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.     

利用小波分析技术研究燃烧压力高频振荡

为研究内燃机缸内压力高频振荡的机理以及压力高频振荡对燃烧噪声的影响，利用小波分析提取缸内压力高频成分，确定缸内压力高频振荡出现的范围．用有限元方法计算不同曲轴转角下对应燃烧室空腔声模态，用声响应法测量不同曲轴转角下燃烧室空腔声模态，并对计算值和测量值进行比较和修正．对实测的缸内燃烧压力信号进行了分析．有限元计算结果与模态试验结果较吻合，声模态修正后的结果能很好地解释缸内燃烧压力高频振荡．研究表明，缸内燃烧压力高频振荡是燃烧室空腔共振引起的，燃烧压力高频振荡是影响燃烧噪声的重要因素．     

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．     

缸内压力信号中燃烧激励引起高频谐波的特征参数

针对振动信号与缸内压力信号辨识的相位燃烧特征参数间存在滞后角、且不同工况下滞后角不一致的问题,研究了缸内压力信号中可用于表征高频谐波能量的特征参数.分析了缸内压力信号的时频分布特点,确定燃烧激励信号的频带范围;建立了单缸柴油机一维仿真模型,对峰值压力等参数进行了分析.结果表明:峰值压力、最大压升率、最大压升率与燃烧始点到最大压升率点间隔角比值及燃烧始点到峰值压力点间隔角与缸内压力信号高频谐波能量呈近似线性关系;所提出的参数,包括实测振动速度信号中的■能用于表征高频谐波能量,为基于振动速度信号特征参数修正相位滞后角提供了参考.     

不同喷油提前角下双燃料发动机的燃烧特性和稳定特性

针对天然气、柴油双燃料发动机,研究了不同引燃油提前角下双燃料发动机的燃烧和循环变动特性。结果表明:给定引燃油量,喷油提前角提前,缸内最大压力增大,缸内最大压力出现时刻提前;双燃料发动机的放热率特性曲线存在2个波峰,喷油提前角提前有助于引燃柴油完全燃烧,使得引燃能量更大,整体混合气燃烧更充分,放热持续时间缩短,放热速度加快;随着喷油提前角的提前,缸内最大压力和最大压升率显著增大,缸内最大压力的循环变动的变化不明显,最大压升率的循环变动的变化显著;缸内最大压力和平均指示压力与缸内最大压力对应的曲轴转角密切相关且随喷油提前角的提前向上止点移动,缸内最大压升率与其对应曲轴转角的相关性随着喷油提前角的提前而削弱;随着喷油提前角的提前,最大压力和平均指示压力的循环变动系数减小,喷油提前角为20°时最大压力循环变动系数最大,为5.4%,给定喷油提前角下平均指示压力的循环变动系数均小于4%。     

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.     

基于缸内压力振荡的冷EGR对汽油机爆震特性的影响

基于内燃机缸内压力波动方程研究了冷废气再循环(EGR)对汽油机爆震特性的影响.由KIVA-3V燃烧程序的三维流场推导出内燃机缸内压力波动方程,并分别从均值压力和波动压力角度来讨论冷EGR对汽油机爆震的影响规律.分析了不同冷EGR率下燃烧室温度、均值压力和波动压力等燃烧特性.结果表明:随着冷EGR率的增加,缸内燃烧温度、压力升高率大大降低,燃烧持续期明显增加;同时,缸内压力波动幅值明显降低而均值压力变化不大,可见引入适当的冷EGR率对汽油机高频压力振荡有很好的抑制作用.最后,对缸内压力波动进行频谱特性分析,探讨了燃烧室空腔共鸣和发动机爆震之间的关系.     

二甲醚预混比对预混压燃发动机性能影响的试验研究

在一台由2105柴油机改装成的预混压燃(PCCI)发动机上研究了二甲醚(DME)预混比对燃烧、排放特性以及燃油经济性的影响.结果表明,随着DME预混比的增大,PCCI发动机燃烧始点前移,缸内最高燃烧温度和最大爆发压力均逐渐增大,压力升高率曲线由2个波峰发展成3个波峰,最大压力升高率随着DME预混比的增加先增大后减小再增大,放热过程由2个阶段发展到3个阶段,放热率曲线整体前移,累积放热率逐渐增大且迅速升高的位置前移,整个燃烧持续期逐渐缩短,NOx和碳烟排放量降低,当量燃油消耗率逐渐下降,有效热效率逐渐升高.     

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.     

汽油直喷发动机燃烧特性分析

通过试验研究了2.0 L汽油直喷(GDI)发动机在中、低转速和部分负荷下的燃烧特性,并与进气道喷射(PFI)发动机的燃烧特性进行了对比,同时分析了滚流比对GDI燃烧特性的影响.结果表明:在转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa的工况下,GDI发动机的燃烧速度要低于PFI发动机的;发动机在中、低转速工况下,提高气道滚流比可以增强缸内气流运动强度,提高混合气的燃烧速度;当发动机转速达到3 000 r/min时,高滚流比会引起燃烧过程恶化.进气道翻板的应用可以提高低转速发动机的气流运动速度,加快缸内混合气的燃烧,改善低转速发动机的热效率.在转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa工况下的计算流体力学分析结果显示,进气道翻板的关闭会增强缸内气流运动强度,提高可燃混合气分布的均匀性.     

生物柴油发动机燃烧特性与超细颗粒物排放特性

为了研究柴油机燃用生物柴油的超细颗粒物排放,在一台高压共轨柴油机上进行了试验研究,利用缸压传感器、电荷放大器和燃烧分析仪组成的动态燃烧测试系统测录缸内压力,并计算瞬时燃烧放热率;利用SMPS-3936气溶胶粒径谱仪测录超细颗粒物排放数浓度及粒径分布。研究结果表明:与柴油相比,1 400r/min、平均有效压力pme≤0.48 MPa时,生物柴油峰值燃烧压力基本相当,二次喷射导致峰值放热率增加,1 400r/min、pme0.48MPa时,生物柴油峰值燃烧压力、峰值放热率均较低;在全负荷范围内,生物柴油的快速燃烧期基本相当或略有延长,但后燃期大幅度缩短,因此生物柴油燃烧持续期明显缩短,放热更加集中;1 400r/min、pme≤0.48 MPa时,生物柴油有效热效率降低,1 400r/min、pme0.48MPa时,生物柴油有效热效率提高,且提高幅度随负荷的增加而增加。与柴油相比,1 400r/min、pme=0.16MPa时,生物柴油超细颗粒物排放数浓度略高,1 400r/min、pme≥0.32MPa时,生物柴油超细颗粒物排放数浓度明显降低;在全负荷范围内,生物柴油超细颗粒物排放数浓度及体积浓度中值直径、平均直径、几何平均直径均明显降低。应用生物柴油对降低柴油机超细颗粒物排放具有重要意义。     

柴油机燃烧模式切换过程燃烧特性变化试验

为研究柴油机在传统燃烧与低温燃烧的燃烧模式切换过程中,如何识别缸内当前所处的燃烧模式,以及不同喷油参数在不同的燃烧模式对燃烧特性参数的影响,在一台高压共轨柴油机1 500 r·min-1、30%负荷下采用燃油单次喷射、调节EGR率方式实现燃烧模式切换并进行了试验研究.结果表明,EGR率从0增加到55%,缸内燃烧起点位置稍有后移,但变化不大,当EGR率超过45%后,缸内开始进入低温燃烧模式,瞬时放热率曲线初始上升过程,由于冷焰反应持续期增加导致出现的二阶段滞燃,可以作为识别当前的燃烧模式的特征,控制缸内燃烧模式;喷油相位从-14°CA ATDC推迟到-7°CA ATDC,对传统燃烧模式滞燃期和燃烧持续期的影响较小,但对低温燃烧的燃烧持续期影响较大,同时,当喷油相位推迟到-7°CA ATDC时,缸内接近失火;喷油压力从75 MPa提高到140 MPa,在传统和低温燃烧模式均可以改善发动机的油气混合程度,缸内最大爆发压力及瞬时放热率峰值增加,指示热效率有所增加,但幅度变化不大.      

喷油策略对高压共轨柴油机性能的影响

为实现通过优化喷油控制参数提高共轨柴油机性能的目的,在云内动力电控高压共轨柴油机上研究了不同的喷油策略对柴油机的性能影响。柴油机运行在转速为2 000r/min,负荷为-50%的典型工况下,使用Fischer-Tropsch(F-T)煤制油作为柴油机燃料。结果表明:喷油压力由62.8MPa增大至143.8MPa时,燃烧提前7°、滞燃期缩短30.2%,缸压和放热增多,碳烟颗粒物(SOOT)排放降低94.5%,NO_x排放升高16.2%,CO与碳氢化合物(HC)排放分别下降6.7mg/m~3和7.8mg/m~3;推迟喷油导致燃烧推后、滞燃期延长,缸内压力下降,NO_x排放量减少,SOOT,CO和HC排放增多。喷油压力和主喷正时是影响柴油机性能的关键因素,在优化喷油规律时应作为主要因素进行考虑。该工况下,喷油参数的最佳组合为喷油压力103.2 MPa,预喷正时上止点前(BTDC)曲轴转角为15.5°,主喷正时上止点前(BTDC)曲轴转角为8.1°.     

“发动机原理”均质充量压燃燃烧的仿真教学设计

“发动机原理”课程中的均质充量压燃燃烧涉及大量化学动力学机理,学生理解较为困难,运用Chemkin软件搭建发动机均质充量压燃燃烧的仿真实验模型,通过修改相应参数,得到不同初始条件下的放热率、缸内温度、缸内压力等仿真结果,针对仿真结果进行分组讨论,得到相应结论,并将燃料扩展到天然气,分析参数变化对天然气发动机均质充量压燃燃烧的影响,激发了学生的兴趣,加深了学生对教学内容的理解。     

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.     

稀燃条件下废气再循环对缸内直喷汽油机微粒排放粒径分布的影响

在一台壁面/空气导向组合式喷雾的汽油缸内直喷(GDI)发动机上进行废气再循环(EGR)实验,以研究稀燃条件下EGR对GDI发动机均质和分层模式下微粒排放粒径分布及燃烧的影响。实验结果表明:EGR的引入会抑制缸内燃烧,使缸压和瞬时放热率峰值降低、燃烧相位推迟、碳氢化合物排放增多;在均质和分层模式下随着EGR率升高,核态粒子数量浓度均呈先降后增的趋势,即存在最优EGR率使核态粒子数量浓度最低,均质模式下最优EGR率为8%,降幅为未加入EGR时的50%左右,而分层模式最优EGR率为5%,降幅只有20%左右;在分层模式下,积聚态粒子数量浓度随EGR率不断升高而持续降低;均质模式相较分层模式产生的积聚态粒子较少、核态粒子较多,2 000r/min相较1 500r/min产生的积聚态粒子较多、核态粒子较少。该结果可为直喷汽油机稀薄燃烧的微粒排放控制提供参考。     

掺混PODE对增压中冷柴油机燃烧和排放性能的影响

在一台电控共轨增压中冷柴油发动机台架上,燃用纯柴油以及柴油中分别掺混10%、20%、30%(体积比)聚甲氧基二甲醚(PODE)的混合燃料,研究了PODE对柴油发动机燃烧排放特性以及燃油经济性的影响.结果表明PODE的掺混显著影响发动机的燃烧特性:除低速大负荷工况外,PODE的掺入明显降低了预喷放热率,改善了主喷燃料的雾化性能,加大了主喷前缸内的活化成分比例,提升了主喷期间压力升高率和燃烧放热率,提高了缸内燃烧温度,缩短了燃烧持续期.在研究范围内,PODE掺混比越大,缸内燃烧最高温度越高,主喷燃料燃烧速度越快,燃烧持续期越短.排放研究结果表明,随着PODE的掺入,发动机的NO_x排放明显上升,HC排放略有下降,CO排放变化不大.PODE的掺入能明显改善发动机的燃油经济性.     

甲醇缸内直喷发动机的燃烧特性

在一台四缸柴油机改造的复合导流分层燃烧缸内直喷火花点火甲醇发动机上,开展了燃烧特性的试验研究．研究表明：该甲醇发动机的最大压力位于上止点后14°～17°的位置,离上止点较近,燃烧定容性好,热效率高;最大压力升高率低,发动机工作柔和,燃烧噪声低;燃烧放热率曲线的形状与传统汽油机预混燃烧单峰形状相似,没有出现扩散燃烧导致的双峰放热现象;在宽广的转速和负荷范围下,平均指示压力的循环变动不超过10％,燃烧稳定性好．     

小型二冲程直喷发动机爆震燃烧特性数值模拟

为了了解点火参数对小型二冲程直喷发动机爆震燃烧的影响,利用GT-Power和AVL Fire软件对该发动机整机及燃烧室分别建立了仿真模型,选取扭矩、功率等数据验证了模型的正确性,并对发动机在5 000r/min、大负荷工况下的缸内平均压力和温度、放热率、累积放热量以及爆震强度分布等特性进行了研究.结果表明:在点火提前角由15℃A逐渐增加至35℃A的过程中,小型二冲程直喷发动机的扭矩、功率、缸内混合气燃烧放热量、放热率、缸内平均压力和温度的峰值均呈现出逐渐增大的趋势,而且会伴随着爆震强度表征物的浓度增大,二冲程直喷发动机的爆震倾向加强;当异步点火相位由0℃A逐渐增加至5℃A时,二冲程直喷发动机的扭矩、功率呈现出略微减小的趋势,两个火花塞附近由于湍动能增大,加快了火焰传播速度,使得末端混合气低温反应时间变短,爆震强度表征物的浓度逐步减小,二冲程直喷发动机爆震发生的倾向有所减小.