混合气分层对HCCI汽油机极限负荷和燃烧特性的影响

对比研究HCCI汽油机在不同空燃比下采用混合气分层策略时的极限负荷、NOx排放量和燃油经济性,考察了在此策略下过量空气系数λ和EGR率对HCCI发动机燃烧特性的影响。结果表明,混合气分层压缩燃烧模式能有效降低HCCI燃烧的压力升高率,具有拓展负荷范围的潜力,但同时也使NOx排放增加;适当的过量空气系数能在一定程度上改善HCCI发动机的燃烧特性,采用9%的EGR率时发动机油耗率最低,具有明显节油效果。     

甲醇发动机缸内EGR分层的研究

针对一台具有螺旋进气道的点火式甲醇发动机,采用进气道加装EGR管的方式实现了EGR和新鲜充量的分开引入。应用CFD仿真软件Fire模拟了不同EGR通入时间、不同燃烧室凹坑形状等对EGR分层的影响。结果显示,加装EGR管能够实现EGR的分层,EGR的通入时长和燃烧室凹坑形状都对EGR的分层产生影响。当燃烧室凹坑形状为浅圆柱型、新鲜充量的通入压力为100kPa、EGR通入压力为160kPa时,在300°BTDC(压缩上止点前)停止通入,能够形成火花塞周围EGR浓度低、越远离燃烧室顶部EGR浓度越高的EGR分层结构。同时,在保证EGR率和燃油消耗量相同条件下,通过改变点火提前角,分析分层EGR和均质EGR对甲醇发动机缸内燃烧的影响。分层EGR能有效地提高缸压峰值、缩短燃烧滞燃期、提前燃烧始点,有利于发动机缸内燃烧的改善。     

Effect of direct in-cylinder CO2 injection on HCCI combustion and emission characteristics

Fuel injection during negative valve overlap period was used to realize diesel homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion. In order to control the combustion, CO₂ in-cylinder injection was used to simulate external EGR. Effects of CO₂ injection parameters (injection timing, quantity, pressure) on HCCI combustion and emission characteristics were investigated. Experimental results revealed that CO₂ in-cylinder injection can control the start of combustion and effectively reduce NO_x emission. Either advancing CO₂ injection timing or increasing CO₂ injection quantity can reduce peak cylinder pressure and mean gas temperature, delay the starts of low temperature reaction (LTR) and high temperature reaction (HTR), and lower pressure rise rate; NO_x emission was reduced, while smoke, HC, and CO emissions increased. Since the combustion phase was improved, the indicated thermal efficiency was also improved. Injection pressure determines the amount of disturbance introduced into the cylinder. Generally, with the same injection quantity, higher injection pressure results in higher momentum flux and total momentum. Larger momentum flux and momentum has a stronger disturbance to air-fuel mixture, resulting in a more homogeneous mixture; therefore, larger injection pressure leads to lower NO_x and smoke emissions.     

柴油机HCCI燃烧的均质混合气制备

介绍了均质充量压缩着火燃烧的概念、优缺点及其良好的发展前途与当前面临的困难。分析了HCCI混合气制备的重要性，总结了柴油机HCCI混合气制备的典型方法和成功经验，并分析了混合气制备对HCCI燃烧排放、着火相位的控制以及功率输出的影响，探讨并展望了HCCI混合气制备的可能发展方向。     

外部热EGR对基于优化动力技术的汽油HCCI燃烧的影响

考察了外部热EGR对基于优化动力技术的汽油HCCI发动机燃烧的影响。试验结果表明:外部热EGR可以推迟HCCI燃烧的着火时刻,减缓放热速率,但对于高辛烷值燃料的HCCI燃烧,它对更高EGR率的兼容能力不强,需要提高进气温度来提高燃烧的稳定性;随着EGR率的增加,燃烧持续期延长,缸内温度和压力峰值均减小,指示热效率也随着减小;NOx排放随着EGR率的增加在经过一个"拐点"后始终维持在一个较低的水平,而CO和HC的排放随着EGR率的增加显著增加,燃烧恶化。     

预燃室催化燃烧对HCCI发动机燃烧特性的影响

对预燃室壁涂有催化剂的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,分析了催化燃烧对HCCI发动机燃烧特性的影响;同时分析了预燃室内催化剂种类、过量空气系数、进气温度、进气速度、缸径以及预燃室壁温对HCCI发动机燃烧特性的影响。结果表明,预燃室存在催化燃烧时对HCCI发动机的着火时刻有很大的影响:随着过量空气系数及预燃室进气速度的增加,HCCI发动机的着火时刻提前;催化剂种类、预燃室缸径以及预燃室壁温对HCCI发动机着火时刻影响不显著,但对缸内燃烧温度影响显著。     

缸内直喷汽油机多种燃烧模式的试验研究

基于量产增压缸内直喷汽油机,采用可变升程机构实现多种燃烧模式,在低升程下实现了均质燃烧、分层稀燃和均质压燃。试验结果表明:在转速2 000r/min,负荷0.2MPa,0.4MPa下,均质压燃的燃烧持续期最短,放热最快;在转速2 000r/min,负荷0.2MPa下,均质压燃的燃油消耗率最低,达到337g/(kW.h),同时均质压燃的NOx排放远低于均质燃烧和分层稀燃。     

Effects of mixture stratification on HCCI combustion of DME in a rapid compression and expansion machine

Compression ignition of homogeneous charges in internal combustion (IC) engines is expected to offer high efficiency of DI diesel engines without high levels of NOx and particulate emissions. This study is intended to find ways of extending the rich limit of HCCI operation, one of the problems yet to be overcome. Exhaust emissions characteristics are also explored through analyses of the combustion products. DME fuel, either mixed with air before induction or directly injected into the combustion chamber of a rapid compression and expansion machine, is compressed to ignite under various conditions of compression ratio, equivalence ratio, and injection timing. The characteristics of the resulting combustion and exhaust emissions are discussed in terms of the rate of heat release computed from the measured pressure, and the concentrations of THC, CO, and NOx are measured by FT-IR and CLD. The experimental data to date show that operation without knock is possible with mixtures of higher equivalence ratio when DME is directly injected rather than when it is inducted in the form of a perfectly homogeneous fuel-air mixture. Although fuel injected early in the compression stroke promotes homogeneity of the DME-air mixture in the cylinder, it causes the mixture to ignite too early to secure good thermal efficiency and knock-free operation at high loads. Low temperature reactions occur at about 660K regardless of the fueling methods, fuel injection timing and equivalence ratio. The main components of hydrocarbon emissions turned out to be unburned fuel (DME), formaldehyde and methane.     

汽油机稀薄燃烧研究的新进展——从GDI到HCCI

论述了GDI采用分层稀薄燃烧的工作特点,详细分析了其开发使用中的难点问题。同时,对被称为第4种燃烧方式的均质混合气压燃模式进行了介绍,总结和分析了它有可能大幅度提高汽油机热效率和降低NOx排放的特点和原因,并提出它在全工况平面内的着火燃烧控制方面的难度。通过分析认为,GDI与HCCI方式的有机结合可能是未来高效低污染汽油机的发展方向。     

醇类燃料均质压燃技术及其产业化展望

阐述了醇类燃料(甲醇,乙醇)均质压燃(HCCI)技术,通过试验得出了乙醇燃料的均质压燃运行区域,以及进气温度、过量空气系数和EGR率是HCCI技术应用的主要影响因素的结论。指出乙醇燃料均质压燃技术产品的产业化前景应该是双燃烧模式,介绍了将ZS1105柴油机进行改造并进行双燃烧模式试验的情况。     

基于2阶段喷射的缸内直喷汽油机HCCI燃烧的研究

在缸内直喷汽油机（GDI）上采用2阶段燃油喷射技术来控制缸内混合气形成和燃烧，在GDI发动机上实现了均质混合气压燃（HCCI）燃烧方式，研究了缸内2阶段汽油喷射对HCCI燃烧特性的影响。结果表明，压缩行程中的第2次喷油时间可以有效地控制燃烧始点，二次喷油持续期可以控制燃烧速率、燃烧相位和拓宽发动机负荷。     

天然气发动机燃烧方式分析

根据混合气形成和着火方式将天然气发动机的燃烧模式分成均质混合气点燃、非均质混合气点燃、均质混合气压燃和非均质混合气压燃/引燃4种。分析了这4种燃烧模式针对发动机性能和排放方面的特点,讨论了目前存在的问题。认为目前最有实用价值的模式为柴油引燃天然气非均质扩散燃烧,因为其热效率高于火花点火发动机,与传统柴油机相当,而有害排放物排放却较柴油机明显降低,并且相对于HCCI更易实现。     

气缸壁涂加催化剂对均质压燃发动机燃烧特性的影响

通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对气缸壁涂有催化剂的HCCI燃烧过程进行了数值计算。对比分析了缸内催化燃烧对HCCI发动机的着火时刻及NOx排放的影响;讨论了当气缸壁涂有催化剂时进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数及催化剂种类等多种工况参数对HCCI燃烧特性的影响。     

CO2和H2对HCCI二甲醚发动机燃烧影响的数值模拟

模拟了燃用DME的HCC I发动机的燃烧过程,研究了进气添加剂CO2和H2对其着火时刻和指示功的影响。结果表明:CO2能延迟着火时刻,降低缸内压力和温度,从而扩大HCC I燃烧运行范围;H2也可推迟着火,并能有效提高发动机的指示功。为了既控制着火始点,又提高发动机指示功,提出进气中同时添加适量CO2和H2,并就此进行了计算。     

以HCCI燃烧过程为主要研究对象的模拟燃烧系统

所论述的模拟燃烧系统是针对均质混合气压燃特性试验研究开发研制的装置,主要由燃烧系统主体部分、混合气配给系统等组成。该装置具备定压燃烧过程、复合燃烧过程以及定容燃烧过程的研究试验功能,且具有良好的边界条件可控性。燃烧系统压缩终了压力可达到2.6MPa,活塞最高速度为5m/s,平均速度为2.18m/s。     

Numerical analysis of the effect of inhomogeneous pre-mixture on the pressure rise rate in an HCCI engine using multi-zone chemical kinetics

The HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) engine is an internal combustion engine under development, which is capable of providing both high diesel-like efficiency and very low NO_x and particulate emissions. However, several technical issues must be resolved before the HCCI engine is ready for widespread application. One issue is that its operating range is limited by an excessive pressure rise rate which is caused by the excessive heat release from its selfaccelerated combustion reaction and the resulting engine knock in high-load conditions. The purpose of this study was to evaluate the potential of thermal and fuel stratification for reducing the pressure rise rate in HCCI engines. The NO_x and CO concentrations in the exhaust gas were also evaluated to confirm combustion completeness and NO_x emissions. The computational work was conducted using a multi-zone code with detailed chemical kinetics, including the effects of thermal and fuel stratification on the onset of ignition and the rate of combustion. The engine was fueled with dimethyl ether (DME) which has a unique two-stage heat release, and methane which has a one-stage heat release.     

均质压燃发动机研究开发新进展

介绍了HCCI燃烧节能和降排放的潜力及其产业化关键技术问题;阐述了HCCI发动机稳态工况下的着火燃烧控制方法、瞬态运行控制方法和数值模拟等方面的最新研究进展。可以看出,目前国际上HCCI产业化研究主要集中在汽油机和柴油机HCCI燃烧控制方面,包括燃烧诊断、燃烧模式切换和瞬态工况过渡。缸内直喷多段喷射是HCCI燃烧在车用发动机上应用更有前途和更具可行性的方式。HCCI发动机产业化进程将取决于快速可变配气系统和高质量燃油喷射系统等技术的进一步成熟和产业化成本。     

侧向换气发动机分层和均质燃烧的试验研究

在1台侧向进气的单缸发动机上对分层和均质充气燃烧进行了试验研究。通过灵活的喷油和点火控制策略实现了缸内的分层充气和均质充气燃烧。在线分析了各种工况下分层和均质充气燃烧及排放状况。研究表明,随着过量空气系数的增加,分层燃烧的性能明显优于均质燃烧,并且在稀燃状态下,分层燃烧能获得比均质燃烧更好的燃烧稳定性。在所有研究工况下,分层燃烧都能够有效地降低NOx排放。     

缸内直喷汽油机技术发展趋势分析

介绍了缸内直喷(GDI)发动机技术发展过程及现状。对比分析了GDI发动机与气门口喷射(PFI)发动机的性能特点,GDI发动机相对于成熟的PFI发动机仍具有较多优势。分析了GDI发动机技术发展面临的主要问题,可以看出,排放、燃烧稳定性等方面的问题限制了分层稀燃GDI发动机普遍应用。探讨了GDI发动机燃烧系统特点及发展趋势,阐述了过量空气系数a=1的GDI均质混合燃烧方式、分层充气或均质(a=1)充气的涡轮增压技术、优化燃烧系统扩大分层稀燃区域、实现GDI发动机的HCCI燃烧等4个GDI发动机技术发展方向。     

二甲醚均质压燃燃烧特性试验研究

介绍了在一台单缸柴油机上进行的二甲醚(DME)均质压燃燃烧过程的试验研究,DME的燃烧保持了低温反应与高温反应两个阶段的特征,着火时刻较早。试验结果表明,混合气燃空当量比的变化对低温反应开始时刻影响不大,但对高温反应开始时刻有较大影响,随着燃空当量比的增大,高温反应开始时刻逐步提前,当燃空当量比为0.21时,出现轻微爆震现象。随着发动机转速的增加,低温反应开始时刻提前,高温反应阶段的放热率略有增大。进气温度和冷却水温度升高,低温反应和高温反应时刻都有较大的提前。在进气温度(T)大于300 K后,缸内最大压力出现在上止点前,进气温度是控制着火时刻的重要参数。