Atkinson循环汽油机小负荷燃油经济性优化

为优化汽油机小负荷区域燃油经济性,通过分析进气相位对汽油机小负荷工况燃油经济性影响规律。调整进气正时参数,推迟进气晚关角,优化进气门开启持续期,实现Atkinson循环发动机耗油率的下降。研究结果表明:采用Atkinson循环的发动机,在膨胀比增加的基础上,配合VVT及进气门开启持续期的调整,可以提升燃油经济性并降低泵气损失。提高几何压缩比由10.5增加到12.0,配合调整VVT和进气门开启持续期,利用曲柄连杆运动规律控制有效压缩比到10.7。选择进气门晚关角为下止点后100 CA、进气门开启持续期为270 CA时燃油经济性达到最优,对比原发动机性能效果改善17.96%,同时泵气损失降低13.96%。因此该优化方案为发动机油耗的改善,提供了一种有效的参考。     

冷启动下米勒循环对缸内直喷汽油机混合气形成影响研究

以一台缸内直喷(GDI)汽油机为研究对象,进行发动机台架试验与一维仿真工作,为三维仿真模拟的冷启动工况提供可靠的边界与初始条件,并进行了相关验证。设计了进气门早关(EIVC)米勒循环气门升程型线,构建了米勒循环发动机模型,探究了米勒循环对缸内低温环境下的附壁油膜发展、喷雾场形成质量的影响。结果表明：米勒循环发动机在进气冲程后期缸内附壁油膜的质量均高于原机;在整个进气与压缩过程中,大部分的油膜以及厚油膜区域均集中在活塞凹坑。EIVC75米勒循环活塞顶部油膜铺展面积显著增大,凹坑周围油膜厚度明显降低;在压缩冲程中后期,由于缸内湍动能耗散较慢,促进了其附壁燃油蒸发;在点火时刻,EIVC60与EIVC75米勒循环较原机附壁燃油质量分别下降了28%、48%,可以有效避免“池火”现象,与此同时,原机的浓度场分布与EIVC60、EIVC75米勒循环相比具有较大差异,原机火花塞附近的当量比在0.8左右,而米勒循环发动机火花塞附近则形成了当量比为1.1～1.2的适宜点火的可燃混合气。     

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%.      

喷油时刻对缸内直喷汽油机性能的影响

通过对某涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成及燃烧过程的数值模拟,并借助发动机台架试验中获得的油耗、排放及燃烧数据,研究了喷油开始时刻对发动机性能的影响.结果显示,对于5 000r.min-1工况,喷油开始时刻为400°曲轴转角是混合气雾化混合的最佳方案,此时混合气分布比较均匀且点火时刻火花塞附近具有较高的湍动能,10%～90%燃烧持续期最短且HC排放较低,从而使其具有最佳的燃油经济性与燃烧稳定性.而2 000r.min-1工况的最佳喷油开始时刻推迟了30°曲轴转角.喷油提前,壁面油膜量增加,混合气当量比下降及火花塞附近较低的湍动能使得燃烧速率降低,因此HC排放、燃油经济性及燃烧稳定性均会变差.同样的情况也出现在推迟喷油中,由于混合不充分使得点火时刻混合气均匀度下降,从而使发动机性能恶化.     

低压EGR对增压直喷汽油机燃烧和油耗的影响

基于一台增压直喷米勒循环发动机,加装低压废气再循环系统(LP-EGR),通过改变EGR率,研究LP-EGR对汽油机燃烧和油耗的影响。研究结果表明:在中小负荷工况下,EGR通过降低泵气损失来减小发动机油耗,油耗最高能减小8.41%;在大负荷工况下,EGR通过抑制爆震,修正点火时刻来降低油耗,油耗最高能减小5.67%;在近全负荷工况下,EGR通过降低排气温度,减少"过喷油"来降低油耗,油耗可减小20.4%。在燃烧方面,EGR会导致燃烧放缓,燃烧循环变动增大。随着EGR率的增大,着火时刻推迟,燃烧持续期增大,最大放热率降低,缸内最高温度降低;由于优化了点火提前角,缸内最高压力增大。     

米勒循环对增压直喷汽油机性能影响的仿真分析

以一台面向混合动力开发的米勒循环发动机为研究对象,建立了基于130°包角进气凸轮轴的一维流体动力学模型。采用该模型仿真分析了进气门开启时刻（IVO）、排气门关闭时刻（EVC）独立调节、联合调节下米勒循环对发动机性能的影响。结果表明：随着米勒循环加深,低负荷下,进气道废气重吸收质量增加,充量系数降低,泵气损失（PMEP）减小,比油耗（BSFC）降低;中负荷下,充量系数增大,泵气损失显著减小,50%累积放热率的曲轴转角（CA50）减小,比油耗降低;高负荷下,比油耗激增。进排气门联合调节可进一步改善发动机的性能,最佳油耗点的热效率提高了0.43%。     

汽油机连续可变进气凸轮轴相位策略的数值模拟

针对486Q汽油机连续可变进气凸轮轴配气相位系统的研制,采用发动机循环模拟数值方法研究连续可变进气凸轮轴配气相位系统的相位策略。数值模拟表明486Q汽油机在高负荷中低转速工况通过进气相位提前抑制进气在气门关闭时刻向进气道的倒流可有效提高循环进气量,使中低转速工况动力输出性能提高6%～8%,其结果与随后试验测试获得进气相位变化量一致。综合考虑燃油消耗率和有害排放物生成,数值模拟中等负荷工况进气相位参数的调节优化,通过进气相位提前,示例工况缸内残余废气系数可从9%增加到20%,NO排放量低减约80%,燃油消耗     

喷油提前角对CA6DF2D-21柴油机性能影响的模拟仿真

应用三维CFD软件AVL FIRE2010,对CA6DF2D-21柴油机在同一工况、不同喷油提前角(10、12、14、16、18、20°CA)下燃烧过程进行了模拟仿真,分析了发动机在不同喷油提前角下的动力性、经济性和排放性,结果表明:当喷油角从10°CA增加到20°CA过程中,缸内压力和温度增加,发动机的功率和扭矩增加,燃油消耗率减少,NOx排放量增加,Soot排放量减少,综合考虑确定最佳喷油提前角为16°CA.     

大功率中速米勒循环柴油机NO_x排放特性数值模拟

分别采用AVL Boost和Fire软件建立大功率中速柴油机整机及缸内仿真模型,并使用柴油机台架性能实验结果进行标定和验证,分析多种Miller正时、压缩比及喷油正时设计方案对柴油机燃烧和NOx排放的影响规律。研究结果表明:进气门关闭正时提前会使NOx排放下降且预混合燃烧部分放热率峰值升高;提高几何压缩比使Miller循环方案的预混合燃烧部分放热率峰值降低,NOx排放降低,燃油经济性提高,但会导致缸内爆压剧增;配合深度Miller正时和高压缩比,推迟喷油正时曲轴转角为2°,可在保持燃油经济性的前提下实现较低的NOx排放性。     

喷油时刻对高速缸内直喷汽油机性能的影响

汽油缸内直喷（gasoline direct injection, GDI ）技术有利于发动机的进气过程,表现出较好的NOx 排放和燃油经济性,被广泛运用于乘用车领域。喷油起始时刻（start of injection, SOI ）严重影响着缸内油气混合的均匀性,进而对发动机的燃烧和排放性能产生影响。本文通过Converge软件对某款高速GDI发动机进行仿真分析,研究不同SOI条件下发动机的性能变化。研究结果表明：发动机高速运行时,在缸内气流和燃油束气流的共同作用下,缸内左侧形成强滚流团,混合油气向进气侧方向聚集。随SOI延后,喷雾撞壁时刻推迟,燃油在缸内的破碎效果得到加强,但不利于顶面油膜蒸发,火花塞处形成不同浓度的混合油气。对比发现400° CA为最佳喷油时刻,此时缸内油气混合均匀性最好,燃烧重心提前,缸内最大爆压达到10.5 MPa,动力性能和燃油经济性得到提升;燃油的充分燃烧以及缸内燃烧温度的增加使CO和THC排放减少,但NOx排放有所增加。     

气门参数对汽油机可控自燃燃烧控制作用的数值模拟

通过可变气门机构使部分燃烧废气保留在缸内，是实现汽油机可控自燃（controlled auto—ignition，CAI）燃烧的切实可行的办法，然而多参数可调气门机构增加了控制的复杂程度。为此，利用-维循环模拟软件在Simulink环境中建立了带有进、排气门升程及定时均可控的四变量气门执行机构（4-variable valve actuating system，4VVAS）的汽油机仿真试验平台，探讨了气门各参数对循环热废气及CAI燃烧过程的控制作用及控制敏感性。研究结果表明，其他参数相同时，排气门定时对汽油机CAl燃烧的影响主要体现在缸内废气残留量及废气温度的大小，而进气门定时主要通过影响进气回流和有效压缩比来影响燃烧过程；存在一个最佳位置没有进气回流，能够取得最大负荷。在当量比燃烧时，排气门参数对发动机负荷和着火时刻的控制最为直接和有效，是汽油机CAI燃烧的重要控制参数。     

满足美国EPA 3排放法规的188F汽油机机内净化研究

为满足通用小型汽油机美国EPA 3排放法规的要求,对188F汽油机运用气道稳流试验、缸压采集试验、累计放热率计算等方法,研究气道流通系数、混合气浓度和点火提前角对汽油机CO、HC和NO_x排放的影响,分析排放特性、缸内燃烧压力、燃烧放热率、缸内温度的变化规律。结果表明:改进气道结构后,最大气门升程时进气道和排气道的流通能力分别增大39.5%和34.2%,气缸进气量增加,功率增大0.73 kW、燃油消耗率下降8.1 g/(kW·h),排放降低;点火提前角不变,改变过量空气系数φ_a大小,各工况下HC+NO_x存在一个最低值,研究得出低排放的理想混合气浓度特性,即标定工况下采用浓混合气(φ_a为0.835)以满足美国EPA 3排放法规,且过量空气系数随负荷的减小逐渐增大;其他参数不变,推迟点火提前角可以有效抑制NO_x、HC排放,但功率降低、燃油消耗率增加,综合考虑选取点火提前角为18°CA。188F汽油机经250 h劣化试验的CO和HC+NO_x排放结果为312.5 g/(kW·h)和7.1 g/(kW·h),低于美国EPA 3的610 g/(kW·h)和8.0 g/(kW·h)的限值,达到排放法规要求。研究工作为低排放通用小型汽油机研发提供了可供参考的技术路线。     

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.     

喷射参数耦合EGR对用共轨柴油机性能影响的试验研究

在一台非道路用高压共轨柴油机上实验研究了喷射参数以及耦合EGR后对发动机经济性和排放性能的折衷影响。研究结果表明,提高喷射压力和提前喷射定时有助于改善燃油经济性和碳烟排放;但会导致NOx排放升高。轨压达到140MPa之后,消光烟度的改善不明显;轨压从130 MPa起,每增大10 MPa,同时使喷射定时从6°CA BTDC起,每减小2°CA,采用联合调整喷射压力和喷射定时的策略能同时减小NOx排放和消光烟度,解决了单一变量引起的NOx和碳烟此消彼长的问题;但会导致燃油消耗率升高。采用喷射参数耦合EGR策略改善了消光烟度和NOx的排放,同时也降低了燃油消耗率。     

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.     

米勒循环结合两次喷射对缸内直喷发动机起动工况下混合气的影响

为探究直喷发动机第二次喷油时刻、两次喷油比例对燃油蒸发与混合气形成质量的影响，在一台汽油缸内直喷(GDI)发动机进气门早关(EIVC)米勒循环单次喷射的基础上，采用控制变量的方法，在两次喷油量相同的情况下，设计了7组不同的第二次喷油时刻方案，并在最优喷油正时的基础上，设计了6组不同喷油比例的方案进行试验。结果表明：在压缩冲程中后期，缸内湍动能随着喷油重心的后移而增强；随着二次喷油正时的推迟，更多的燃油附着位置从活塞顶部转向缸套表面；当二次喷油正时为进气上止点后150°曲轴转角、喷油比例为2∶1时，附壁油膜蒸发效果最佳，点火时刻缸内残余油膜量最少，较原机下降95%,并且该条件下当量比分布良好，在火花塞附近形成了当量比为1.3的微浓混合气，有助于火核的形成。     

基于遗传算法的柴油机空气系统优化研究

为了提高柴油机的燃油经济性,文章利用遗传算法对带有废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)系统的涡轮增压柴油机空气系统进行参数优化.以发动机有效燃油消耗率为优化目标,NOx与Soot排放为约束,EGR阀开度与可变截面涡轮增压器的叶片开度为优化参数,利用开发的GT-Power与Matlab/Simulink联合仿真程序进行遗传算法寻优.全负荷工况下的寻优结果表明,寻优后燃油消耗率相较于原机下降了1.21～2.42 g/(kW·h),通过遗传算法优化的空气系统参数能明显改善柴油机的燃油经济性.最后根据发动机各个工况的优化结果,绘制了EGR阀开度map与涡轮增压系统(variable geometry turbocharger,VGT)叶片开度map.     

不同压缩比下稀释方式对直喷汽油机节油影响

基于一台1.0 L涡轮增压发动机,在9.6及12的压缩比下,研究了化学当量比、稀薄燃烧(稀燃)及低压废气再循环(EGR)工况下的燃烧与油耗特性.结果表明:EGR在压缩比12、大负荷工况下,节油效果优于稀燃,其余工况下稀燃的节油效果均更好.通过改变压缩比并结合稀燃或EGR,小、中、大负荷下燃油消耗率(BSFC)相比于压缩比9.6化学当量比工况降低最多为7.5%、10.4%和9.3%.结合一维仿真,分析并对比了大负荷下稀燃与EGR的节油原因及其差异.结果表明:在压缩比12、大负荷、过量空气系数(λ)小于1.4的情况下稀燃不能抑制爆震,节油效果不明显;相同工况下EGR可以有效抑制爆震,降低燃油消耗率达5.5%;大负荷下稀燃和EGR的节油来源主要为传热损失和排气损失减少,二者对节油的贡献程度之和大于90%.     

喷射控制策略对增压直喷汽油机燃烧和性能的影响

对1台车用增压直喷乙醇汽油机进行试验,研究不同喷射策略包括喷射次数、喷射时刻、喷射压力及分配系数对发动机性能的影响。研究结果表明:对于单次喷射模式,喷油时刻为上止点前300°时性能最佳,此时,有效热效率最高达35.17%,指示热效率最高达37.51%;随着喷射时刻推迟,50%燃烧位置(曲轴转角α_(50))往上止点推移,燃烧持续期缩短;喷油压力扫描试验结果表明该工况的最佳喷射压力为12MPa,此时,有效热效率最高达34.35%,指示热效率最高达37.01%;在二次喷射模式下,随着第一次分配系数下降,α_(50)逐渐远离上止点且燃烧持续期逐渐延长,有效热效率随着分配系数减小而降低,而指示有效压力的循环变动率和有效燃油消耗率随之升高;燃油消耗率最大偏差达62.48 g/(kW·h),燃油消耗率最高降低20.19%,因此,合理控制和优化喷油控制策略能提高增压直喷汽油机的燃烧质量并提高其性能。     

米勒循环模式的柴油机性能及NO_x排放的数值研究

为了使非道路柴油机达到第三阶段排放法规的要求,引入米勒循环技术。利用AVL Boost软件建立非道路D6114型柴油机的仿真模型,研究米勒循环对该柴油机的性能和NOx排放的影响。结果表明:进气门关闭正时提前,缸内的气体因膨胀降温过程,使压缩阶段的温度降低,NOx排放最大降低36%,但柴油机功率损失增加、油耗升高;压缩比的提高能改善柴油机的经济性,但同时会导致缸内爆发压力增高,柴油机机械负荷加重;推迟喷油正时可以使燃烧相位后移,缸内爆发压力降低,NOx的排放进一步降低。米勒循环、高压缩比、优化喷油正时等技术的结合,可以实现油耗仅升高2.2%的同时NOx排放降低30%,爆发压力降低2 MPa。该结论可以为非道路柴油机满足第三阶段法规而进行的改进设计提供参考。