预混合压燃式发动机的燃烧特性及着火控制

在1台均质充量压燃式发动机上测定了着火定时的特性、失火条件、燃烧噪声和排放。在发动机试验中,利用详细的化学反应动力学模型进行发动机循环模拟,揭示出着火定时的特性,并观察到了低氮氧化物（NOx）燃烧。通过利用动力学模型的定容燃烧模拟,推算出燃烧期内燃烧噪声与压力升高率的关系。基于废气再循环、进气温度、压缩比和燃料组分对着火定时、燃烧噪声和NOx排放的影响,探讨了均质充量压燃式发动机的燃烧控制方法。     

V6柴油机怠速声品质的改善

Hyundai公司对V6柴油机用于由新8档自动变速器组成的动力总成时的怠速声品质进行了广泛的研究，以便分析机械激励噪声和燃烧激励噪声所起的作用。首先，在发动机研发初期，可以采用试验模态分析及按发动机各功能系统的稳定性设计来改善动态特性。另外，增强发动机的结构阻尼，能在燃烧激励增强时使发动机的燃烧噪声维持在目标值水平。在整个结构阻尼分析的频率范围内，发现有些零件较好，有的零件较差，然后对系统中的薄弱环节进行优化。在本研究中，正时链罩采用被动约束涂层减振处理来改善发动机前端2～3kHz范围内的辐射噪声，并运用了最大喷射压力为180MPa的第3代共轨系统，它配装了压电式喷油器，该喷油器有成型消声罩，并能进行充、放电时间控制。为使该发动机达到欧5排放标准，采用新喷油策略的低排放燃烧概念也很重要。然而，这种燃烧模式会产生粗暴的高频噪声，并使怠速稳定性变差。所以，应优化对预喷射和后喷射的控制，以降低和优化燃烧室内的燃烧激励噪声。因此，在发动机研发过程中就应考虑到车内声品质和辐射噪声的最佳化，而且，要确保乘客更易接受的声品质。     

天然气／柴油双燃料发动机燃烧过程二维数学模型的研究

随着液体燃料费用的上升，排放标准更加严格，需要采用更经济、更有效的燃烧方法。天然气／柴油双燃料发动机由于具于较好的排放特性，爱到研究人员的关门。为了改善双燃料发动机的燃烧过程。本文采用离散型液滴模型模拟喷雾，采用k-ε双方程模型模拟湍流运动，用多步快速反应模型模拟燃烧化学反应。建立了双燃料发动机二维燃烧模型，并采用任意拉格朗日－欧拉地得到的偏微分方程组进行离散求解。对一台单缸双燃料发动机进行了模拟计算，将计算结果与实验结果对比分析发现，计算结果与实验结果吻合较好，表明本文的数值计算正确地反映了缸内燃烧过程的实际规律，能够反映引燃油量、发动机转速与负荷等运行参数对发动机燃烧过程的影响。因而该模型对于进一步优化双燃料发动机的动力性、经济性和排放特性，揭示影响其燃烧的主要因素具有重要价值。     

提高各种发动机热效率的技术

论述了改善发动机热效率的燃烧技术,并概述了汽车、船舶、发电等用途发动机的燃烧技术。汽油机通常采用的技术手段是提高压缩比,以及包括直喷、预混合压缩着火在内的稀燃技术和优化进、排气门正时及升程的技术。而柴油机的关键技术是增加喷油速率、多次喷射等喷油系统控制及高增压技术。进一步缩小发动机排量、增加燃烧控制系统柔性、回收废气热能将是未来改善系统效率的主要手段。     

燃气发动机的发展现状和未来战略

文章描述了大型高速(额定转速为1200~1800 r/min)、中速(额定转速达1000 r/min)燃气发动机的发展现状及中、短期的发展战略。最近几十年来,用于发电和气体压缩机等固定用途的天然气发动机的数量显著增长。对CO2减排的持续关注以及未来更加严格的NOx排放标准使得燃气发动机在船舶和机车领域同样具有吸引力。为促进燃气发动机的长期发展,需要对功率密度和热效率进一步改进。目前,燃气发动机的平均有效压力(BMEP)已达到具有竞争力的水平,其热效率水平甚至比柴油机更高。燃气发动机能够取得上述改进效果得益于稀薄燃烧原理、米勒气门正时、燃烧系统的逐步开发(如燃烧室几何形状的优化)、压缩比提高等。燃气发动机的性能发展一直面临解决爆震燃烧的难题。为进一步提高平均有效压力和/或热效率,抗爆震性能仍有待改善。米勒循环以及增压空气冷却能够通过降低燃烧温度来抑制爆震的发生。然而这样则需要进气管内有更高的压力。由于单级涡轮增压器的压气机压比受到限制,因此需要应用两级增压以获得较目前更强的米勒定时。另一个重要的方面是发动机耐受峰值燃烧压力的能力。目前,市场上许多燃气发动机的平均有效压力已由10~12 bar提高到20~22 bar,因此它们或许已经接近其峰值燃烧压力的极限。要进一步提高平均有效压力,需要进行大量的设计改进,甚至开发全新的发动机。文章基于AVL公司专有的单缸发动机及仿真方法等燃气发动机的开发经验,阐述了燃气发动机的关键技术和发展现状,分析了其局限性、发展潜力以及对未来燃气发动机的要求。使燃气发动机能够进一步发展的最关键技术是,采用更强的米勒定时并结合两级涡轮增压,同时将峰值燃烧压力提高到250 bar以上。     

未来轿车柴油机噪声的优化

德国亚琛大学内燃机教授与FEV公司共同研究了改善未来轿车柴油机噪声和舒适性的技术可能性。探讨借助于气缸压力导向的燃烧调节及发动机的结构措施,从两方面进行声学优化的技术。发动机试验证实。噪声辐射可明显降低。     

中速柴油机燃烧和排放仿真的发展和挑战

对目前精准仿真中速柴油机的发动机循环的可能性和挑战进行综述。排放标准法规的日趋严格和竞争的日益激烈,要求在设计阶段要做出更多的努力,以预测中速柴油机的排放和效率。近年来,仿真工具的发展在预测方面已取得很大的进步。然而,由于在柴油机运行中燃烧和排放物形成过程是复杂的,对所使用的工具要求极其严格。3D CFD仿真可用作优化燃烧室内的燃烧和排放形成过程,0D和1D发动机循环仿真适用于选择理念和预优化重要的发动机参数。0D和1D模型的一大优势是计算时间较短,可对大量参数变量进行研究。对几种0D、准维和3D仿真模型进行研究、比较和评估,用于计算燃烧率以及碳烟和NOx生成。0D燃烧模型评估（LEC-DCM）是基于对喷雾的总体描述,然而准维模型是使用多区域方法（MZCM）。3D燃烧模型的评估包括扩展拟序火焰模型（ECFM-3Z）。除了燃烧模型,还有一个重要的因素是喷油率历史,为精准仿真提供基础。然而NOx排放仿真主要受燃烧率模型质量的影响,碳烟生成和氧化过程的仿真依据更多的重要参数。对不同的0D和3D仿真模型进行了研究。另外,单缸发动机的光学测量用于验证碳烟模型。     

Hyundai—Kia运动型多功能车用V6—3L柴油机的研发

为了满足高级运动型多功能车的要求,新开发了一款V6—3L柴油机。该发动机的有效功率提供了良好的行驶舒适性,并达到欧4排放标准。通过燃烧和排气后处理方案的优化,该发动机的基本设计方案可成为未来达到欧5排放标准的基础。同时,为了满足美国Tier 2 Bin 5排放标准的要求,正在开发采用尿素喷射的氮氧化物排气后处理系统。     

利用电控燃油喷射装置控制柴油机燃烧和排放的研究

为了降低直喷式柴油机瞬态工况排放,集中介绍了喷油器闭环控制。通过对共轨压力和气缸压力的实时测量,在闭环共轨喷油系统中实现了对喷油压力、燃烧正时和发动机输出功率的同步控制。通过对碳烟排放的实时测量,实现并评估了通常在发动机输出功率急剧增加时可以观察到的峰值碳烟排放的降低。结果显示,可以通过采用每个执行器3种比例积分微分控制器的方式,实现喷油压力、燃烧正时和发动机输出功率的同步控制,而峰值碳烟排放的降低则可以通过控制喷油压力来实现。     

柴油机研发中运用的模拟技术

介绍了在柴油机研发中应用的计算机模拟技术。模拟技术不仅对于基本燃烧过程来说是至关重要的，而且由于各种参数优化的复杂性，以及有限的研发时间和成本，它对整个研发过程而言都是极为关键的技术。零维和（或）一维发动机系统模拟技术已被广泛应用，以应对不断增加的各种装置及其运行参数的要求，诸如整个发动机系统、涡轮增压器、废气再循环管路及电控喷油系统的设计，以及这些装置运行参数的设定。介绍了2种发动机系统模拟器的实例：（1）一种用于评价发动机进气空气流的模型预测控制逻辑；（2）一种高效率且精确的缸内燃烧模型，被用于分析瞬态燃烧模式的转换现象。     

大缸径燃气发动机燃烧系统的开发

由于环保以及经济原因,大缸径燃气发动机,尤其是中速机正在引起越来越多的关注。除了发电用途外,这种发动机也在海运和铁路运输领域发挥了很大的作用。除了必须满足严格的排放法规外,发动机可达到的燃料经济性水平也是客户考虑的关键因素。文章分析了大缸径燃气发动机特定的应用要求。由于其独特的应用要求,发动机燃烧系统的设计更具挑战性。与客车和商用车发动机不同,大缸径燃气发动机需要一种截然不同的设计理念。文章重点描述了FEV公司预燃室燃烧系统的开发。为开发该燃烧系统,在单缸发动机上将既有的CMD方法与试验进行了有机结合。依据CMD所进行的预燃室设计,开发进程因测试变量数量的减少而明显缩短。经系统优化后,较好的燃烧稳定性可将BMEP值控制在30 bar范围内。通过参数的调整,仿真和试验结果之间建立了良好的相关性,而且还明确了预燃室结构改变对试验结果的影响。     

商用车发动机增压式共轨喷射系统

成功开发商用车柴油机燃烧过程的关键在于把握住高负荷运转工况,为此,Bosch公司开发了一种喷油特性曲线形状可变的共轨喷射系统,其中,第2个电磁阀激活集成在喷油器中的1个增压装置,通过优化电磁阀喷油嘴针阀控制时间的偏差,可使喷油开始时的喷油速率减半,从而限制氮氧化物的形成,这样有可能使发动机制造商在达到废气排放法规限值的同时,进一步降低燃油耗和发动机在空气系统方面的费用。     

建模技术在涡轮增压汽油机中的应用

一维发动机建模精度和计算速度的提高使发动机在开发过程中可以更大程度地依赖这种仿真技术。建模的效益体现在诸多方面：增加模拟迭代次数,以实现更好的优化;减少硬件原型迭代数,以缩短项目开发的时间和降低总成本。在最初设计阶段和整个项目中,都采用涡轮增压发动机系统的一维GT—Power模型进行辅助设计。该模型是采用Chrysler集团预测燃烧和爆燃的专利建模软件开发的。在这个项目的所有阶段,通过对预测结果与测功器数据进行系统地研究,提高了模型的精度。研究重点是通过一维GT—Power模型优化与测功器试验相结合,选择发动机压缩比和涡轮增压器,并减小各循环间变动和缸内变动。在出现上述变动时,发现从进气门和排气门倒流的残余废气、冷却的再循环废气、空气与燃油的混合气（仅针对进气道燃油喷射发动机）在本循环及下一个循环被重新分配到每个气缸。因此,进气门和排气门的倒流是导致在每个气缸中产生变动的主要因素之一。据此,通过一维GT—Power模型优化,并结合气门设计工程师的输入参数,设计了1组新的气门升程曲线。结果表明,使用该方法后,在燃油耗、废气再循环耐受性和发动机稳定性及发动机性能改善方面均产生了效益。     

发动机燃烧火焰的可视化技术

为了降低发动机的燃油耗,实现高效燃烧,使用高速彩色摄影机等光学摄影装置,使观察发动机缸内的燃烧火焰成为可能。介绍了气缸内爆震的观察方法、气体燃料发动机机内着火及火焰传播过程的详细观察技术,以及运用小孔观测器观察柴油机柴油喷束产生的着火燃烧图像。运用上述观察技术将有助于掌握燃油雾化及喷雾燃烧机理,探索抑制爆震、降低氮氧化物和颗粒排放,以及实现高效燃烧的途径。     

基于优化燃料喷射控制的柴油机快速开发方法

从预防地球温室效应的观点出发,热效率高且二氧化碳排放少的柴油机已重新获得关注。此外,由于近年来减排技术和燃烧控制技术的不断发展,柴油机的氮氧化物和颗粒排放也已大幅度降低。在应用这些最新燃烧控制技术的过程中,必须合理调整控制参数,在各种运行条件下兼顾降低排放和提高热效率的要求。叙述了在实际发动机上高效率、高精度优化控制参数的方法。     

燃料的混合特性对天然气发动机性能的影响

评价了各种供油条件下单缸火花点燃式发动机燃用天然气时的性能和燃烧特性。在同一台发动机上,采用激光诱导荧光法测定进气行程缸内燃油的分布,并分析了燃气状态。通过调整喷嘴在进气道的位置,控制混合气形成及其对发动机性能、尤其是热效率和氮氧化物排放的影响。     

柴油预喷着火增压燃气发动机中生物燃料的燃烧和排放特性

描述了柴油预喷着火的增压燃气发动机中生物燃料的燃烧和排放特性。认为，通过调整柴．油预喷的喷射量，即便使用生物燃料产生的热解气体，也能实现稳定的燃烧。     

重型柴油机部分预混合燃烧的燃烧特性研究

部分顸混合燃烧（PPC）在燃烧可控性高和排放特性方面接近于均质充量压燃发动机。为了实现PPC,滞燃期必须足够长,以使燃油在燃烧前与空气充分混合。喷油需足够早,同时采用高废气再循环（EGR）率,以获得较长的滞燃期。为了明确PPC的原理,创建了燃烧特性随喷油定时、EGR率变化的脉谱图。在一台6缸重型柴油机上进行燃烧特性的研究,喷油始点由早到晚变化,EGR率的范围也很大。在参数扫描期间监控发动机的排放情况,在低排放、高效率的最佳区域内,研究了喷油压力和发动机转速对燃烧的影响,以获得对燃烧更全面的了解。     

2013年型Accord轿车用2．4L直列4缸汽油机的开发

全新开发的2．4L带智能可变气门正时及升程电控系统的4缸直喷汽油机是本田公司下一代机型,应用了带多孔高压喷油器的直喷系统,实现了低二氧化碳排放和高功率输出。对气缸盖进气道和燃烧室形状、喷油器喷雾形状,以及燃油喷射控制都进行了优化,以确保形成均质混合气,实现稳定、高效的燃烧。全新的发动机结构使摩擦也得到降低。新型发动机的功率和扭矩都增加10％,燃油耗则降低5％。配装新发动机的2013年型Accord轿车配合高效率无级变速器,以及改进后的底盘,使组合行驶工况燃油耗降低11％,并达到美国加州空气资源委员会排放法规中准零排放车级别的排放要求。此外,新结构的发动机减轻了质量．并通过优化气缸体刚度。使噪声一振动一平顺性性能优于旧机型。     

2007年柴油机排放控制回顾

综述了2007年以来柴油机排放法规、发动机技术及NOx和PM控制技术的发展。目前欧洲排放法规的主要发展是提出了2013年重型车排放法规。该法规在技术上与美国2010年的排放要求相似。另外,欧洲委员会还首次提出了CO2排放130g／km的限值,接近于日本燃油经济性对CO2排放的要求。发动机取得了非常显著的进步,特别是美国轻型车发动机的清洁燃烧技术有很大发展。对重型发动机的研究主要集中在传统方法的改进,为满足严格的美国2010年排放要求,开发了许多发动机后处理技术。在不同的应用场合,NOx的控制集中采用选择性催化还原技术。对寒冷环境下的运行和系统优化进行了进一步研究。稀NOx捕集器的耐久性问题更受关注,并通过硫捕集器来提高性能。稀NOx催化技术得到进一步发展。柴油机颗粒过滤器技术得到进一步优化,成本得以降低。提出了新一代柴油机颗粒过滤器方案,并进行了关于碳烟与催化剂之间相互作用的基础研究,以及对柴油机颗粒过滤器结构进一步优化的研究。最后,提供了有关柴油机氧化催化器的最新进展,介绍了采用先进燃烧策略的研究趋势,讨论了影响NO2形成的重要因素,以及提高氧化催化器使用耐久性的一些新措施。