柴油微引燃双燃料发动机燃烧及排放特性研究

为改善柴油微引燃双燃料发动机的燃烧过程、经济性及排放特性,通过数值仿真方法研究了大负荷工况下喷油策略、废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)及进气门晚关(Late Intake Valve Closing,LIVC)对柴油微引燃双燃料发动机缸内燃烧及排放特性的影响。结果显示:随着预喷时刻提前,缸压和放热率峰值降低,NO_(x)排放量降低,但预喷时刻过早导致缸内燃烧状况恶化,热效率下降。随着主喷时刻提前,缸压和放热率峰值先升高后逐渐降低,碳烟、碳氢化合物(Hydrocarbon,HC)和CO排放量先逐渐降低后略微升高,NO_(x)排放量先增多后减少;燃烧相位受主喷时刻的影响较大,合理调节主喷时刻可有效控制天然气/柴油反应活性控制压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)燃烧相位和污染物排放。随着EGR率增加,缸压及放热率峰值减小,缸内温度降低,燃烧相位推迟,有利于发动机向更高负荷范围拓展。当进气门晚关角度为0时,EGR率从32%增至48%,NO_(x)排放量下降66.21%;当EGR率大于40%后,碳烟、HC和CO排放量随EGR率增加而急剧升高。随着LIVC增大,缸压峰值和放热率峰值显著下降,指示热效率和NO_(x)排放量逐渐降低,碳烟、HC和CO排放量增加。在大负荷工况下,采用合适的主喷时刻、较小的LIVC耦合较低的EGR率可提高发动机的热效率,维持NO_(x)排放量较低的同时能有效减少碳烟、HC和CO排放量。

柴油机进气门晚关系统关键参数对进气性能的影响研究

针对DK4A柴油机电液进气门晚关机构,建立了柴油机的数值模型,分析最大升程限位下进气迟闭角对柴油机进气质量流量的影响,研究了附加升程限位与进气迟闭角对进气状态参数的影响。研究表明,最大附加升程限位对进气质量流量影响很小,相同进气迟闭角度下的进气流量变化率均小于3%,且随着进气迟闭角度的增大,进气流量减小;进气迟闭角增大有利于增长滞燃期,降低压缩终了的压力和温度,而最大附加升程限位对压缩终了温度和压力影响很小,在相同进气迟闭角下的温度和压力的变化率均小于5%。

进气门晚关与高压缩比技术在汽油机上的应用

针对混合动力汽车用发动机的特点,通过模拟和试验相结合的方法,研究了进气门晚关与高压缩比对汽油机部分负荷性能的改善作用以及由于发动机参数变化对外特性的影响.研究结果表明：部分负荷应用进气门晚关与高压缩比可在排放变化不大的前提下使发动机油耗降低4%～10%;进气门晚关控制负荷有效降低了泵气损失,配合几何压缩比的提高和点火提前角的优化,实现了较好的燃烧性能,提高了膨胀比;综合作用下使得有效热效率提高;较长进气持续期和较大几何压缩比的应用使得外特性扭矩降低2%～5%的同时,油耗平均5%.

米勒循环改善增压直喷汽油机热效率的机理分析——部分负荷工况分析

基于热力学第一定律和一维发动机循环仿真,对进气阀早关(EIVC)与进气阀迟关(LIVC)两种策略实现的米勒循环进行建模,在部分负荷工况下分别对应用高压缩比及EIVC和LIVC改善一款增压直喷汽油发动机热效率的效果及其机理进行比较分析。研究结果表明:提高几何压缩比增加了发动机的理论热效率从而改善了油耗,无论采用EIVC还是LIVC策略的米勒循环,都可以减小泵气损失,提升机械效率,同时降低缸内传热损失,进一步促进了米勒循环对油耗的改善。对比分析采用EIVC与LIVC时发动机热效率的影响因子发现,EIVC由于具有更高的机械效率和更少的传热损失,其油耗改善程度优于LIVC。

高负荷下应用米勒循环提升高压比汽油机热效率机理研究

对高负荷工况下应用进气阀早关(EIVC)或者迟关(LIVC)技术实现的米勒循环进行仿真计算,基于热力学第一定律比较分析两者改善高压缩比增压直喷汽油机热效率的机理。结果表明:几何压缩比的增加提高了发动机的理论热效率,但由于高负荷时的爆震限制使油耗恶化了1.9%;米勒循环的应用可以有效降低爆震倾向,与原发动机相比,采用EIVC与LIVC策略燃油经济性的分别提升2.4%和3.0%;对比分析EIVC与LIVC对汽油机热效率的影响发现,LIVC策略能使燃烧相位更加优化、缸内燃烧更为充分,使得其燃油改善效果好于EIVC策略。

进气门晚关与两次喷射协同作用对柴油机中转速中等负荷的影响

通过对一台高密度-低温燃烧(HD-LTC)柴油机在1,600,r/min和1,900,r/min、中等负荷(50%负荷,平均有效压力为1.0,MPa)下进行研究,分析了进气门晚关(IVCA)机构在开启或关闭状态下及IVCA机构在开启条件下采用主喷加后喷策略对发动机的燃烧、排放和热效率的影响.结果表明:与未开启IVCA相比,HD-LTC柴油机在开启IVCA结构时,NOx与soot的折中排放大幅降低,同时有效热效率上升.采用主喷加后喷策略后,当后喷比例和定时适当时,soot排放大幅降低,NOx排放也略有下降.与1,600,r/min相比,1,900,r/min的最优后喷比例较低且定时较早,表明中等负荷下转速从中到高的变化过程中,同时降低后喷比例和提前后喷定时,有利于获得更优的排放效果.

进气门晚关对柴油HCCI燃烧和排放影响的数值模拟

将包括完整发动机循环的三维计算流体力学(CFD)模型与详细反应动力学机理耦合,研究进气门晚关(LIVC)对柴油均质压燃(HCCI)发动机燃烧和排放的影响。结果发现,使用LIVC可降低有效压缩比,进而有效地控制着火点并显著降低氮氧化物(NOx)排放,由于降低了燃烧温度和缸内缺少氧气,会增加碳烟、碳氢(HC)和一氧化碳(CO)的排放。为揭示LIVC策略降低柴油HCCI发动机排放的潜力,进一步通过在调整进气门关闭定时的情况下,研究了进气压力、废气再循环(EGR)率和喷油定时(SOI)的影响。计算表明,通过LIVC和增加进气压力可实现NOx的超低排放,保持较低的碳烟、HC和CO排放,但在运行过程中需要足够的EGR量和优化的喷油定时加以辅助。在部分负荷下,通过使用260°CA的进气门关闭时刻、0.18MPa的进气压力、50%的EGR量和20°CABTDC的喷油定时,可避免NOx和碳烟的排放。

基于进气门晚关和EGR的协同作用在两种燃烧模式下对柴油机排放和热效率优化

在一台直列6缸重载柴油机高速低负荷工况进行了试验,在缸内早喷和晚喷两种燃烧模式下,使用进气门晚关(LIVC),并调整喷油定时和EGR率对柴油机排放和热效率进行了优化.结果表明:使用LIVC后,与EGR能产生协同作用,使缸内氧浓度和高温区域减少,有效降低NOx排放,同时延长了滞燃期;早喷模式中,适当降低EGR率来控制燃氧当量比增加,使滞燃期增长成为影响Soot排放的主导因素,NOx和Soot排放比未使用LIVC时分别减少29%和35%;晚喷模式中,延迟喷油定时,增加EGR率,滞燃期进一步增长,与未使用LIVC相比,NOx和Soot排放分别减少30%和94%;两种模式中都获得了极低的排放值.同时,LIVC使泵气损失率减少,两种模式中有效热效率均提高约2%,晚喷模式有效热效率比早喷模式低2%～3%,但拥有更低的压力升高率.

进气歧管长度与气门晚关角对动态效应影响的对比研究

进气歧管长度和进气门晚关角是两个影响充气动态效应的重要因素。从调节机理上分析,前者较简单而后者较复杂,但后者的应用范围更加广泛,对于此原因的探讨在现有资料中较少。采用AVL-BOOST软件,建立了某款发动机的热力循环模型,对比分析了两者在提高充气效率上的差异及产生差异的根源。模拟结果及原因分析表明:匹配适当长度的歧管,增强了进气道压力波动效应,从而提高了正向进气量,但无法控制进气倒流量;而合理的进气晚关角不仅充分的利用了惯性效应,增加了正向进气量,而且很好地控制了进气倒流量。因此,在利用充气动态效应,提高充气效率,提升发动机性能方面,调整进气晚关角所产生的效果优于改变进气歧管长度所产生的效果,从而说明了调整进气门晚关角应用更为广泛的根本原因。

进气门晚关机构和EGR模式对两级增压柴油机热效率和排放的影响

在低速中等负荷工况下对一台装有高压级带VGT的两级涡轮增压器(VGT+TC)的直列6缸重型柴油机进行了试验研究,对比分析进气门晚关机构(LIVC)开启与不开启、高压EGR系统(HP EGR)与低压EGR系统(LP EGR)以及不同VGT开度对柴油机热效率和排放的影响.研究表明,使用LIVC后,与EGR能产生协同作用,使缸内氧浓度和高温区域减少,有效降低NOx排放,同时延长滞燃期,当量比分布更加均匀,可有效降低碳烟排放,但碳烟排放对应EGR率变化存在一个临界EGR值,超过临界EGR率后,碳烟排放变差.使用LIVC对有效热效率的影响很小.在相同EGR率下,采用低压EGR系统时,具有更好的NOx和碳烟折中排放,同时有较高的有效热效率.

进气门晚关机构对高增压柴油机排放与热效率的影响

以某重型柴油机为研究对象，在低速中等负荷工况，通过对比进气门晚关机构开闭两种状态对两级增压系统匹配关系的影响，分析其对柴油机排放和热效率的影响。研究表明，喷油定时（上止点后－2．5°～8．5°）和EGR率（0％～21％）恒定时，使用进气门晚关（IVCA ）机构后 HC排放降低，有效热效率下降。当喷油定时不变， BNOxdif与 BCOdif随着EGR率的增加而减少；当EGR率保持恒定时，随着喷油定时增加，BCOdif呈现先增加后减小的趋势，拐点在4．5°～6．5°（ATDC）之间；同时，开启IVCA机构后，EGR率在15．29％～21．16％，喷油定时在－2．5°～8．5°（ATDC）范围内，Bsootdif均小于0。在保证喷油定时恒定时，EGR率越大，Bsootdif越小。当量比在0．42～0．52范围内，保持喷油策略不变，使用IVCA机构致使进气流量减少，若当量比在原状态的基础上增加超过0．07，即可克服由于流量减少导致柴油机缸内平均温度和燃烧持续期增加对NOx 生成的负面影响。

相位偏差对米勒循环发动机性能的影响及其控制

为精确控制米勒循环发动机相位偏差,分析相位偏差对米勒循环发动机功率、转矩和比油耗的影响,提出米勒循环相位偏差的控制目标,分析发动机相位偏差的来源,提出相位偏差控制方案。试验结果表明:米勒循环发动机对相位偏差更加敏感,相位偏差需要控制在曲轴转角±1°范围内。采用相位测量设备测量米勒循环发动机实际相位,根据实际相位和电子控制单元的预设相位对比,进行偏差补偿,实现精准控制。大量在线测量结果表明,测量凸轮升程位移精度为0.001 mm,相当于相位偏差在曲轴转角1°以内,满足米勒循环发动机相位偏差要求。

废气再循环阿特金森汽油机经济性优化算法

基于一维整机模型在3 000r·min-1部分负荷工况下对Atkinson汽油机性能进行仿真分析.结果表明,在保持节气门位置、空燃比与点火提前角不变的情况下,随着废气再循环率提升或随着LIVC(late intake valve closing)增大,发动机的油耗均呈现增大趋势.为进一步优化Atkinson发动机燃油经济性,在节气门全开条件下搭建了GT-power与MATLAB联合仿真模型,通过改进的遗传算法,对废气再循环率、进气门晚关角、点火提前角、空燃比等参数进行优化迭代,并对历代种群进行了模糊聚类分析,得出了不同负荷工况点的油耗最优值及对应的控制参数.

基于无凸轮式配气型线的汽油机低负荷性能研究

为探究无凸轮式配气型线对汽油机低负荷工况下的性能影响,提高充气效率,降低换气损失,在考虑气门响应延迟与落座冲击的前提下,首先设计了7组无凸轮式进气门型线,得到下止点后10°～100°范围内的多个进气晚关角(θIVC),将无凸轮式进气型线代入汽油机整机模型中进行计算,当充气效率最大时,进一步设计了排气早开角(θEVO)在下止点前10°～60°范围内的6组无凸轮式排气型线。分析了1 000r/min,50%负荷时,无凸轮式配气型线对汽油机性能的影响。结果表明:采用无凸轮式进气型线且当θIVC为20°ABDC时,充气效率相比原机提高9.52%;该进气相位下,进一步设计无凸轮式排气型线并优化θEVO,当θEVO为40°BBDC时,总排气损失最小,指示扭矩相比原机提升约16.88%,当θEVO为50°BBDC时,燃油经济性最佳,燃油消耗率达到260.18g/(kW·h),相比原机降低14.91%。采用无凸轮式配气型线,合理优化组合进排气相位,能够有效提高充气效率,降低排气损失,改善发动机动力性和经济性。

进气门晚关米勒循环对高强化柴油机燃烧和换气影响的研究

为了探索米勒循环技术对于燃烧和换气过程的影响,在1台高强化单缸柴油机上应用进气门晚关米勒循环进行了试验和仿真研究。进气门关闭时刻分别为上止点后-110°CA(原机)、-86°CA和-70°CA.发动机试验在转速3 600 r/min、指示升功率77 k W/L、过量空气系数1. 6的高强化运行工况下展开。通过对试验平台建立一维热力学计算模型进一步分析了米勒进气相位对换气过程参数的影响。研究结果表明:随着进气门关闭时刻的推迟,由于有效压缩比的降低,缸内压缩终了工质温度和压力均显著下降,在相同功率条件下最大燃烧压力和温度、最大压力升高率、排气温度均显著下降,有助于降低高强化柴油机缸内的热力负荷;随着进气门关闭时刻的推迟,压缩过程中的米勒损失和进气回流率增加,充量系数、泵气损失均下降;进气门晚关的米勒循环还明显降低了NO_x排放,改善了燃油消耗率。

柴油机凸轮-液压式气门启闭特性实验研究

自主开发一套电控液压进气门晚关机构(EHLIVC),将该机构应用在DK4A柴油机缸盖上,并搭建EHLIVC系统的试验台架,通过实验研究供油压力和控制脉宽对EHLIVC系统的气门启闭特性的影响规律。研究发现:供油压力对附加升程关闭动作完成时间影响很小,但供油压力对气门附加升程开启动作完成时间影响明显,附加升程开启动作完成时间随供油压力的增大而呈现线性减小的趋势;供油压力对附加升程开启延迟影响不大,但对附加升程关闭延迟影响明显,供油压力越大,关闭延迟越小,供油压力超过4.5 MPa时,关闭延迟基本保持不变;控制脉宽对附加升程开启、关闭延迟影响均不大,但对附加升程开启持续时间影响明显,附加升程开启持续时间随脉宽的增大而呈现线性增长的趋势。

无凸轮式配气相位优化设计及发动机性能仿真研究

为探究无凸轮式配气相位的设计方法及应用无凸轮式配气相位后发动机性能的变化情况,搭建了发动机一维仿真模型,通过试验验证了模型的准确性。在原机配气相位的基础上进行无凸轮式配气相位的优化设计,以最低排气损失为目标,设计了排气提前角为0~57°CA BBDC的7组无凸轮式排气门升程曲线。以最大充量系数为目标,设计了进气门迟闭角为0~37°CA ABDC的5组无凸轮式进气门升程曲线,探究了转速及进气压力对最佳排气提前角、最佳进气门迟闭角的影响规律。结果表明:采用无凸轮式排气门升程曲线,随着排气提前角的不断增加,推出损失先减少后增加,膨胀损失不断增加。为使排气损失最小,可适当减小排气提前角。为了增大充量系数,同时防止过多充量被反推至进气管,可使进气门开启持续期缩短;转速与进气压力的变化对最佳进气门迟闭角影响不大。

阿特金森循环发动机性能及NOX排放试验分析

以某1.6 L奥托循环发动机为基础,通过提高活塞压缩比、增大进气凸轮工作包角,并进行优化标定,将其改型设计为阿特金森循环发动机。试验测试表明,在外特性工况下,阿特金森循环发动机相对于原机动力性降低;但在部分负荷工况下,阿特金森循环发动机进气歧管压力有所提高,燃油消耗率降低了3.6%,能够改善发动机燃油耗费和NO_(X)排放。

发动机进气门晚关对于进气过程的影响研究

进气门晚关系统可以活塞上行的压缩过程中仍然保持进气门开启,使一部分气体排出缸外,从而降低进气量和降低有效压缩比。研究了不同的进气门晚关角度对于进气量的影响规律,研究结果表明进气门关闭越迟,活塞上行过程中排出的气量越多,相同进气压力下的进气量越少。同时,在相同的进气门晚关角度条件下,不同的气门型线,对于进气量的影响也有差异,气门晚关过程中的气门升程越高,活塞上行过程中排出的气量也越多。