柴油射流控制柴油基燃料预混合气压缩着火相位的试验研究

为了实现对柴油机预混合压缩着火相位的主动控制,提出柴油射流控制柴油基燃料压缩着火方案,并在1台改造的单缸自然吸气186FA柴油机上进行可行性试验研究。研究结果表明:在50%负荷试验条件下,柴油射流可以有效控制预混合气的着火相位;随着柴油射流正时的推迟,10%和50%累积放热对应曲轴转角CA10和CA50均呈线性规律变化,氮氧化物排放明显降低,碳烟排放几乎为零;随着预喷正时的推迟,放热率呈现由单峰较慢放热至双峰放热至最后的单峰快速放热的变化规律,且碳氢化合物和一氧化碳排放逐渐降低;在单峰快速放热情况下,压力升高率最大;增加柴油射流量,燃烧过程减缓,且会扩大柴油的扩散燃烧比例,导致碳烟排放增加。     

气道喷射正庚烷缸内直喷异辛烷的分层充量压缩燃烧与排放特性

在一台单缸发动机上,通过进气道预喷正庚烷和上止点前缸内直喷异辛烷,对双燃料分层充量压缩燃烧(Stratified Charge Compression Ignition,SCCI)进行了试验研究.通过进气道预喷的正庚烷在进气行程形成均匀混合气并在上止点前发生两阶段反应,触发缸内直喷的异辛烷着火与燃烧,整个燃烧过程为分阶段燃烧,分析了不同负荷及预混合率时的燃烧与排放特性.结果表明:最大压力升高率为0.87 MPa/(°)时,最大平均指示压力(I MEP)可达到0.73 MPa,说明SCCI可以扩展运行负荷.预喷燃油量最大时的工况点,其NOx排放值较高;预喷正庚烷燃空当量比一定时,增加负荷,可以减小CO和THC的排放.     

正丁醇预混合气对直喷柴油燃烧的影响

在一台由轻型柴油机改装的正丁醇/柴油双燃料发动机上,研究了上止点附近喷射柴油条件下不同质量浓度的正丁醇预混合气对正丁醇/柴油复合燃烧及排放的影响规律.结果表明:缸内温度达到1 150～1 200 K时,正丁醇预混合气发生自燃,且自燃始点随着负荷和正丁醇喷射量的变化保持恒定;随着正丁醇喷射量的增加,燃烧持续期大幅度缩短,且放热率较高;在平均有效压力p_B≤0.50 MPa时,NO_x和soot排放均小幅度降低,HC和CO排放随正丁醇预混合气的质量浓度的增大呈线性增加;在p_B0.78 MPa时, HC,CO和NO_x排放几乎维持在纯柴油燃烧模式排放的水平,但soot排放大幅度降低.     

缸内直喷燃料改质控制HCCI着火时瓤和燃烧速率的研究

提出了汽油缸内直喷（GDI）多段燃油喷射策略来控制缸内混合气的温度、浓度及化学组分，实现了对HCCI着火时刻和燃烧速率的控制．研究了不同喷油策略、喷油比例和喷油时刻对HCCI着火、燃烧和排放的影响．结果表明，缸内直喷可以有效地控制HCCI着火始点和燃烧速率，降低燃烧循环波动，拓宽HCCI高低负荷下的运行范围．     

缸内直喷燃料改质控制HCCI着火时刻和燃烧速率的研究

提出了汽油缸内直喷（GDI）多段燃油喷射策略来控制缸内混合气的温度、浓度及化学组分，实现了对HCCI着火时刻和燃烧速率的控制.研究了不同喷油策略、喷油比例和喷油时刻对HCCI着火、燃烧和排放的影响.结果表明，缸内直喷可以有效地控制HCCI着火始点和燃烧速率，降低燃烧循环波动，拓宽HCCI高低负荷下的运行范围.     

湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室结构和射流孔直径对湍流射流点火(turbulentjetignition,TJI)甲醇发动机性能和燃烧特性的影响研究．试验采用直单孔和斜三孔两种类型预燃室射流孔，根据预燃室是否喷射甲醇，预燃室可分为主动式预燃室和被动式预燃室．结果表明，预燃室射流孔直径过大会使射流强度减弱，进而导致主燃烧室燃烧速率降低，不利于稀薄工况下的稳定燃烧；预燃室射流孔过小则会导致节流损失和淬息作用增强，造成稀薄工况缸内燃烧恶化，且污染物排放增加．稀燃工况下，对于直单孔预燃室，4 mm直单孔预燃室性能表现较好，可产生较强的射流，拓宽发动机稀燃极限、提升燃烧稳定性，同时降低指示油耗率，减少污染物排放．预燃室结构不同时，斜三孔预燃室可产生与活塞表面平行的射流火焰，TJI甲醇发动机获得更好的动力性与燃油经济性，且污染物生成较少；同时，斜三孔预燃室可在主燃烧室产生多股射流，提供分布更加广泛的点火源，促进缸内快速燃烧，有效提升稀燃工况下的燃烧稳定性．不同发动机负荷下，斜三孔预燃室的使用可使发动机获得更好的燃烧和排放性能；TJI甲醇发动机具有较好的经济性和燃烧稳定性，同时，缸内燃烧速率更高，...     

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.     

稀燃条件下甲烷-空气预混射流的着火特性

基于可控热氛围燃烧试验系统,探究射流当量比、射流速率和协流速率对甲烷-空气预混射流着火特性的影响。根据试验规律对天然气发动机稀薄燃烧的控制策略提出优化建议,以减少失火现象的发生。结果表明：随着协流温度的升高,甲烷-空气预混射流的稀燃极限降低而富燃极限升高,符合大多数碳氢燃料预混合气的着火界限分布规律。不同的射流速率和协流速率下均存在临界当量比,当低于临界当量比时,着火温度随射流当量比的升高而显著降低,当高于临界当量比时,着火温度趋于稳定。在较低的射流当量比工况（0.20 ~ 0.62）下,提高射流速率可以降低着火温度从而优化着火性能。     

喷气策略对多点喷射天然气发动机燃烧及排放的影响

为了提高大缸径船用多点喷射稀薄燃烧天然气发动机在中低负荷下的缸内火焰传播速度及燃烧效率,进而优化发动机燃烧和排放,以喷气策略为切入点,采用台架试验与仿真两种方法,分别研究喷气方向与位置、喷气压力以及喷气时刻对发动机燃烧及排放的影响。结果表明：喷气方向与进气气流垂直可以增强扰动作用,喷气位置距气门远可以增加燃气射流在进气道中行进的距离,进而增加进气混合的均匀性,使浓混合气分布靠近火花塞,燃烧及排放明显改善;喷气压力采用较高的736.63 kPa时可以增加喷射动能,提高缸内湍流强度、进气混合均匀性同时适应缸内大尺度掺混,使燃烧和排放更优;随着喷气时刻的推迟,在点火时,缸内混合气形成明显的分层现象,混合气浓度自上而下逐渐降低,火花塞附近浓混合气利于火核发展,火焰传播速度加快,燃气燃烧效率提高。该文结果为实现大缸径船用天然气发动机高效清洁燃烧提供了理论依据。     

燃油预热改善直喷柴油机性能与排放研究

为了在传统柴油机上实现同时降低NOx和碳烟排放的准均质预混合燃烧,采用在高压油泵后加热流经高压油管柴油的方法,在一台单缸柴油机上就高温柴油对发动机燃烧和排放的影响开展了台架试验研究．通过在进气中添加低比例的二氧化碳气体,对采用燃油加热实现柴油准均质混合气压燃燃烧过程进行了探索性研究;同时应用KIVA3V对高温燃油喷射对混合气形成的影响进行了模拟研究．结果表明：高温燃油能够促进喷雾雾化和预混合气的形成,且对应一个最佳的温度范围,通过适当增大供油提前角到上止点前32°,采用大流量的多孔喷嘴缩短喷射持续期,以及进气中添加少量二氧化碳等措施,可以实现直喷式柴油机准均质预混合燃烧,达到同时降低NOx和碳烟的目的．     

不同压缩比对湍流射流点火发动机性能和爆震影响的试验研究

本文基于一台四冲程单缸发动机开展了不同压缩比对湍流射流点火(TJI)汽油发动机性能和爆震特性的影响研究,试验所采用的压缩比为9、11、13和15,在每个压缩比工况下对不同过量空气系数λ进行研究．结果表明,高压缩比可以拓展湍流射流点火汽油发动机的稀燃极限,压缩比15工况下,可以实现λ=3稳定燃烧．增大压缩比并配合预燃室喷油可缩短发动机燃烧的滞燃期和燃烧持续期,进而提高射流点火发动机燃烧效率．1.4<λ<1.9时,随着过量空气系数增加,主燃烧室内混合气变稀,滞燃期和燃烧持续期在低压缩比工况(CR=9、11、13)呈上升趋势,此时主燃烧室混合气浓度对燃烧过程的影响占主导作用;但是随着压缩比逐渐升高至15,滞燃期和燃烧持续期的上升趋势不再明显;而当λ>1.9时,主燃烧室混合气过于稀薄,此时预燃室射流火焰对主燃室燃烧的影响增强．试验还发现,射流点火发动机和普通火花塞点火发动机在压力振荡方面存在较大差异,射流点火发动机的压力振荡从燃烧初期阶段开始一直持续到燃烧结束,这主要是由于高温射流对主燃室多点点火造成的压力振荡．在高压缩比和较浓混合气工况下,射流点火发动机可能还会发生早燃,因...     

多孔介质内气/液燃料过滤燃烧的试验

摘要： 研究了小球自由堆积型多孔介质内丙烷/空气混合气的低速过滤燃烧过程,分析了燃烧室内温度、燃烧波传播速度和排放特性,以及当量比、入口气体速度等参数对过滤燃烧与排放特性的影响;实现了常压下柴油在多孔介质内的预蒸发自维持过滤燃烧,并研究了液体燃料过滤燃烧的温度特性.结果表明：在燃烧的不同阶段,预混合气燃烧波的传播速度与燃烧室内高温区域的范围差别较大;随着当量比增加,燃烧波的平均传播速度降低,燃烧温度升高,排放量增加;随着入口气体速度增大,燃烧波的传播速度增大,排放量降低;液体燃料过滤燃烧的最高温度低于气体燃料的最高温度,且燃烧器的中心温度与壁面温度差异较大.     

直喷柴油机双壁面射流燃烧系统燃烧特性研究

控制直喷式柴油机高速工况的放热率,能保证柴油机最佳的排放性能和经济性能.通过降低柴油机几何压缩比,推迟着火始点,可降低柴油机的燃烧最高温度和NOx排放;通过采用双壁面射流技术,能实现快速燃烧,不至于使油耗率和烟度恶化.基于上述思想,在柴油机3 000r.min-1转速下进行了试验研究.结果表明:双壁面射流燃烧系统与原机油耗率相差不大,NOx排放得到了大大的降低,但双壁面射流燃烧系统的烟度在大负荷下有所增加.双壁面射流燃烧系统的缸压峰值与原机相比,有大幅度的降低,着火后的压力升高比也低于原机.双壁面射流燃烧系统的着火始点与原机相比,滞后2～3℃A.3 000r.min-1各负荷下,在累计放热率5%～50%阶段,双壁面射流燃烧系统几乎与原机有相同的燃烧速率,都属于快速燃烧;在累计放热率50%～90%阶段,双壁面射流燃烧系统的燃烧速率变慢.     

异辛烷/柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性

在一台单缸发动机上进行了双燃料分层充质压缩着火(SCCI)燃烧的试验研究.分析了异辛烷作为预喷射燃料,柴油作为缸内直喷燃料的SCCI着火方式和燃烧过程,并通过固定直喷入缸内的柴油当量比φD,研究不同异辛烷预喷射当量比φP对SCCI燃烧和排放特性的影响.研究表明:SCCI燃烧出现两阶段放热;φP对燃烧和排放特性的影响存在一个临界值,且φD固定值增大,该临界值降低.对燃烧特性的分析发现:当φP高于临界值时,异辛烷的着火延迟明显缩短,其放热峰值显著增大;整个SCCI的燃烧速率、缸内最大压力和最高温度迅速提高,燃烧持续期几乎保持不变,热效率显著改善.对排放的研究发现:φP增大时,HC和CO排放先增大,但当φP高于临界值时,HC和CO排放逐渐减少;NOx和碳烟的排放随φP的增大而增大,但当φP高于临界值时,增大速率显著加快.     

柴油机纯氧燃烧过程及缸内喷水影响的模拟研究

针对高压共轨柴油机搭建流体动力学仿真模型,研究不同进气氧体积分数对柴油机纯氧燃烧过程的影响,并验证缸内喷水对热效率的优化能力。结果表明,氧含量的提高增加了缸内比热比,使压缩行程缸内压力及温度提高,并促进缸内燃烧反应,进一步提升缸内湍流强度,燃烧相位提前;在5℃A ATDC(上止点后)向缸内喷入160℃的高温高压水,可实现对缸内燃烧过程的控制,并通过吸收燃烧放热、汽化膨胀,推动活塞做功,可提高热效率约3.75%。     

柴油机HCCI燃烧过程中自燃着火和燃烧速率控制的研究

提出了多脉冲复合喷射控制系统以解决在柴油机上实现均质压燃着火燃烧模式(HCCI)的主要难点,即预混合气形成、自燃着火速率和燃烧速率的控制.研究了多脉冲喷射控制参数对自燃着火和燃烧速率的影响.结果表明利用该方法当发动机负荷提高平均指示压力0.93MPa时,成功实现了可控预混均质压燃燃烧.     

增压直喷汽油机中润滑油液滴诱发早燃机制的数值研究

通过利用多维计算流体动力学(CFD)耦合一个多组分汽油替代物的骨架反应机理,对增压直喷汽油机中润滑油液滴诱发早燃的机制进行了研究。首先,在模拟增压高强化汽油机压缩上止点热力学状态的定容圆柱网格内,研究了润滑油液滴的存在对汽油/空气混合气自燃过程的影响,结果表明:以正庚烷和过氧氢酮分别作为润滑油蒸发产物时润滑油液滴的存在均可缩短混合气的着火延迟时间,尤其是以过氧氢酮作为润滑油蒸发产物时混合气的着火延迟时间缩短更为明显;随着润滑油液滴粒径的增大,混合气的着火延迟时间先缩短后延长,润滑油液滴温度和混合气的温度、压力升高会进一步缩短混合气的着火延迟时间。然后,以过氧氢酮作为润滑油蒸发产物,在增压直喷汽油机动网格内模拟了润滑油液滴存在时缸内混合气的自燃过程,结果表明:润滑油液滴蒸发释放出了着火性能较好的组分,缩短了液滴周围混合气的着火延迟时间,导致液滴周围混合气在火花点火之前自燃,从而引发早燃。最后,根据以上结论提出了一个润滑油液滴诱发早燃的机制。     

氨/氢燃料射流点火船用发动机燃烧特性

为突破氨在发动机中的燃烧局限性,促进氨燃料高效快速燃烧,提出了一种利用氢气射流火焰点燃氨燃料的方案。通过向主动式预燃室供给氢气,进气道内预混氨/氢燃料,实现氨在大缸径船用发动机上的稳定高效燃烧。基于数值模拟计算方法,在改进了Otomo氨/氢机理基础上,探究了进气温度、掺混氢气的质量分数和主燃室当量比对氨/氢燃料着火与燃烧特性的影响。研究结果表明,射流火焰可以在主燃烧室形成燃烧所需的热力学环境和高活性热射流。在当量比为0.4、不掺混氢气的条件下,450 K进气温度可以实现氨燃料发动机的稀薄燃烧,在掺混氢气的质量分数较低时,射流点火对火焰发展促进作用更显著;掺混氢气的质量分数提高至10.0%可以使燃烧相位提前18°,但爆震风险增加;在进气温度为320 K和掺混氢气的质量分数为2.5%条件下,主燃室在当量比最小为0.45时可正常着火,但随着更接近理论空燃比的燃烧,指示热效率略有提升,主动预燃室氢射流点火的燃烧模式在实现氨发动机高效快速燃烧方面具有良好的潜力。     

通道尺寸对热面点火天然气发动机工作过程的影响

针对缸内直喷压燃式天然气（CNG）发动机低负荷循环波动大及高负荷NOx排放偏高的问题,设计开发了涡流室式热面点火燃烧系统,研究了涡流室通道尺寸对缸内天然气空气混合气形成、着火燃烧及发动机运转特性的影响．结果表明：选择直径较大的涡流室通道,发动机起动性能较好且缸内混合气燃烧持续期短,对改善发动机的有效热效率有利;选择直径较小的涡流室通道,主副燃烧室内混合气的浓度分层效果明显,能够实现两级燃烧过程,有利于降低发动机循环波动,扩展功率范围及改善NOx排放。     

丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究

为了深入揭示丙烷自燃和爆震燃烧机理,基于一台新型快速压缩机试验平台,开展了不同初始压力、当量比条件下丙烷-空气混合气自燃和爆震燃烧的试验研究,并通过瞬态压力和高速相机同步测试方法进行了缸内燃烧过程研究.结果表明:爆震压力振荡强度随着初始压力的提升显著增强,压力振荡的产生与着火方式无绝对关系,其振荡强度主要取决于自燃发生前末端混合气的状态.轻微爆震和弱爆震由末端自燃导致,自燃时未燃混合气区域越大,爆震强度也越高.超级爆震的形成是由于超声速自燃火焰的传播导致压力波在火焰面前方的汇聚,并最终导致爆燃向爆轰模式转变所致,从而形成峰值极高的压力振荡.