“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。     

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.     

二甲醚均质充量与柴油喷射复合燃烧方式的发动机性能

为了探索二甲醚均质充量对降低发动机的氮氧化物和碳烟排放的有效性,在一台高压共轨增压中冷柴油机上进行了二甲醚均质充量与柴油复合燃烧性能和排放特性研究。试验结果表明:在二甲醚供给量控制在不发生爆震燃烧的前提下,发动机采用复合燃烧方式运转与单独燃烧柴油时的有效热效率相差很小,其中在低负荷时,复合燃烧时的有效热效率比单独燃烧柴油时稍低,但在中大负荷时比单独燃烧柴油时的有效热效率有所提高。复合燃烧时可以大幅降低发动机的氮氧化物排放和碳烟排放。在发动机大负荷工况条件下,对于两种燃烧工作模式,HC和CO排放量数值逐渐接近。     

压缩比对均质充量压缩着火发动机性能影响的研究

在一台TY1100单缸发动机上试验研究了8 0、10 7、14 0三种压缩比对均质压燃二甲醚发动机的动力性和经济性等运转特性的影响.研究结果表明:均质充量压缩着火发动机的最佳工作范围与发动机转速混合气过量空气系数和负荷有密切的关系;在发动机试验条件下,三种压缩比均能使发动机稳定工作,但低压缩比时工作区域狭窄,高压缩比时发动机的有效功率和热效率降低,压缩比为10 7时运转范围宽,热效率较高.研究发现,通过提高发动机转速可使发动机工作区向高负荷区扩展.     

预混均质充量压缩燃烧发动机燃烧与排放特性

为改善柴油机的燃烧和排放特性,在一台2105柴油机上开展了二甲醚(DME)预混比和废气再循环(EGR)对二甲醚-柴油双燃料预混均质充量压缩燃烧(PCCI)发动机的燃烧与排放特性影响的试验研究,通过在进气道预混DME和缸内直喷柴油实现了PCCI燃烧模式。试验结果表明:随着DME预混比的增加,放热过程由两阶段放热发展到三阶段放热,燃烧始点前移,最高爆发压力逐渐增大且对应的相位不断提前;冷EGR导致的PCCI发动机最高爆发压力下降的程度、瞬时放热率峰值及压力升高率峰值对应的相位滞后程度均随着DME预混比的增加逐渐减弱;随着DME预混比的增大和EGR率的减小,当量有效燃油消耗率逐渐降低,有效热效率逐渐升高;DME预混比和EGR率增大可有效降低NOx排放,但是HC和CO排放有所增加。文中工况下最优DME预混比为30%。     

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．     

基础燃料均质压燃燃烧特性的数值计算

结合详细化学反应动力学机理,利用CHEMKIN软件计算了基础燃料均质压燃燃烧(HCCI)的过程,并与单缸HCCI燃烧试验作出对比。研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、初始温度、初始压力对HCCI发动机燃烧的影响。计算结果表明:随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加;压缩比、当量比、初始温度、初始压力的变化对燃烧着火时刻有显著影响,同时不难看出,基础燃料HCCI燃烧运行工况范围是有限制的。     

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．     

压缩比和CO2对二甲醚燃料均质压燃燃烧的影响

在一台2-135柴油机上实现了纯二甲醚(DME)的均质充量压燃(HCCI)的燃烧方式.为了扩展发动机适用工况,控制HCCI着火,进一步通过调节试验发动机压缩比以及在优化的压缩比下在进气道中加入气体CO2的方法来改进和控制HCCI的燃烧.试验结果表明,DME的HCCI燃烧模式不但可以实现无烟燃烧,还可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于零排放.在试验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷增加而减少.对DME的HCCI燃烧机理等进行研究表明,由于纯DME十六烷值高导致着火较早(上止点前28°左右),该发动机只能在中低负荷较小范围内运行.改进的燃烧方法可以有效地控制HCCI燃烧,拓展HCCI发动机运转范围.     

实时燃料设计的均质充量压缩着火燃烧与排放的试验研究

根据燃料设计的思想,提出了混合燃料比例实时优化的均质充量压缩着火(HCCI)燃烧控制新方法,并在HCCI单缸发动机上进行了HCCI异辛烷/正庚烷实时控制试验.结果表明:混合燃料HCCI着火以及燃烧相位主要取决于正庚烷实际的燃空当量比;异辛烷的加入对爆震当量比界限有所拓展,但HCCI爆震主要与混合燃料总当量比有关;随着辛烷值比例的提高,导致HCCI运行范围变窄,但是实时调控证明相对纯正庚烷,混合燃料的HCCI燃烧最大负荷提高了80%.试验证明了实时优化控制HCCI燃烧和降低排放的可行性.     

柴油引燃甲醇双燃料发动机滞燃期的研究

在一台TY1100直喷柴油机进气管上安装一套电控甲醇低压喷射装置，进行了柴油引燃甲醇双燃料发动机着火滞燃期的试验研究．结果表明：随着甲醇质量分数的增加，双燃料发动机压缩过程多变指数呈线性减小，着火滞燃期延长；与原柴油机相比，发动机燃用双燃料后，在转速为1600r／min、全负荷、甲醇质量分数为62％时，着火滞燃期最大延长约1．50；提高进气温度，着火滞燃期缩短，进气温度从20℃增加到40℃再到60℃时，对着火滞燃期的影响逐渐增强；发动机的转速升高，在所有试验工况下，以时间计的着火滞燃期缩短；引燃柴油供油定时提前，着火滞燃期延长．     

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％．     

废气再循环对均质压燃发动机燃烧的影响

摘要：
废气再循环(EGR)技术对多缸均质混合气压燃(HCCI)发动机的燃烧有着重要影响.文中在优化热管理技术(OKP)型HCCI发动机上对EGR进行了实验研究.结果表明：EGR在OKP型HCCI发动机中可以推迟燃烧相位,降低燃烧速率,可以用于负荷的拓展;不同负荷下采取合适的EGR比例,可以提高平均指示压力;多缸发动机各缸存在固有差异,进气温度的差异导致各缸循环变动有差异;随着废气再循环率的升高,多缸的循环变动增加,各缸的循环变动差异进一步增大. 关键词：
汽油机; 均质混合气压燃; 废气再循环; 循环变动; 缸间循环波动 中图分类号： TK 411
文献标志码： A     

多脉冲点火对火花助燃均质充量压缩着火燃烧的影响

开发了一套基于电容放电的多脉冲点火系统，可实时调整点火间隔和点火次数；并在一台内部废气再循环（EGR）的汽油机上研究了多脉冲点火参数对火花助燃均质充量压缩着火（HCCI）燃烧过程的影响。研究结果表明：采用火花助燃方式，可以在可控自燃（CAI）不能稳定工作的边界工况区域实现稳定的稀薄燃烧；增加脉冲个数，可以缩短燃烧持续期，并提高平均指示压力，增幅达8％左右；增加脉冲间隔，也可以提高平均指示压力。     

发动机燃用煤合成柴油的试验

通过在单缸直喷式柴油机上进行燃用F-T(Fischer-Tropsch)柴油和0号柴油的对比试验,分析了发动机燃用F-T柴油和0号柴油的燃烧特性和排放特性.与燃用0号柴油相比,燃用含50%F-T柴油、75%F-T柴油的混合燃料及纯F-T柴油时的有效热效率、经济性和排放特性都有显著改善,其中有效热效率分别提高4.92%、5.22%和6.38%;燃油消耗率分别降低2.15%、2.61%和2.87%;NOx排放量平均分别降低78.2%、85.6%和90.1%;CO排放量分别平均降低91%、93.7%和96.5%;CO2排放量分别平均降低77.6%、82.3%和87.5%;纯F-T柴油的排气温度比燃用0号柴油平均降低3.5%.试验结果表明,F-T柴油是柴油机良好的清洁代用燃料.     

纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性

基于一台双缸柴油机,结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验,研究了不同进气氧体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明,随着混合气中氧体积分数降低,二氧化碳体积分数增加,缸内平均比热容不断增大,使得缸内最高燃烧温度降低,其对应的峰值相位推迟,燃烧始点推迟,放热率峰值下降,热效率降低;同时发现随着二氧化碳体积分数的增加,缸内温度会随之降低,使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外,试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。