进气道喷水对增压直喷汽油机性能的影响

基于1台缸内直喷增压汽油机,试验研究不同水油比对加浓和当量比混合气燃烧时的发动机燃烧和排放性能的影响。研究结果表明:在满负荷工况下,当过量空气系数λ为1时,随着水油比增加,燃烧相位推迟,燃烧持续期延长,同时喷水后空气质量流量下降,两者共同导致发动机平均有效压力降低;采用当量比混合气燃烧时,λ为1时的CO,HC和排气烟度与λ为0.88时相比明显降低,而NO_x排放量升高;CO,排气烟度和NO_x排放量随着水油比增加而降低,而HC排放量升高。在满负荷工况下采用当量比混合气燃烧时,通过喷水能够使发动机抗爆能力提高,点火时刻进一步提前,燃烧相位提前;燃烧相位提前使发动机平均有效压力与未优化点火时刻相比提升0.9%～2.9%,有效燃油消耗率降低2.2%～3.9%。     

通用小型汽油机控制单元设计与研究

为实现通用小型汽油机电控化,进一步提高其动力性、经济性和排放性,开发了一套完整的控制单元。控制单元采用美国Freescale公司16位单片机MC9S12XEP100为主控芯片,结合MC33812控制芯片,完成微控制单元(MCU)模块、电源模块、输入调理模块、输出驱动模块、控制器局域网总线(CAN)通讯模块等硬件电路设计。并编写底层驱动程序,对喷油与点火信号进行测试并分析,以168F型汽油机为样机完成发动机性能试验。试验结果表明:通用小型汽油机采用电子控制单元后,标定功率较原机提高了7.6%,最低有效燃油消耗率较原机降低了7.9%,最大扭矩可高达11.15 N·m,较原机提高了2.3%。按美国环境保护署(EPA)小型非道路火花点火发动机排放法规进行排放性能试验,CO排放下降至259.18 g/(k W·h),HC+NOx下降至8.05 g/(k W·h)。电控样机排放满足EPA第Ⅲ阶段排放限值,控制单元满足设计要求。     

小型非道路柴油机稳态和瞬态排放特性分析

为了使非道路用柴油机达到GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》中第四阶段排放限值的要求,按照稳态循环(NRSC)和瞬态循环(NRTC)规定的工况,对一台非道路用自然吸气柴油机进行测试研究。引入分担率的概念,分析NRSC试验时柴油机各工况下CO、NO_x、HC排放对整机排放的影响;研究NRTC试验时冷启动循环和热启动循环排放特性的差异和CO、NO_x、HC的瞬时排放曲线。结果表明:NRSC试验下,污染物在2 400 r/min下100%负荷时排放分担率均超过18%,是控制污染物的关键工况;NRTC试验下,相对于NRTC试验热启动循环,冷启动循环的颗粒物(PM)、CO比排放量分别为0.25 g/(kW·h)和3.36 g/(kW·h),高于热启动循环的0.23 g/(kW·h)和2.28 g/(kW·h),而NO_x+HC的比排放量为6.67 g/(kW·h),略低于热启动循环的6.88 g/(kW·h)。CO瞬时排放峰值基本对应转矩峰值、转矩谷值及转速峰值;NO_x瞬时排放峰值基本对应转矩峰值;HC的瞬时排放相对CO、NO_x变化更平稳。该研究可为降低非道路用柴油机稳态和瞬态排放提供参考。     

M15对增压直喷汽油机小负荷工况下燃烧和性能的影响

在一台缸内直喷汽油机上,针对M15(汽油中甲醇添加体积比例为15%)和M0(汽油中甲醇添加体积比例为0,即纯汽油)两种燃料,试验研究了点火提前角、喷油提前角和喷射压力等控制参数的调整对样机在小负荷、低转速下,燃烧、性能及排放的影响规律和影响差异。研究结果表明:相同喷射脉宽及控制参数条件下,M15汽油的最高燃烧压力比M0的低4%,但最高压力点对应的曲轴转角与M0基本相同。相同喷射脉宽下,燃用M15比燃用M0的发动机输出扭矩下降约10%左右,但燃油经济性有所提高,并分别存在一个点火提前角和喷油提前角,使得转矩最大、燃油消耗率最小,此点火提前角为20°CA(BTDC)、喷油提前角为300°CA(BTDC);而喷射压力对转矩和燃油消耗率影响较小。当使用M15燃料后,HC、CO和NO_x排放均比M0有所降低;M15和M0的HC、CO和NO_x排放均随点火提前角减小而减小;随喷油提前角的变化呈现不规律的变化;喷射压力对HC和NO_x排放的影响不很明显,而对CO呈波动状态。     

EGR对GDI汽油机燃烧和排放的影响

为降低GDI发动机污染物排放,试验研究了中小负荷下废气再循环和过量空气系数对缸内直喷汽油机燃烧及排放的影响规律。研究表明：加入EGR能显著降低缸内峰值压力,且过量空气系数小于1时,废气对燃油的蒸发雾化起积极作用,使燃烧持续期增大,但燃烧放热率降低;EGR能显著降低直喷汽油机的NOx排放,但对CO排放的影响较弱;过量空气系数小于1时,EGR对HC排放的影响较明显,HC排放随EGR率增大而减小;随过量空气系数的增大,EGR对HC排放的影响逐渐降低。总体来看,当过量空气系数小于1时,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放影响较明显,废气的稀释和热容作用起重要作用;EGR的加入,降低了GDI汽油机核态颗粒物的排放,随EGR率增大,PM排放降低。当过量空气系数大于1后,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放的影响逐渐减弱。     

废气再循环对汽油缸内直喷汽油机燃烧和排放的影响

为降低汽油缸内直喷(GDI)发动机污染物排放,试验研究了中小负荷下废气再循环和过量空气系数对缸内直喷汽油机燃烧及排放的影响规律。研究表明:加入废气再循环(EGR)能显著降低缸内峰值压力;且过量空气系数小于1时,废气对燃油的蒸发雾化起积极作用,使燃烧持续期增大;但燃烧放热率降低。EGR能显著降低直喷汽油机的NOx排放,但对CO排放的影响较弱。过量空气系数小于1时,EGR对HC排放的影响较明显,HC排放随EGR率增大而减小。随过量空气系数的增大,EGR对HC排放的影响逐渐降低。总体来看,当过量空气系数小于1时,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放影响较明显,废气的稀释和热容作用起重要作用。EGR的加入,降低了GDI汽油机核态颗粒物的排放;随EGR率增大,PM排放降低。当过量空气系数大于1后,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放的影响逐渐减弱。     

路试状态汽油机缸内热功转换过程性能及影响因素的检测与分析

提出一种能对整车实际路试工况下汽油机的多项运行及性能参数进行连续检测与诊断的方法,应用于某车辆的实际路试工况,获得汽油机瞬态参数,并对该样机进行系统的稳态台架试验。研究结果表明:无论是台架稳定工况还是实车瞬变工况,汽油机缸内热功转换效率主要与50%放热量的位置以及过量空气系数相关;当50%放热量的位置出现在上止点后10°左右(高速略早、低速略晚)时,高压循环热效率达到峰值;而影响50%放热量的位置有点火提前角、转速、负荷、缸内残余废气系数和过量空气系数等参数;该样机标定时由于对缸内残余废气系数的变化缺乏了解,瞬变工况下的过量空气系数与理想值有偏差,从而影响实际热效率;某些过渡工况下点火提前角变化异常,导致热效率偏离理想值。     

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%。     

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.     

喷油提前角对双燃料柴油机燃烧和排放的影响

为研究喷油提前角对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响,以4190ZLC-2型船用中速柴油机为研究对象,运用AVL_FIRE软件构建柴油-甲醇双燃料燃烧室模型。通过仿真实验的方法,研究当甲醇掺混比为20%,喷油提前角分别为 16.6°、18.6°、20.6°、22.6°时,对柴油机燃烧、排放、动力特性的影响。研究结果表明:随着喷油提前角的逐渐增大,缸内混合气质量得到改善,从而优化混合燃料在缸内燃烧的质量,同时还可观察到放热率曲线逐渐前移且峰值增加。分析数据可知,在甲醇掺混比为20%,喷油提前角20.6°时,NO排放较原机排放增加29.83%,Soot排放量降低30.5%,CO排放量降低5.6%,指示功率增为58.75 kW。     

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.     

进气道结构对增压汽油机燃烧过程影响的数值模拟

为提高某三缸增压进气道喷射汽油机的燃烧效率,利用三维CFD软件AVL-FIRE对原汽油机进气道在各气门升程下的进气过程进行了稳态数值模拟计算,并对其原汽油机在1,000,r/min、3,000,r/min和5,000,r/min全负荷下的燃烧过程进行了瞬态数值模拟计算;基于计算结果提出了两种进气道优化设计方案.对优化前后的缸内速度场、湍动能场、温度场、瞬时放热率及燃烧持续期进行了对比研究.研究结果表明:与原气道方案相比,优化气道方案的滚流比更大,在缸内组织了更强的气流运动,点火时刻缸内的湍动能更大且分布更为合理,火焰发展期和快速燃烧期更短.通过优化进气道结构适当提高增压汽油机的滚流比,可以改善压缩行程后期缸内的气流运动,提高点火时刻缸内的湍流强度,对提高混合气的燃烧速度、促进缸内燃烧十分有利,从而可有效提升汽油机的燃烧效率.     

富氢重整气对天然气发动机燃烧反应过程的影响

为研究基于废气重整再循环(REGR)技术的天然气发动机燃烧排放调控机制,开展了富氢重整气添加对点燃式天然气发动机缸内燃烧过程影响的数值模拟研究。结果表明,添加富氢重整气与增大过量空气系数对天然气发动机的燃烧过程的影响规律相反。增大重整气添加率可使燃料着火时刻提前1.42°,燃烧持续期缩短;增大过量空气系数则会使缸内平均压力峰值和放热率峰值降低,着火时刻滞后2.24°。REGR率增加到16%时可使总碳氢化合物排放降低26.98%,NO_x排放降低62.52%,但会导致发动机功率降低9.52%。基于此,从化学动力学角度进一步解析REGR率对天然气发动机缸内燃料燃烧反应过程与污染物生成演化过程的影响。结果表明,随REGR率增大,OH自由基参与CH_4消耗反应占比增大,从而加快基元反应速率,使燃烧相位提前,并使未燃HC排放降低。     

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%。     

基于AVL-BOOST的米勒循环发动机性能分析研究

传统奥托循环发动机的燃油消耗率较高,经济性较差,不能满足日益严格的油耗法规和混合动力汽车的要求,因此改善发动机燃油经济性变得日益迫切。在混合动力发动机上采用米勒循环、EGR(废气再循环)以及高压缩比等技术均有利于降低燃油消耗率。在新设计的进气凸轮工作转角下,研究了EGR率、气门正时、压缩比等主要因素对发动机进气过程、泵气损失、燃烧过程以及发动机性能的影响规律。结果表明:推迟进气门关闭时刻,有利于降低缸内燃烧压力和温度,进气门迟闭角每增大10°CA,缸内最大温度约降低120 K,但过大的气门晚关时刻会使缸内燃烧恶化,一定程度上削弱了由于泵气损失的降低对燃油经济型的改善。在2 000 r/min,外特性工况,270°CA进气凸轮工作转角下,压缩比为13时,发动机燃油消耗率达最低为253.1 g/(kW·h)。在2 000 r/min, 1.2 MPa工况,EGR率为5%时,燃油消耗率降到了235 g/(kW·h),相比原机,采用米勒循环技术后发动机经济性有较大改善。     

供油提前角对甲醇发动机燃烧过程及排放的影响

通过电热塞助燃法,在ZS1115单缸柴油机上实现了M100纯甲醇的扩散燃烧,充分利用柴油机热效率高的优点,有效提高了甲醇燃料的能量转化效率。通过改变供油提前角,研究了不同供油提前角对甲醇发动机燃烧过程及排放的影响。研究表明:随着供油提前角的增大,最大爆发压力和压力升高率增大,燃烧放热始点提前,放热峰值增大,且出现相位提前。供油提前角的变化对CO排放影响不大,对HC及NOx排放影响明显。增大供油提前角,HC排放增多而NOx排放减少。     

二次喷油优化直喷汽油机冷启动排放特性的研究

研究了一种通过特殊活塞顶面形状结合二次喷射策略来解决直喷汽油机冷启动工况排放问题的新方法.该方法通过适当的二次喷油分配、结合缸内气流运动来改善燃油混合气的分布.利用AVL-Fire对不同喷油策略下直喷汽油机启动时缸内油气混合分布进行了模拟,对不同喷油策略的冷启动排放进行了实验研究.结果表明,采用特殊活塞顶面形状进行合理的壁面引导,同时结合二次喷油策略,能够优化直喷汽油机冷启动工况下缸内空燃比的分布,使得混合气浓度在火花塞附近略高,宜于火花点火,在火花塞周围略低,宜于火焰传播,从而提高燃烧的稳定性,减少燃油的湿壁现象,降低HC的排放.     

HCNG发动机性能分析

介绍了HCNG(氢气-天然气混合燃料)的性能试验结果分析.采用缸外预混合天然气/氢气,研究发动机转速、进气管绝对压力、掺氢体积比、点火提前角对发动机性能的影响.结果表明适量掺氢可增大发动机最大有效功率;增大掺氢比可降低HC排放平均值;增大进气管绝对压力会增大HC排放平均值;CO排放受点火提前角、进气管绝对压力和燃料成分的影响;增大点火提前角和进气管绝对压力使各个掺氢比的NOx 排放有增大的趋势.     

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.     

点火时刻对怠速工况缸内直喷汽油机微粒排放特性的影响

为研究缸内直喷(GDI)汽油机典型工况、怠速工况时的微粒排放特性,在一台4G15缸内直喷汽油机上,通过控制冷却液温度为(80±1)℃、喷油时刻为上止点前310°、过量空气系数为1,研究了点火时刻对缸内直喷汽油机怠速工况微粒粒径分布特性的影响。结果表明:微粒数量浓度和表面积浓度随着点火时刻的提前而增加;微粒数量浓度随粒径分布呈单峰状态,核模态微粒数量浓度粒径分布峰值很小且不明显,积聚模态微粒数量浓度明显高于核模态微粒数量浓度;微粒的体积浓度随点火时刻的提前而增大,核模态微粒体积浓度占总体积浓度的比例随点火时刻的提前而减小。