柴油机HCCI燃烧特点及影响因素

本文简要介绍了发动机均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的概念和特点,并进一步着重分析了柴油机HCCI燃烧的特点,以及影响柴油机HCCI燃烧的一些重要因素,如混合气形成方式、进气温度、负荷、废气再循环(EGR)、气门正时及压缩比等因素。     

HCCI——一种大有前途的清洁汽车技术(一)

1 HCCI控制发动机排放的基本原理 HCCI,亦称可控自燃着火(CAI,Controlled Auto Ignition),它是指大量燃料和稀释物(空气和再循环废气等)在进气过程中预先混合成均质混合气,当压缩行程活塞运动到上止点附近时,均质混合气自燃着火的一种燃烧过程.     

Super SI燃烧方式试验研究

研究了Super Spark Ignition(Super SI)燃烧方式,即稀薄混合气在近自燃温度状态下点燃燃烧,分析了这种燃烧方式的可行性和燃烧特性.研究结果表明,混合气稀薄时提高发动机的进气温度可显著降低平均指示压力(pmi)的循环波动,缩短燃烧持续期,拓展点燃燃烧的稀薄极限;Super SI燃烧方式具有热效率高...     

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。     

掺氢天然气HCCI发动机燃烧特性数值模拟研究

为了研究不同运转参数对掺氢天然气均质压燃（HCCI）发动机的燃烧特性影响,基于Chemkin模拟软件,结合GRI-Mech3.0化学反应动力学机理,建立了HCCI 发动机的数值模型。数值模拟了掺氢天然气HCCI发动机在掺氢体积比为5%时不同运转参数下的燃烧特性,主要包括对发动机燃烧过程中缸内压力、温度、燃烧放热率和NO_x排放的影响。结果表明,在掺氢天然气HCCI发动机燃烧过程中,转速变化对缸内温度、压力和燃烧放热率的影响不大,但NO_x排放随转速增大而减小;缸内温度、压力、燃烧放热率及NO_x排放随过量空气系数增大而降低;缸内压力、燃烧放热率及NO_x排放随进气压力增大而提高,进气压力对缸内温度影响较小;缸内温度、压力、燃烧放热率及NO_x排放随进气温度增大而提高。为实际改善掺氢天然气HCCI发动机的燃烧动力性、经济性和减少排放提供了理论依据。     

火花助燃HCCI燃烧最小点火能量的研究

建立了包括进气温度、进气压力、混合气浓度、EGR率等影响因素的火花点燃过程最小点火能量的计算模型,研究了均质压燃的控制参数(进气温度、压缩比、EGR率)对最小点火能量的影响规律。研究结果表明,使混合气实现压缩自燃的手段,同样也降低了最小点火能量;在火花助燃HCCI过程中,存在产生火花点燃过程的条件;提高点火能量可以降低对进气加热温度的要求。     

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。     

不同辛烷值参比燃料HCCI燃烧特性的试验研究

对不同辛烷值基本参比燃料及其混合物在高速4缸柴油机上进行单缸HCCI燃烧试验,研究了燃料辛烷值、发动机冷却水温度、进气温度以及冷EGR率对HCCI发动机燃烧特性和排放特性的影响。结果表明;在同一当量比下,随燃料辛烷值增大,着火时刻推迟,燃烧放热速率降低,HC和CO排放增大。HCCI燃烧随负荷的增大、EGR牢的减小、进气温度和冷卸水温度的升高,着火时刻提前,燃烧放热速率加快。     

运行参数对汽油HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

为研究进气温度、过量空气系数和发动机转速对汽油均质压燃(HCCI)燃烧稳定性和循环变动的影响,在一台改造后的试验发动机上进行相关试验。试验结果表明,随着进气温度的升高,循环变动较小,最高燃烧压力分布较为集中,进气温度140℃较为合适;汽油HCCI的燃烧循环变动系数对过量空气系数不敏感,随着过量空气系数的增大,最高燃烧压力的出现时刻提前;随着发动机转速增大,循环变动系数变化不大,最高燃烧压力的平均值变大,最高燃烧压力分布集中。     

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。     

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。     

基于负阀重叠EGR策略的HCNG发动机仿真

为降低HCNG发动机NOx排放,采用负阀重叠EGR策略,利用AVL-Fire软件对HCNG发动机不同进气门开启角(θIVO)下的进气过程和燃烧过程进行了三维仿真计算,对比分析了采用负阀重叠前后发动机缸内EGR分布和燃烧过程。仿真结果表明:负阀重叠EGR策略下,排气门关闭角(θEVC)固定为340°曲轴转角不变,当θIVO为380°曲轴转角时,既可避免发生回火又能保证一定的进气量及充气效率;采用负阀重叠后,在压缩冲程后期,缸内EGR率呈梯度分布(靠近火花塞位置EGR率较低),更有利于着火及火焰传播;采用负阀重叠可降低缸内最高燃烧压力及最高温度,但会减少进入气缸的新鲜工质,降低发动机功率;通过负阀重叠实现内部EGR可降低NOx排放,但会导致着火困难,燃烧速度变慢;提高点火能量可缩短着火落后期和燃烧持续期,加快燃烧速度。     

含氧燃料与进气氧浓度对柴油机燃烧与排放的影响

在1台4缸高压共轨柴油机上,通过向柴油中掺混0%,10%,20%正丁醇(质量分数),研究了在不同进气氧浓度条件下,掺混燃料含氧量对柴油机燃烧特性与排放的影响规律。研究结果表明:进气氧体积分数处于20%~21%之间时,燃用3种燃料的滞燃期均不随氧浓度的变化而变化;随着掺混比例的增加,燃料中含氧量增加,这导致了滞燃期的增加,且随着进气氧浓度的降低,滞燃期受燃料性质的影响作用不断增强;随着燃料中含氧量增加,炭烟(Soot)排放逐渐减小;掺混燃料的含氧量对NO_x排放的影响不明显,而对指示热效率的提升有积极作用,在进气氧体积分数小于15%时,燃料含氧量对指示热效率的促进作用减弱。     

Gasoline multiple premixed compression ignition (MPCI): Controllable, high efficiency and clean combustion mode in direct injection engines

A novel combustion concept namely “multiple premixed compression ignition” (MPCI) in gasoline direct injection compression ignition (GDICI) regime is proposed. Its predominant feature is the first premixed and followed quasipremixed combustion processes in a sequence of “spray-combustion-spray-combustion”. The multiple-stage premixed combustion decouples the pressure rise with pollutants formation process, which means the pressure rise rate and emissions can be reduced simultaneously, while achieving a high thermal efficiency. The gasoline MPCI mode has been demonstrated in a research engine with a compression ratio of 18.5. Gasoline with the research octane number (RON) of 94.4 was tested under 1400 rpm, 0.6 MPa IMEP conditions, without EGR and intake boosting. A parameter study of common rail pressure and intake temperature was implemented to investigate their effects on the performance of MPCI mode. Compared to the single-stage diffusion combustion in traditional diesel engines, the gasoline MPCI mode achieves lower emissions of soot, NO, CO, as well as slightly higher indicated efficiency, with a penalty of higher THC emissions when the common rail pressure is larger than 80 MPa in this study. With intake temperature sweeping, the gasoline MPCI mode also has the foregoing advantages compared to the diesel under the same operating conditions.     

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。     

Cooling effect of methanol on an n-heptane HCCI engine using a dual fuel system

Homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines have the potential to raise the efficiency of reciprocating engines during partial load operation. However, the performance of the HCCI engine at high loads is restricted by severe knocking, which can be observed by the excessive pressure rise rate. This is due to the rapid combustion process occurring inside the cylinder, which does not follow the flame propagation that is seen in conventional engines. In this study, a low compression ratio of 9.5:1 for a gasoline engine was converted to operate in HCCI mode with the goal being to expand the stable operating region at high loads. Initially, pure n-heptane was used as the fuel at equivalence ratios of 0.30 to 0.58 with elevated intake charge temperatures of 180 and 90 °C, respectively. The n-heptane HCCI engine could reach a maximum performance at an indicated mean effective pressure (IMEP) of 0.38 MPa, which was larger than the performance found in the literature. To reach an even higher performance, a dual-fuel system was exploited. Methanol, as an anti-detonant additive, was introduced into the intake stream with various amounts of n-heptane at fixed equivalence ratios in the range of 0.42 to 0.52. It was found that the methanol addition cooled the mixture down prior to combustion and resulted in an increased coefficient of variation (COV). In order to maintain stable combustion and keep the pressure rise rate below the limit, the intake charge temperature should be increased. Introduction of 90% and 95% (vol/vol) hydrous methanol showed a similar trend but a lower thermal conversion efficiency and IMEP value. Therefore, a dual fuel HCCI engine could maintain a high thermal conversion efficiency across a wide load and enhance a 5% larger load compared to a pure n-heptane-fuelled HCCI engine. The hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions were lower than 800 ppm and 0.10%, respectively. They were less at higher loads. The nitrogen oxides (NO _x ) emissions were below 12 ppm and were found to increase sharply at higher loads to a maximum of 23 ppm.     

进气节流对柴油机低负荷性能影响的试验研究

在柴油机上加装节流阀是提升小负荷工况排温、改善排放的途径之一,但会对柴油机的其他性能造成影响。本研究通过给柴油机加装节流阀,研究了进气节流对柴油机小负荷工况性能的影响。试验结果表明:进气节流对柴油机的排温和NOx排放提升明显;柴油机进气节流后缸内压力下降,缸内平均燃烧温度、机械效率升高,滞燃期延长,燃烧始点后移;中低转速小负荷工况,随着节流程度的增加,燃油消耗率和烟度增加;高转速小负荷工况,一定范围内通过进气节流可以实现燃油消耗率和烟度的降低。2 500r/min,29N·m工况,保持EGR阀全开,随着节流程度的增加,NOx和烟度出现同时下降趋势,当空气流量由191.4kg/h降至140.6kg/h时,燃油消耗率、NOx、烟度分别下降了7.9%,58.1%,27.3%,排温提升了42.5%。     

稀薄燃烧发动机改型设计及正时策略优化

基于某高速汽油机,对燃烧室结构、燃油喷射特性、凸轮型线改型设计为稀薄燃烧发动机。提出利用响应面模型对正时策略进行分析和优化的研究方法,并建立利用响应面进行多目标优化计算的流程。以提高有效功率和降低有效燃油消耗率为优化目标,以点火正时、空燃比和进排气正时为设计变量,建立了发动机性能与响应面耦合优化模型。分析与试验结果表明:较标准混合比燃烧时,稀薄燃烧发动机的进排气提前角减小,点火正时提前,最低燃油消耗率下降3.9%,最大功率提升9.7%;同时利用响应面优化方法提高了优化效率。     

国内外燃气汽车发动机研究动向

通过对燃气汽车发动机供气方式的试验研究以及对国内外在燃气发动机领域研究成果的分析,阐述了影响燃气汽车动力性的因素,指出进气道液态LPG喷射较好地解决了充气效率下降的问题,缸内液态LPG直接喷射效果更佳,是解决LPG发动机动力性下降的有效途径之一。CNG缸内直喷技术从根本上解决了预混合方式中天然气燃料挤占进气空气造成充气效率下降的问题,可有效提高CNG发动机的动力性。LNG纯度高、存储体积小、安全可靠,续驶里程长,比CNG更具发展潜力。     

进气预热对柴油机起动过程动力性能影响的试验分析

为了改善某柴油机的起动特性,自行设计了柴油机进气火焰预热系统。利用基于时间的瞬时数据采集系统,测量了瞬时转速和缸内燃烧压力的变化规律,对不进气预热和进气预热条件下柴油机的起动特性进行了试验研究。试验结果表明:采用进气预热系统后,进气温度升高了18.5℃,柴油机起动过程中转速升高率增大,起动时间明显缩短;输出扭矩增大且波动明显减小;各个循环的最大燃烧压力升高且波动减小,燃油的着火滞燃期明显缩短,其着火过程中发生后燃、循环失火的概率明显减小,燃烧过程进行得更加充分,极大地改善了柴油机的起动性能。