混燃烧比例较大,各燃烧阶段分界较明显,转速升高到1 100r/min时,滞燃期明显缩短,天然气预混燃烧比例减小,扩散燃烧成为天然气主导的燃烧模式;转速小于900r/min时,NOx排放随转速升高而增加;转速在900~1 600r/min之间时,随转速升高而降低;转速高于1 600r/min时,NOx排放没有明显变化.