HCCI汽油机混合燃烧及放热率计算模型

火花辅助点火HCCI燃烧,是介于纯均质压燃着火燃烧以及传统火花点火燃烧这2种燃烧模式之间的一种特殊的燃烧模式.为此,在全可变气门机构HCCI单缸试验发动机上.研究了火花辅助点火SI-HCCI燃烧模式过渡过程的燃烧特征.通过对火花辅助点火对HCCI燃烧及混合燃烧影响规律的系统分析,提出了产生混合燃烧必须满足的温度条件,建立了由SI向HCCI切换的判断条件计算函数;结合SI函数、HCCI函数和切换条件函数,构建了能够描述混合燃烧过程的燃烧放热率计算模型,为SI-HCCI模式过渡控制策略研究提供了理论依据和技术手段.     

纯甲醇发动机均质压燃燃烧特性模拟

以甲醇为燃料,模拟研究了进气温度、过量空气系数、压缩比、EGR率等参数对均质充量压燃(HCCI)发动机燃烧特性的影响,同时确定了HCCI可行的工作范围.采用单区燃烧模型和详细化学反应动力学机理通过CHEMKIN软件模拟了甲醇发动机的燃烧特性.计算结果表明:随着进气温度和压缩比的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均升高;过量空气系数对燃烧始点影响很小,对燃烧持续期有一定影响;随着EGR率的增加,着火时刻推迟,燃烧持续期增加,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均降低.发动机转速为1 500 r/min,不使用EGR、过量空气系数为5～9时,可以实现HCCI燃烧,随着EGR率的增加,HCCI燃烧区范围变窄.     

生物制气-柴油发动机放热规律的影响因素

采用气化炉热解气化各种农林废弃的生物质,产生可燃生物制气,作为以柴油引燃的双燃料发动机的主要燃料．双燃料发动机由一单缸、四冲程、水冷、直喷式柴油机改装而成,生物制气通过发动机进气管,在进气过程中被吸入气缸．实测生物制气-柴油双燃料发动机气缸压力,根据气缸压力计算放热规律并分析转速、负荷及供油提前角对它的影响．负荷增大时,双燃料发动机燃烧始点提前,最大燃烧放热率增高,最高燃烧温度升高,后燃加重;转速增大时,燃烧推迟;供油提前角增大时,最大放热率降低,对应相位提前,后燃减少．     

汽油掺烧甲醇裂解气的燃烧特性研究

为了评估掺烧甲醇裂解气对发动机燃烧特性的影响,基于某型发动机进行数值仿真与台架试验,运用CONVERGE建立其仿真模型,并通过发动机缸压对仿真模型进行标定,进而研究了汽油发动机掺烧甲醇裂解气后点火提前角、掺混比和过量空气系数对发动机燃烧特性的影响.结果表明:当其他条件相同时,平均指示压力随着点火提前角的增大先升高后降低;在最佳点火角下,掺烧甲醇裂解气发动机相比于原汽油机动力性变化不大时,指示热效率有所提高.当掺烧甲醇裂解气后,随着掺混比例的增加,缸内压力、温度和放热率都有不同程度的升高,且燃烧速度加快,放热更加集中.当掺混比例一定时,随着过量空气系数的增大,缸内压力、温度和放热率都有不同程度的降低,相应地可以通过改变掺混比例来适应过量空气系数的变化.同时甲醇裂解气的点火界限十分宽泛,当过量空气系数为1.4时,汽油已经难以点燃,燃烧恶化,当掺烧甲醇裂解气后,燃烧状况明显好转,可实现稀薄燃烧.由此可见:汽油掺烧甲醇裂解气可以改善燃烧特性,提高指示热效率;在汽油掺烧甲醇裂解气发动机上,利用稀薄燃烧、优化点火正时等,可以在发动机部分负荷工况下得到更好的燃油经济性.     

自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析

在分析活塞运动规律基础上,针对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程,建立了耦合柴油详细化学反应机理的CFD模型,搭建了对置二冲程自由活塞柴油直线发电机实验样机系统,并通过实验测试结果验证了该CFD模型的有效性.仿真分析了初始温度、初始压力、当量比和压缩比等工况变化对HCCI燃烧的影响.仿真结果表明:自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧具有典型的两阶段特征,先进行低温反应放热阶段,后进行高温反应放热阶段;随初始温度、初始压力、当量比和压缩比的增大,燃烧相位提前,燃烧放热率峰值、缸内最高温度和最大压力随之增大.     

基于优化动力技术的多缸汽油机均质混合气压燃/火花点火模式循环变动

摘要： 采用优化动力技术实现了四缸汽油机的均质混合气压燃（HCCI）稳定燃烧;统计分析了火花点火（SI）与HCCI模式的切换点,2种模式下在相同负荷时缸内、缸间的循环变动特点,以及HCCI燃烧向高负荷范围拓展的限制条件和解决方法.结果表明：在1 400 r/min的较低转速下,适当增加切换点负荷,可使切换后的HCCI燃烧更为平稳;当负荷相同时,HCCI模式下燃烧参数的循环变动系数显著低于SI模式,且其平均指示压力在缸内的循环变动系数小于2.5%,缸间的循环变动系数小于3.0%;各缸之间的燃烧参数存在规律性的差异,可采用重新布置进气管路和冷却水循环管路来解决;拓展HCCI负荷范围,必须采取降低进气温度和采用废气再循环的措施,以抑制着火时刻过早和放热率过大的情况发生.
关键词： 汽油机; 均质混合气压燃; 循环变动; 模式切换; 平均指示压力
中图分类号： TK 401文献标志码： A     

喷油参数对聚甲氧基二甲醚/柴油发动机燃烧及其颗粒物排放的影响

在电控共轨高速柴油机试验台上,对比研究了分别以纯柴油和聚甲氧基二甲醚(PODE)/柴油(φ_(PODE)=20%)为燃料时,喷射压力、预喷相位和主喷相位等喷油参数对发动机燃烧及其颗粒物排放特性的影响.结果表明:当喷射压力增大时,预喷燃料放热相位提前,预喷燃烧放热率幅值降低,主喷放热相位提前,最高爆压升高,积聚模态颗粒物排放显著降低,柴油发动机在小负荷下的核模态颗粒物排放大幅升高;当预喷相位提前时,预喷放热相位略微提前且峰值下降,引起小负荷工况下的主喷放热相位延迟,燃烧放热率峰值显著增大,缸压降低,增加了柴油发动机的核模态颗粒物排放而降低了积聚模态颗粒物的排放,且受发动机负荷影响明显;当主喷相位提前时,缸压峰值增大、放热相位提前,使得低负荷下的颗粒物排放升高,高负荷下的颗粒物排放降低;掺混PODE燃料后,柴油发动机的核模态颗粒物排放增大的趋势得到有效抑制.     

供油提前角对LPG/柴油混合燃料发动机的影响

通过测试燃烧压力,计算瞬时燃烧放热率和燃烧循环变动率,研究供油提前角变化对液化石油气(LPG)/柴油混合料发动机燃烧特性和燃烧循环变动的影响.试验结果表明:供油提前角增大,最高燃烧压力和最大瞬时燃烧放热率增大,所对应的曲轴转角提前;随着供油提前角的增大,混合燃料的滞燃期延长;在较低转速时,供油提前角为22°CA BTDC时,混合燃料的燃烧持续期最短,在较高转速时,供油提前角对燃烧持续期的影响与发动机的负荷有关;供油提前角和负荷对混合燃料发动机最高燃烧压力循环变动率的影响没有明显的规律;转速增加,循环变动率略有增大.     

柴油机燃用液化石油气两种方式的燃烧特性

根据实测示功图，计算了发动机的燃烧放热率，分析了一台小型直喷柴油机燃用液化石油气（LPG）两种方式的燃烧特性。研究表明：在小负荷运行时，预混进气方式的最高爆发压力随LPG替代率的升高逐渐降低，在大负荷运行时随替代率的升高先增后减；混合喷射方式的最高爆发压力在整个负荷范围内随替代率的升高逐渐降低。LPG替代率较小时，预混进气方式与混合喷射方式相比滞燃期较长，最高爆发压力和最大燃烧放热率较低，对应的曲轴转角滞后；LPG替代率较大时，预混进气方式的滞燃期较短，在小负荷时，最高爆发压力和最大燃烧放热率较低，但在大负荷时，最高爆发压力和最大燃烧放热率较高，对应的曲轴转角提前。     

点火能量对天然气空气预混合气层流燃烧的影响

通过改变点火线圈的充电时间,研究了充电时间与天然气空气预混合气点火能量、预混层流燃烧速度及压力和放热率等燃烧特性参数之间的关系.结果表明:点火能量随充电时间的增加而增大,当充电时间增加到6 ms时,点火能量的增加趋势减缓;点火能量能会影响火核的形成和初期火焰的发展,当火核半径发展到8mm时,火焰传播速度不受影响;压力峰值随点火能量的增加逐渐增大且峰值位置提前,当充电时间由2 ms增加到8 ms时,最大压力峰值增加了3.8％,峰值提前8.6 ms出现,火焰发展期和快速燃烧期分别缩短了5.2 ms和1.7ms.     

均质压燃的燃烧循环变动试验

为研究均质压燃的燃烧循环变动规律，在单缸发动机上进行了不同辛烷值燃料的均质压燃试验．结果表明，在恒定的平均指示压力下循环变动随辛烷值的增大而增大，在恒定的辛烷值下循环变动随平均指示压力的增大而减小；对于高辛烷值燃料，转速对循环变动的影响非常明显，尤其在较高转速时，循环变动随转速的升高急剧增大；在不发生爆震的情况下，燃烧效率、指示热效率以及HC和CO排放随循环变动的减小而改善，而NOx排放几乎没有变化，但一旦出现爆震情况，则指示热效率降低，NOx排放急剧升高．     

基于内部残余废气的汽油HCCI燃烧过程离子电流特性

燃烧相位和燃烧状态在HCCI燃烧控制中至关重要．为了控制该过程,需要一个来自某种燃烧传感器的反馈信号来确定实际燃烧过程的状态．通过对动态工况下火花塞离子电流与HCCI燃烧相位和燃烧状态的相关性进行研究,分析了离子电流的影响因素,提取出与燃烧相关的离子电流特征参数．结果表明,离子电流拐点相位、峰值相位与HCCI燃烧相位有很好的线性相关性,其相关系数在0．95以上,可以用于燃烧相位在线检测;离子电流峰值、积分面积和拐点值与燃烧负荷的相关系数都在0．65～0．73之间,可以在一定程度上反映燃烧负荷情况．通过检测离子电流信号用于HCCI燃烧指示并用于燃烧过程闭环控制．     

边界参数对HCCI发动机燃烧影响的模拟研究

为了研究边界参数对柴油均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程的影响,应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN程序以及正庚烷(n-heptane)氧化反应简化模型,模拟了不同进气温度、进气压力和当量比等边界参数对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.结果表明,在相同当量比条件下,增压可以拓宽HCCI发动机负荷工况范围,同时保持氮氧化物排放基本不变;过浓或过稀的混合气导致CO排放增加;混合气浓度分层增加NO排放.     

Fuel design real-time to control HCCI combustion

In order to achieve lower emissions and extensive load in the homogeneous charge com- pression ignition (HCCI) engine system, a novel fuel design concept that high-octane number fuel and high-cetane number fuel are mixed real-time to con- trol HCCI combustion is proposed in this study. HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mix- tures controlled real-time on a single-cylinder HCCI combustion engine is studied. The test results show that the equivalence ratio of n-heptane in mixtures decides ignition and controls the combustion phase of HCCI combustion. The addition of iso-octane ex- tends knocking limit in equivalence ratio somewhat, but knocking occurrence mainly depends on the total concentration of mixture. Although operating range in equivalence ratio becomes narrow with the increas- ing proportion of iso-octane, the maximum load of HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mixtures controlled real-time is increased about 80% more than that of pure n-heptane. When iso-octane/ n-heptane mixtures are controlled in optimized method, it is proved that the load of HCCI combustion can be fully extended and emissions can be de- creased remarkably, while at the same time the higher indicated thermal efficiencies are obtained over the extensive operation range.     

EGR对甲醇HCCI发动机燃烧与排放的影响

针对均质压燃燃烧难以控制的问题,在一台发动机上,改装进排气系统,并加装均质混合气供油系统和进气加热系统,研究了外部EGR（废气再循环）对甲醇HCCI（均质充量压缩着火）燃烧与排放特性的影响。结果表明：外部EGR对甲醇HCCI燃烧过程和排放都有显著的影响,随EGR率的增加,CA10、CA50逐渐推迟,燃烧持续期逐渐延长,但影响的程度因混合气浓度的不同而变化;HC和CO排放逐渐增加,且增加的幅度逐渐变大;NOx排放仅在混合气较浓时存在（过量空气系数小于1.5时）,且随着EGR率的增加迅速下降。     

Study the ethanol SI/HCCI combustion mode transition by using the fast thermal management system

In this paper the ethanol homogeneous charge compression ignition (HCCI) is achieved in a modified single cylinder engine by means of a self-developed fast thermal management system (FTMS), and the ethanol SI/HCCI operation regions are defined. It can be concluded that the thermal efficiency is higher and the NOx emission is lower in the HCCI operation region. In addition, the maximum NOx emission drops by 98%. The ethanol SI/HCCI combustion mode transition is conducted in different conditions near the SI/HCCI operation boundaries. It is likely to realize the transition by the utilization of FTMS. However, it is impossible to complete the transition within one operating cycle under current operation conditions. There are fluctuations in engine speed and brake mean effective pressure during the transition process. In order to reduce the fluctuations during the transition, the initial work concerning the effects of the spark ignition on the transition smoothness is carried out and the investigation indicates that the engine speed and brake mean effective pressure fluctuations cannot be eradicated only through spark ignition. Therefore, the control strategies combined with other factors should be further optimized.     

Study the ethanol SI/HCCI combustion mode transition by using the fast thermal manasement system

In this paper the ethanol homogeneous charge compression ignition （HCCI） is achieved in a modified single cylinder engine by means of a self-developed fast thermal management system （FTMS）, and the ethanol SI/HCCI operation regions are defined. It can be concluded that the thermal efficiency is higher and the NOx emission is lower in the HCCI operation region. In addition, the maximum NOx emission drops by 98%. The ethanol SI/HCCI combustion mode transition is conducted in different conditions near the SI/HCCI operation boundaries. It is likely to realize the transition by the utilization of FTMS. However, it is impossible to complete the transition within one operating cycle under current operation conditions. There are fluctuations in engine speed and brake mean effective pressure during the transition process. In order to reduce the fluctuations during the transition, the initial work concerning the effects of the spark ignition on the transition smoothness is carried out and the investigation indicates that the engine speed and brake mean effective pressure fluctuations cannot be eradicated only through spark ignition. Therefore, the control strategies combined with other factors should be further optimized.     

甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火燃烧

在单缸发动机上进行了甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的试验研究,采用详细化学反应机理分析了它们的反应过程和中间产物历程.研究表明,甲醇和正庚烷浓度的变化主要通过影响第一阶段放热量和放热时刻,进而影响高温着火时刻.正庚烷当量比不变时,随着甲醇浓度增加,低温反应放热量减小,燃烧始点推迟;当总燃料当量比不变,增加正庚烷比例时,低温反应时刻提前,峰值放热率增加;正庚烷当量比和总燃料当量比之比在0.8左右时,高温着火时刻发生在上止点附近,此时气缸压力和峰值放热率最大.对排放影响因素分析表明,CO排放更多取决于燃烧温度,而HC主要取决于甲醇比例.数值模拟发现,OH摩尔分数在10-6数量级才触发冷焰反应,甲醇浓度的变化引起低温阶段nC7ket和OH最大浓度及时刻的改变,从而影响低温和高温反应.     

点燃式发动机碗形燃烧室的试验研究

在同１台单缸汽油机试验台上分别采用浴盆形和压缩比不同的碗形燃烧室进行了动力性能、经济性能、排放指标和燃烧过程分析的对比试验研究．结果表明，采用碗形燃烧室后，发动机的总燃烧期缩短，循环变动率下降，适合采用较高的压缩比，在排放指标大致相当的条件下动力性能改善，具有节油１０％以上的效果，有着良好的实际应用价值．