氢气天然气发动机研发——清华大学“863”重大项目课题

天然气燃烧速度较慢,在天然气中加入适量氢气（Hydrogen enriched Compressed Natural GAS,HCNG）可提高HCNG混合气的燃烧速度,扩大混合气的稀燃极限,提高HCNG发动机热效率（降低燃油消耗率）,     

车用发动机的稀薄燃烧系统分析

叙述了车用发动机实现稀薄燃烧的关键技术,介绍了实现车用发动机稀薄燃烧的缸外喷射稀燃系统、直接喷射稀燃系统和均质混合气压燃系统,分析了各稀燃系统的特点以及存在的问题,提出了车用发动机实现稀薄燃烧是提高发动机经济性和改善排放性能的重要途径.     

基于可视化系统的直喷天然气发动机喷射及燃烧特性研究

天然气作为一种最有前途的代用燃料在汽车发动机上的应用日益广泛。为提高天然气发动机的燃烧效率,采用缸内直喷技术;并通过位于喷嘴附近的火花塞点燃分层混合气,使天然气发动机在中低负荷下实现稀薄燃烧。对于直喷天然气发动机,研究喷雾贯穿距、喷雾锥角、循环波动和燃烧速度等喷射及燃烧特性具有重要意义。首先设计开发了用于观察天然气喷射及燃烧的可视化系统,拍摄不同实验条件下天然气喷射及燃烧过程。利用实验数据,分析了直喷天然气发动机的喷射及燃烧特性。     

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.     

喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响

在缸内直喷火花点火发动机上对天然气掺混氢气的体积分数为0％～18％的混合燃料不同喷射时刻下发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究．研究结果表明：对于给定的喷射持续期和点火时刻，喷射时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射太迟燃烧持续期长，放热速率慢，喷射过早会导致充量系数下降；对于给定转速，发动机存在一个最佳的喷射时刻，此时缸内最高压力升高率和最高燃气平均温度高，燃烧持续期短，燃烧过程定容度高，发动机热效率高，HC排放低；在同一喷射时刻下，当氢气的体积分数小于10％时，HC排放略有上升，当氢气的体积分数达到18％时，发动机HC排放与纯天然气排放水平相当；掺氢对NOx、CO和CO2排放影响不大．     

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。     

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.     

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.     

活塞式煤油直喷航空发动机燃烧特性试验研究

基于自主研制的活塞式航空煤油直喷发动机及其台架试验系统,针对煤油航空发动机中低负荷工况燃烧稳定性差这一突出问题,围绕喷射截止时刻、点火提前角以及过量空气系数等影响航空发动机混合气形成及燃烧质量的关键因素,进行了煤油直喷航空发动机部分负荷燃烧特性及其稳定性的试验研究.结果表明:当喷射截止时刻(EOIT)于进气行程初期时,发动机燃烧特性及稳定性较好,但是到进气行程末期时,发动机的循环波动升高,动力性变差.当点火提前角过大时,混合气形成较差,无法形成稳定的火核中心,也会致使发动机动力性变差.活塞式航空煤油直喷发动机需要采用较浓的混合气,当过量空气系数为0.8时,在不同的EOIT的变化下,发动机动力性存在最优的工况点,此时的平均指示压力pe最大值约为0.394 5 MPa.     

汽油氢气缸内双喷射发动机控制试验研究

文章构建了一套新型的汽油缸内直喷+氢气火花塞微孔喷射缸内双燃料喷射系统;基于该系统在怠速和部分负荷工况下对喷氢压力、喷氢正时、喷氢脉宽以及过量空气系数等控制参数进行了试验研究,并对油耗量、总排温、燃烧和排放等数据进行了分析.试验结果表明:该双燃料喷射方式在怠速工况下,掺入少量的氢能够提高发动机的稳定性,降低循环变动,喷...     

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.     

对置活塞二冲程汽油机分层稀燃组织研究

结合对置活塞二冲程汽油机缸径小、冲程长的特点,提出了进排气侧非对称喷雾方式,并采用AVL-Fire软件对喷雾方向进行优化,实现全负荷工况下的缸内均匀混合;同时研究了部分负荷工况下二次喷射对分层混合气形成和稀燃组织的影响.结果表明,进气侧喷射角增大有利于提高缸内混合气的均匀度,排气侧喷射角增大会导致燃油蒸发率降低;二次喷油比例影响分层混合气浓稀区的分布,二次喷油时刻影响缸内混合气稀区的均匀性.当进气侧喷射角为30°、排气侧喷射角为15°时,选择第一次喷油时刻为220℃ A,第二次喷油时刻为270℃ A且二次喷油比例为20%,可有效组织混合气分层.在部分负荷工况下,采用分层稀混合气相比均匀稀混合气的火焰发展期缩短约30%,快速燃烧期缩短约15%.      

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。     

基于氢气/柴油RCCI燃烧的热效率与损失联合优化

随着石油资源的匮乏、排放法规的日益严苛以及碳达峰、碳中和目标的提出，内燃机急需实现高效清洁燃烧，所以可再生无碳清洁燃料氢气与高效低排放燃烧模式反应活性控制压燃(RCCI)逐渐成为研究热点.通过将KIVA-3V程序与非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合，对氢气/柴油RCCI燃烧进行了参数优化，以实现等效指示燃油消耗率(EISFC)与■损失的最小化，确定了不同初始参数对■损失的影响规律及作用机理.结果表明，由于等效指示燃油消耗率随着燃烧温度非单调性变化，等效指示燃油消耗率和■损失之间呈现明显的此消彼长关系，所以很难同时实现等效指示燃油消耗率和■损失的最小化.基于化学反应路径、燃烧温度与燃烧持续期对■损失的影响，提高预混能量比与柴油第一次喷射比例可以有效降低■损失.     

二甲醚-氢气-空气混合气预混燃烧的实验研究

在定容燃烧弹中,研究了不同燃空当量比、掺氢比和初始压力下的二甲醚-氢气-空气预混合气的一系列层流燃烧特性参数,并且系统地分析了当量比、掺氢比和初始压力对燃烧的影响.结果表明:随着掺氢比的增大,火焰传播速率、层流燃烧速率、燃烧压力升高率和质量燃烧速率都明显增大,火焰发展期和燃烧持续期则随之缩短;当掺氢比较低时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递减,即稀混合气的燃烧稳定性更高;当掺氢比较高时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递增,即浓混合气的燃烧稳定性更高;最高燃烧压力随着初始压力的升高而升高,受掺氢比的影响相对较小.     

H2/RP-3航空煤油混合燃料着火特性研究

实现碳氢燃料的快速点火与稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中必须解决的关键问题。在航空煤油中添加乙醇燃料,利用乙醇热分解得到氢气等可燃小分子气体来改善燃烧过程是达到促进航空煤油着火与燃烧稳定的有效手段。选取正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料作为RP-3航空煤油的模拟替代燃料,构建了其燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。为揭示氢气对RP-3航空煤油着火特性的影响,构建了RP-3航空煤油/氢气混合燃料的燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。同时,采用该燃烧反应机理分析了多工况下掺氢比对RP-3航空煤油着火特性的影响。结果表明,采用正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料的燃烧反应机理计算得到的着火延迟时间与相应工况下RP-3航空煤油着火延迟时间的试验数据吻合良好;多工况下氢气添加能够提升RP-3航空煤油/氢气混合气活性,缩短着火延迟时间,促进燃料着火;同时,随着混合气中掺氢比的升高,混合气的着火延迟时间逐渐缩短。     

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．     

缸内直喷式汽油机燃用化学计量比混合气的试验

将一台TY1100柴油机改装为缸内直接喷射汽油机，当发动机运行在不同负荷工况下，采用不同的混和气浓度分布，实现了部分负荷采用分层燃烧以获得发动机的经济性，全负荷采用化学计量比混合气，实现了均质预混和燃烧以获得发动机的动力性．台架试验表明，燃油消耗量能降低6％，UBHC排放能降低31％，NOx排放能降低10％．     

复合燃烧技术在缸内直喷汽油机的应用探讨

汽车技术诞生的百余年中,发动机作为核心一直在不断突破,但其技术更新远不如车型风格演变那样简便,往往十数年都难以有大的进展,就好像一些车型引以为豪的VVT可变正时气门技术,其实也已经是上世纪的产物。而近年来,欧美的汽油缸内直喷技术开始从实验室走向市场,由此带来的发动机第三次革命也诞生了迄今最牛的汽油发动机技术——缸内直喷。文中介绍了缸内直喷汽油机的性能特点、提出了燃烧理论空燃比的复合喷射燃烧技术,运用了废气再循环(EGR)分层技术。复合喷射通过稳压腔辅助喷射燃油和缸内直接喷射燃油,使缸内形成准均质混合气,以满足各种工况下缸内直喷汽油机对混合气的要求。     

氢气机循环的热力学分析及其变化特征

对氢发动机各过程进行了热力学分析,建立了氢气机循环的数学模型并进行了计算机模拟,结果表明,氢气机有良好的燃烧特性和散热条件,其热效率与常规燃料相当,当过量空气系数在合适的范围内变化时,发动机可以正常工作,正确地选择压缩比是发动机正常工作的必要保证。