燃料辛烷值对均质压燃（HCCI）工况范围和排放特性的实验研究

在一台改装的单缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值基础燃料（PRF）均质压燃（homogeneous charge compression ignition， HCCI）运行工况范围、性能和排放特性的实验研究. 结果表明，在不同发动机工况燃烧不同辛烷值（RON）的燃料，可以控制HCCI燃烧并拓宽HCCI的运转工况范围. 在不同发动机负荷工况都存在一个能够实现最高指示热效率的最佳RON. 燃料RON增大，氮氧化物（NO_x），碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）排放都升高，其中HC排放升高的趋势最明显. 研究还表明，CO排放与缸内最高平均温度有较好的一致性，而NO_x排放急剧升高是爆震燃烧的重要特征.     

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.     

正庚烷均质压燃燃烧特性和排放特性的实验研究

为进一步了解高十六烷值燃料均质压燃的燃烧特性和排放特性，以正庚烷（n-heptane）为燃料，在一台改装的单缸直喷柴油机上进行正庚烷均质压燃台架实验．结果表明，正庚烷在均质压燃模式下表现出明显的双阶段着火特性；随着混合气浓度增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值升高；随着发动机转速升高，燃烧放热率峰值先降低后升高，高转速的缸内最大爆发压力降低；当废气再循环率增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值均降低，废气再循环使正庚烷均质压燃的运转工况范围向大负荷工况扩展，废气再循环率为75％正庚烷均质压燃运转的最高平均指示压力为0．41MPa．排放测试表明，正庚烷在均质压燃模式下的氮氧化物排放接近零，且可以实现无碳烟排放，但碳氢化合物和一氧化碳排放较高．     

二甲醚/甲醇均质压燃的燃烧特性

为开究二甲醚/甲醇均质压燃的燃烧特性，在单缸发动机上进行了二甲影甲醇均质压燃的试验研究．结果表明，随二甲醚浓度增加，主燃烧时刻提前，燃烧持续期缩短，放热率峰值升高；随甲醇浓度增加，低温反应变得不明显，主燃烧时刻推迟，燃烧持续期延长，因此通过调节2种燃料浓度可以有效控制均质压燃燃烧过程．在均质压燃正常燃烧范围内，燃烧效率和指示热效率随二甲醚浓度的增加而提高，随甲醇浓度的增加而降低，通过采用较浓的二甲醚可以获得比较高的指示热效率值，试验中在较高负荷采用高浓度二甲醚时，指示热效率达到48％．     

柴油-丙烷发动机不同喷油提前角时的燃烧和排放特性

在一台单缸直喷式柴油机上开展了不同喷油提前角下燃用柴油和柴油-丙烷混合燃料时的燃烧和排放特性研究.研究结果表明:柴油-丙烷混合燃料的燃烧与排放参数随喷油提前角的变化趋势与燃用纯柴油时基本相同;对于给定的平均有效压力,柴油-丙烷混合燃料的放热率峰值和NOx排放随喷油提前角的推迟而减小,而总燃烧持续期、CO、HC和碳烟排放随喷油提前角的推迟而增加;对于给定的平均有效压力和喷油提前角,放热率峰值和NOx排放随混合燃料中丙烷含量的增加而增大,而总燃烧持续期、CO、HC和碳烟排放随丙烷含量的增加而减小.     

基础燃料辛烷值对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

研究了燃料辛烷值对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧稳定性和循环变动的影响.在单缸HCCI发动机上,通过进气管喷射燃料形成均匀混合气,记录了正庚烷、PRF20、PRF40、PRF50、PRF60燃料在相同循环油量下100个循环的示功图,据此对主要燃烧参数和性能参数的循环变动进行了分析.研究表明,随着燃料辛烷值增加,各种燃烧参数和性能参数的循环变动系数增加,特别是当辛烷值达到40以后,循环变动显著增加.对某一种燃料而言,低温着火时刻和高温着火时刻的循环变动系数较小;燃烧过程后期参数(如最大放热率、最大压力升高率)的循环变动系数要大得多;而反映发动机性能的宏观参数(如最大气缸压力和平均指示压力)的循环变动的数量级介于两类燃烧参数之间.     

燃用二甲醚柴油机气道-气缸喷射复合燃烧

结合柴油机燃用二甲醚均质冲量压缩着火(HCCI)燃烧与缸内直喷燃烧各自优点,提出了气道-气缸喷射复合燃烧方式,并在一台柴油机上进行了试验研究.结果表明,燃烧过程包括二甲醚HCCI燃烧和缸内喷雾的预混及扩散燃烧,但随预混合率的不同呈现不同特征.随预混合率增加,在平均有效压力为0.12 MPa时,燃烧过程由两阶段发展到三阶段以至四阶段,再经三阶段回到两阶段,气缸压力、温度峰值先减后增,NOx排放单调减小;平均有效压力为0.24 MPa,压力、温度、压力升高率和压力升高加速度峰值以及NOx排放均先减后增;平均有效压力增为0.36 MPa时,最低和最高预混合率分别受到喷油泵供油能力和爆震限制,在能实现的预混合率范围内,压力、温度峰值和NOx排放随预混合率增加而单调增加.     

缸内直喷天然气/氢气混合燃料配合废气再循环的性能与排放

在一台天然气/氢气混合燃料的缸内直喷火花点火发动机上通过引入废气再循环(EGR)实验研究了EGR率、掺氢比及喷射时刻对发动机性能和排放的影响.结果表明:掺入氢气,在小EGR率时可以减小平均有效压力(BMEP)和有效热效率,在大EGR率时可以增加BMEP和有效热效率;BMEP随EGR率的增大而减小,有效热效率随EGR率的增大先减后增.NOx排放随EGR率的增大而下降,随掺氢比的增大而上升;HC排放随EGR的增大而上升,随掺氢比的增大而下降;CO排放与EGR率变化基本无关,随掺氢比的增大而上升.平均指示压力变动系数Cimep随EGR率的增加而增大,相比于早喷射,晚喷射时Cimep的增大趋势更为明显,此时掺氢可以有效降低Cimep.     

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.     

含醇汽油的燃烧与排放特性对比试验研究

为研究汽油分别掺混甲醇、乙醇、正丁醇和异丙醇-正丁醇-乙醇(IBE)的燃烧与排放特性,在1台进气道喷射型点燃式发动机内分别将不同醇体积分数和不同工况下的含醇汽油进行对比试验研究。研究结果表明:含醇汽油的燃烧相位比纯汽油的燃烧相位提前且随醇体积分数增大更提前,故应推迟点火;含醇汽油的有效热效率除IBE(异丙醇-正丁醇-乙醇)外均下降,而有效燃油消耗率均升高,IBE-汽油的有效燃油消耗率最低;含醇汽油的CO排放在稀燃时随当量比增大而升高,与纯汽油相比,甲醇-汽油的UHC排放升高,而乙醇-汽油、正丁醇-汽油的UTC排放量降低,IBE-汽油的UTC排放量最低;含醇汽油的NOx排放量均比纯汽油的NOx排放量低,甲醇-汽油的排放量最低;相比纯汽油,IBE30的燃烧相位有较大提前,且IBE30与纯汽油的燃烧相位的差距随当量比(即可燃混合气中理论上可完全燃烧的实际含有的燃料质量与空气质量之比)和平均有效压力的增大而减小,有效热效率略高,CO,UHC和NOx排放量均较低;IBE有望成为良好的汽油代用燃料。     

火花辅助对多缸汽油机HCCI燃烧及排放的影响

采用优化动力技术手段,利用发动机冷却水和排气余热加热进气,在多缸汽油机上实现了均质混合气压缩(HCCI)燃烧,研究了火花辅助点火对HCCI燃烧及其排放特性的影响.结果表明：当进气温度未达到HCCI稳定燃烧条件时,火花辅助有助于HCCI燃烧,并可增大平均指示压力、最大气缸爆发压力以及最大压力升高率,降低循环波动率,提高燃烧稳定性;火花辅助使得HCCI燃烧出现了2个放热阶段,当点火提前角增加时,主燃烧阶段的放热率峰值增大,燃烧起始点提前;在发动机转速为1 200~1 600 r/min的小负荷范围内,火花辅助可以适当降低NOx和HC的排放量.     

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.     

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     

一种新型含氧燃料对柴油机燃烧特性的影响

为解决柴油机的碳烟颗粒和氮氧化物排放难以同步降低的矛盾,在一台TY1100直喷柴油机上对新设计的一种含氧添加剂乙酸-2-甲氧基乙酯(MEA)和柴油的混合燃料进行了燃烧和排放的试验研究.结果表明:MEA可与柴油实现良好的互溶;在相同的工况下,随着混合燃料中MEA比例的增加,柴油机缸内的最高压力变化较小,但滞燃期略有延长,瞬时放热率增加,燃烧持续时间变短;MEA可以显著降低柴油机的碳烟排放,可使HC和CO的排放有一定程度的降低,但对发动机NOx的排放没有明显的影响;在不改变发动机结构参数的条件下,当燃用体积分数为15%的MEA混合燃料时,发动机的碳烟排放平均降低约50%,发动机的标定功率下降约5%,而热效率提高约2%.     

基于多孔介质燃烧的发动机理论热力循环分析

针对多孔介质发动机,建立了热力学理论模型,引入等温膨胀比,对经典的闭式和开式多孔介质发动机的热力循环过程进行分析,推导出多孔介质发动机热效率、循环功的计算公式,并采用压缩比系数建立了闭式和开式多孔介质发动机热力循环的关系.通过模拟计算,研究了传统发动机和闭式多孔介质发动机两种类型6种循环的理论热力过程,探讨其热效率、循环功随不同参数的变化及其与各参数之间的关系.分析发现,在理论热力循环中,闭式多孔介质发动机比传统发动机在循环功上有着较大优势,认为高速柴油机循环更适合采用多孔介质技术实现高效燃烧和超低排放.     

正庚烷HCCI燃烧下多环芳烃生成机理与影响因素分析

通过修改化学动力学软件SENKIN,建立了正庚烷均质充量压缩点燃(HCCI)燃烧过程数值模拟的单区模型.利用此模型对正庚烷HCCI燃烧下芳烃(苯、萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.同时,分析了过量空气系数、进气初始压力和发动机转速对多环芳烃形成规律的影响.计算中采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理(共包括107种组分、542个基元反应).结果表明,在低温反应阶段并没有苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)、芘(A4)生成;当进入高温反应阶段后,苯、萘、菲、芘的浓度迅速升高至峰值,然后均陡直下降为零.随着过量空气系数的增大,苯的摩尔分数峰值降低,但菲的摩尔分数峰值变化较小.同时,苯、萘、菲的摩尔分数随进气初始压力的降低而降低;随着发动机转速的下降,苯的摩尔分数先降低后增加,萘的摩尔分数却是先增加后降低,而菲的摩尔分数却持续降低.     

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．     

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.     

二甲基醚发动机HCCI燃烧与排放的计算

构建了可应用于均质充量压燃（HCCI）发动机的二甲基醚（DME）详细化学反应动力学M燃烧模型，该模型包含97种物种和457个基元反应．拓展M模型的应用范围，分析了DME发动机HCCI条件下关键基元反应和重要物种随曲轴转角的变化关系，获得了DME氧化反应的主要历程．研究了NOx的生成机理，结果表明NOx排放中NO生成量达到最大值后出现“冻结”现象，NO2与N2O最终排放浓度极少且受缸内温度影响不大．随着缸内温度的增加，NOx排放中NO所占比例逐渐增加．基于化学反应速率及敏感度分析，得到了DME发动机HCCI燃烧的NO排放主要受扩大Zeldovich机理和N2O途径控制．