快速控制原型技术压缩天然气直喷发动机的研究分析

为了提高快速控制原型技术的系统开发效率,促进压缩天然气发动机性能的提升,实现压缩天然气发动机的缸内直接喷射,笔者坚持理论联系实际,通过测试直喷喷嘴流量,设计其燃气供给系统,从而完善了直接喷射天然气的控制措施。本文主要分析缸内直接喷射天然气方式的优势,旨在提高发动机输出水平。

基于快速控制原型技术的压缩天然气直喷发动机控制

为提高压缩天然气发动机的性能,采用快速控制原型技术实现了压缩天然气发动机的缸内直接喷射.根据实际应用要求,测试了直喷喷嘴的流量特性,设计了压缩天然气直喷发动机燃气供给系统,制定了缸内直接喷射天然气的控制策略.结果表明:采用缸内直接喷射天然气的方式,压缩天然气发动机的输出扭矩可以达到同类汽油发动机的输出水平,当转速为2 500 r/min时,功率损失为0.006%,基本与汽油发动机相同.

压缩天然气缸内直喷发动机喷射方式对混合气形成及燃烧特性影响的模拟

利用FIRE软件仿真分析了将压缩天然气(CNG)燃料按不同喷射方式直接喷入气缸时对微观物理场及火焰传播机理和NO生成规律的影响。结果表明:CNG燃料的混合气形成机理取决于其喷入气缸后相对缸内空气的分离速度,喷射时刻通过控制喷射过程中向气缸喷入的动能来抑制天然气相对空气的分离速度,从而决定浓度场的分布;当早期喷射时缸内易形成上浓下稀的浓度分布,晚喷射时则易形成下浓上稀的混合气;NO的生成速率取决于当时当地的一定的混合气浓度和温度,当当量比或温度偏离某一范围时NO生成速率几乎为零;而NO的最终生成量取决于NO的生成速率、生成区域面积的大小以及生成反应持续时间。

压缩比对直喷天然气发动机燃烧与排放特性的影响

在缸内直喷火花点火天然气发动机上开展了压缩比为8、10、12和14的燃烧和排放特性研究。研究结果表明,压缩比对发动机性能、燃烧和排放有较大影响。压缩比增加,发动机充量系数增加,燃烧速率加快,热效率提高。缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度和最大压力升高率等燃烧参数随压缩比的增加而增加;HC和CO排放随压缩比的增加而降低,NOx随压缩比的增加而增加。压缩比过高会导致HC排放的增加,当压缩比大于12时,发动机在中高负荷出现轻微爆燃现象,NOx排放明显增加。综合考虑直喷式天然气发动机的动力性、经济性和排放性能,认为发动机的最佳压缩比设置在12比较合理。

直喷式天然气发动机不同压缩比下燃烧循环变动规律

开展了不同压缩比下天然气直喷发动机燃烧循环变动特性研究.结果表明,低压缩比(ε=8),会出现部分燃烧循环,平均指示压力小,循环变动系数大.随着压缩比的增加,平均指示压力循环变动减小.压缩比大于12后,大负荷工况时发动机出现轻微爆燃,燃烧循环变动增加.平均指示压力反映出的燃烧循环变动比缸内最大压力反映出的循环变动效果更明显.火焰发展期、主燃烧期和燃烧持续期随压缩比增加而缩短是燃烧循环变动降低的一个重要原因.平均指示压力与火焰发展期、主燃烧期及燃烧持续期有好的相关性.火焰发展期的循环变动是天然气直喷发动机燃烧循环变动的主要原因之一.与均质混合气燃烧循环变动主要是由火焰发展期循环变动决定有所不同,缸内直喷燃烧的循环变动是由火焰发展期和燃烧后期循环变动共同作用的结果.

压缩天然气对汽车发动机性能的影响研究

在我国工业化城镇化进程加快的今天,汽车工业及其与之配套的产业也得到了长足发展。随之而来的资源紧缺及环境污染等也成为不可忽略的问题。在汽车生产企业中,寻求新的环保材料以提升产品性能,以压缩天然气的推广和使用,对汽车动力供给系统加以改装,并达到节能减排的效果。结果表明,压缩天然气应用后可大幅度提升汽车发动机的环保和经济性能。

利用快速压缩装置进行直喷天然气发动机燃烧特性的研究(英文)

利用快速压缩装置开展了直喷天然气发动机燃烧特性的研究 ,分析了 3种不同喷射方式下的燃烧特性并与均相混合气燃烧进行了对比。研究结果表明 :直喷天然气燃烧比均相混合气燃烧的最大压力高 ,在宽广的当量比范围内具有短的火焰发展期和快速燃烧期 ,其燃烧放热率和压力升高率基本上与喷射方式无关。喷射方式与均相混合气相比 ,燃烧放热率快 ,压力升高率大。缩短喷油和点火间的时间间隔将缩短火焰发展期和快速燃烧期 ,其时间间隔的优化对直喷天然气发动机极为重要。直喷天然气发动机的燃烧方式为预混控制充量分层燃烧 ,此燃烧方式燃烧速率快 ,排放低。

压缩天然气缸内直喷发动机的现状及发展趋势

天然气作为车用发动机的一种重要的"清洁燃料"日益受到人们的重视,天然气汽车在国内外均获得了较快的发展。本文简述了清洁代用燃料天然气的优缺点,以及直喷发动机的优点和目前的技术难点。最后分析了将两者相结合的天然气缸内直喷技术的特点以及国内外的研究现状和发展趋势。

不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性

开展了天然气高压缸内直喷发动机不同喷射时刻时的燃烧特性研究。研究结果表明:燃料喷射时刻对发动机性能及排放有较大影响,喷射太迟会导致天然气和空气混合时间短,混合效果差,燃烧持续期长,放热速率慢。喷射过早会导致充量系数下降,燃料容易进入燃烧室狭缝间隙处,造成较高的HC排放。对于给定转速,发动机存在一个最佳燃料喷射提前角,此时缸内最高压力值最大,最大压力升高率和最大放热率最大,放热速率快,燃烧过程等容度好,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期短,发动机热效率高,HC、CO排放也维持较低水平。

天然气缸内直喷发动机燃烧循环变动特性研究

开展了天然气高压缸内直喷发动机的燃烧循环变动特性研究。研究结果表明,小当量比工况下(<0.4),会出现失火循环和部分燃烧循环,平均指示压力pmi值低,pmi的循环变动系数大,大当量比工况下pmi的循环变动系数小。最高气缸压力高的循环燃烧速率快、燃烧过程的等容度好。最高气缸压力与其对应的曲轴转角之间、最高气缸压力升高率与其对应的曲轴转角之间、最高气缸压力和pmi之间都存在着一定关系。最高气缸压力与火焰发展期、快速燃烧期也存在很好的对应关系。高的最高气缸压力对应着短的火焰发展期和短的快速燃烧期。循环的累积放热量越大则pmi越大,pmi的大小与累积放热量的大小存在对应关系。

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。

直喷天然气发动机稀薄燃烧特性的仿真试验

在缸内直喷压缩天然气(Compressed natural gas,CNG)试验样机进行火焰传播特性可视化研究的基础上,仿真计算分析了不同喷射方式和不同点火方式对缸内浓度场、温度场等微观物理场的影响,以及这种微观物理场对NO生成规律的影响。结果表明:缸内浓度场的分布特性直接影响火焰传播速度和温度场,是控制稀薄燃烧过程的关键,可通过喷射方式来控制;点火方式主要改变温度场由此影响NO的生成规律;浓度梯度越大,火焰传播速度越快,稀薄燃烧稳定性越好;通过双点点火方式可以有效控制火焰传播速度。

燃油喷射正时对直喷式天然气发动机性能的影响(英文)

使用快速压缩装置研究了燃油喷射正时对直喷式天然气发动机性能的影响。研究结果表明 ,提早喷射(喷射正时 6 0 ms)会降低燃烧初期放热速率而增加后期放热速率 ;推迟喷射 (喷射正时 75 ms)会增加燃烧初期放热速率而降低后期放热速率 ;在喷射持续期结束时 (喷射正时 80 ms)点火放热持续期最短 ;提早喷射增加火焰发展期而推迟喷射会增加后燃期 ;在当量比相同且大于 0 .8的条件下 ,提早喷射会产生相对量低的CO,而推迟喷射会产生相对量高的 CO;在当量比为 0 .6～ 0 .8时 ,不同喷射正时条件下 NOx 均较高 ,喷射推迟 NOx 降低 ;在当量比为 0 .5～ 0 .8时 ,燃烧效率较高 ,当量比小于 0 .5或大于 0 .

压缩天然气和液化石油气发动机电控喷气技术研究

将压缩天然气（ＣＮＧ）和液化石油气（ＬＰＧ）气体燃料用作发动机燃料，采用缸外预混合的供气方式，其发动机功率损失和动力性降低，已成为推广使用中的难题。吉林工业大学内燃机研究所采用喷射技术，电控技术和计算机模拟技术，对进气门处喷射和缸内喷射的ＣＮＧ和ＬＰＧ发动机在整机性能，特别是动力性以及燃烧特性方面与汽油机的对比进行了系统的研究。研究表明，充气系数降低是缸外预混合式天然气发动机功率下降的主要原因。缸内直接喷气可大幅度提高充气系数；采用缸内喷气技术可恢复天然气发动机功率；提高压缩比可以提高天然气和ＬＰＧ发动机的动力性和经济性，使功率下降得以部分补偿。研究成功了电控气体喷射器的驱动电路和高能点火系统驱动电路，解决了点燃式发动机强烈干扰问题。

车用压缩天然气组分对天然气发动机燃烧、排放影响的计算分析

根据我国天然气组分变化的情况,采用双区模型模拟计算的方法,研究了在过量空的系数为1时,天然气组分变化对火花点火式发动机燃烧压力、燃烧温度及CO_2、CO、NO排放特性的影响。计算结果表明:干天然气、具有我国平均组分的天然气和凝析气,其组分的变化对动力性影响不大,主要影响排放特性;但如果天然气中含有过多的低热值燃料或惰性气体(但仍符合我国的天然气成分标准),则同时对动力性和排放特性产生明显的影响。将计算结果与我国的汽车用压缩天然气标准中的技术要求进行了对比,指出了我国车用天然气技术标准的不足。

压缩天然气发动机点火驱动的设计与研究

介绍了基于电控调压器技术的压缩天然气发动机电控系统。为了实现点火正时和点火能量的精确控制,设计了单缸高能点火驱动系统。基于电路仿真的方法,采用智能IGBT元件简化了点火驱动硬件电路设计。基于32位微控制器的TPU时间处理单元,可以精确实现点火正时的控制、点火提前角的控制及点火能量的控制,软件设计了点火正时和能量的修正方法。另外设计了用点火提前角进行调速的方法。开发的CNG发动机ECU及相应的点火驱动模块,已经成功应用于CNG发动机台架试验。试验结果表明:点火驱动硬件工作正常可靠,可以精确控制点火正时和点火能量,通过调整点火提前角可以实现怠速中调速的效果。

压缩天然气单燃料发动机气门座圈材料的性能分析

针对压缩天然气(CNG)单燃料发动机在耐久性试验后气门座圈失效所造成的气门下沉量及气缸压缩压力降幅过大问题,设计了适用于CNG单燃料发动机的新气门座圈材料.将新材料气门座圈安装在发动机的第2、4缸,而第1、3缸气门座圈采用原材质不变,进行450 h耐久性试验,测量各缸的压缩压力和气门下沉量,并对发动机的气门座圈失效原因进行分析.试验结果表明:所设计的气门座圈可以满足CNG单燃料发动机的使用要求.发动机的气门座圈的失效机制为高温高压燃气环境中因高速、高温和反复冲击所引起的气门与座圈的磨损与腐蚀.

直喷式发动机燃用天然气掺氢混合燃料放热规律与燃烧特征参数分析

研究了直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的放热规律与燃烧特征参数,研究结果表明:随着混合燃料中氢气体积分数的增加,中、低负荷发动机有效热效率增加,大负荷下有效热效率高且基本上不随氢气体积分数变化;随着氢气体积分数的增加,混合燃料放热率曲线相位提前,快速燃烧期缩短,放热率增加,此现象在低转速工况下更为明显,表明气流速度较低时掺氢对提高混合燃料燃烧速率作用明显;缸内最高燃气平均温度、最大压力升高率和最大放热速率随氢气体积分数增加而增加.

缸内高压直喷天然气发动机的怠速排放特性

以一台缸内高压直喷天然气发动机为对象,在不同柴油轨压力及天然气喷射提前角条件下对CO、HC及NOx的排放量进行试验研究.结果表明:当发动机处于怠速运转,天然气在上止点附近喷入气缸时,3种轨压力下CO排放量的差异较小;当天然气喷射提前角推迟到上止点后一定角度时,CO的排放量随着柴油的轨压力升高而降低,当天然气喷射提前角提前到上止点前一定角度时,CO排放量则呈现出相反的变化趋势;随着天然气喷射提前角增大,3种轨压力下CO的排放量均降低;HC排放量随着柴油轨压力的升高而增加,随着天然气喷射提前角的增大而降低,且当柴油轨压力从18 MPa升到24 MPa时,HC的排放量增幅较大;NOx的排放量随着柴油轨压力的提高而升高,随着天然气喷射提前角的增大而升高,且当柴油轨压力从12 MPa升到18 MPa时,NOx的排放量增幅显著.

高压直喷天然气发动机HC排放

为了研究直喷天然气发动机碳氢的排放规律和影响因素,以一台电控增压直喷天然气发动机为对象,在不同工况下进行实验测试.为了分析转速、负荷、轨压和燃料喷射时刻对碳氢生成的影响,分别设计3组对比实验,在实验过程中采集示功图和碳氢排放,结合燃烧参数和排放结果分析.试验结果表明:采用过高或者过低的喷射压力均会使碳氢排放增加.在燃料喷射较晚时,碳氢排放随转速的增加而增加,在燃料喷射较早时,低转速下碳氢排放高于中高转速下的碳氢排放;中高转速下,随燃料喷射的提前,碳氢排放总体呈减小趋势,在低转速下,随燃料喷射提前,碳氢排放呈增加小幅增加的趋势.低负荷时碳氢排放明显高于中高负荷时碳氢排放;当中低负荷时,碳氢排放随燃料喷射的提前而降低,当高负荷时,碳氢排放受燃料喷射时刻的影响较小.