气门参数对汽油机可控自燃燃烧控制作用的数值模拟

通过可变气门机构使部分燃烧废气保留在缸内,是实现汽油机可控自燃(controlled auto-ignition,CAI)燃烧的切实可行的办法,然而多参数可调气门机构增加了控制的复杂程度.为此,利用一维循环模拟软件在Simulink环境中建立了带有进、排气门升程及定时均可控的四变量气门执行机构(4-variable valve actuating system,4VVAS)的汽油机仿真试验平台,探讨了气门各参数对循环热废气及CAI燃烧过程的控制作用及控制敏感性.研究结果表明,其他参数相同时,排气门定时对汽油机CAI燃烧的影响主要体现在缸内废气残留量及废气温度的大小,而进气门定时主要通过影响进气回流和有效压缩比来影响燃烧过程;存在一个最佳位置没有进气回流,能够取得最大负荷.在当量比燃烧时,排气门参数对发动机负荷和着火时刻的控制最为直接和有效,是汽油机CAI燃烧的重要控制参数.

可控自燃模式下负气门重叠策略与废气再吸入策略的对比分析

应用自主开发的电控液压可变配气机构在一台经过改进的单缸发动机上实现了两种EGR策略下的可控自燃着火(CAI),并对两种策略下CAI燃烧的发动机运行参数以及燃烧特征参数进行了研究。研究结果表明:在相同转速1000r/min时,NVO策略下的CAI工作区域比EGRB策略下的工作区域宽广,相位可调整范围较大;EGRB策略下的最大平均有效压力略高于NVO策略;两种策略在整个CAI工作区域内,有效热效率较高,大部分区域内的效率超过了30%,而且NOx排放水平极低;NVO策略下的燃烧始点较提前,燃烧持续期较短。

可控自燃工况离子电流信号与NO_x排放相关性

基于改造的可控自燃(CAI)发动机试验台架,采用离子电流检测系统与瞬态NOx排放分析仪,结合Chemkin-Pro软件的化学反应燃烧数值模拟,研究了可控自燃工况下离子电流与对应循环NOx排放之间的相关性.结果表明:采用不同燃料的CAI燃烧过程中,离子电流信号强度与对应循环NOx排放呈现较为明显的正相关性,且缸内离子产物出现时刻相比NOx较早,使离子体积分数峰值时刻与NOx体积分数达到最大值的时刻之间出现了相位差.由此发现,在离子电流信号质量稳定时,综合离子电流信号强度与离子电流峰值相位的信息,能够实现循环内的NOx排放估测与反馈,为循环内的燃烧优化及后处理系统精确控制提供了参考依据.

排气道废气再循环策略下实现汽油可控自燃的气门定时区域

在装备有电控液压驱动可变气门机构的单缸机试验系统上,研究了使用排气道废气再循环（EGR）策略实现汽油可控自燃（CAI）时,气门定时对汽油CAI的影响。试验结果表明,在转速1000 r/min、过量空气系数λ为1条件下,采用进气门开启定时不变时（IVO=40°CAATDC）排气门关闭定时,（EVC）在126-176°CA ATDC范围内能够实现汽油CAI;采用EVC定时不变（EVC=146°CA ATDC）时,IVO在28-60°CA ATDC范围内也能够实现汽油CAI。EVC对从排气道吸入的废气的影响要大于IVO。在能实现汽油CAI的气门定时区域内,IVO变化范围仅为45°CA,EVC变化范围可达120°CA。

四变量气门执行机构可控自燃汽油机稳态性能及过渡过程

利用一维循环模拟软件GT-Power,在Matlab-Simulink环境中建立了带有进、排气门升程及定时都可调节的四变量气门执行机构(4VVAS)的汽油机可控自燃(CAI)燃烧仿真试验平台,对不同气门参数下4VVAS-CAI汽油机的稳态性能和过渡过程进行了预测和试验验证.研究表明,在4VVAS-CAI汽油机稳态运行过程中,不同的气门运动规律组合方式可以取得相同的汽油机负荷,但指示燃油耗(ISFC)不同.着火时刻是影响ISFC的关键因素,而在着火时刻相差不大时,进气回流和泵吸损失是影响ISFC的主要因素.在过渡过程中,合理地同时调节4VVAS的气门升程和定时更有助于实现汽油机负荷的快速过渡.

气门升程对可控自燃汽油机混合及着火过程的影响研究

利用可变气门机构可以将燃烧废气保留在缸内,从而实现稳定的汽油机可控自燃燃烧。利用K IVA软件研究了相同发动机转速和气门定时下,不同气门升程下的缸内混合及着火过程。研究结果表明,大气门升程下的进气射流速度和湍动能较高,缸内废气和温度分布更加均匀。在进气及压缩过程初期,缸内温度分布与废气分布一致,但在接近上止点处时,受混合气低温自燃放热的影响,温度分布与废气分布的相关度降低。着火前缸内高温区域主要分布在燃烧室中心,大气门升程下的高温区域多,更有利于着火和燃烧过程。

汽油机火花点火-可控自燃混合燃烧的主动抗扰自趋优控制

火花点火-可控自燃(SI-CAI)混合燃烧对边界条件非常敏感,针对其燃烧相位和放热过程的瞬态控制难题,笔者提出一种基于燃烧模型的前馈、即时扰动观测反馈和累积观测校正相结合的主动抗扰自趋优控制算法.首先,通过引入点火角修正因子和模型参数自学习因子,发展了具备自学习能力的SI-CAI混合燃烧预测模型,并构建了CA 50、IMEP和过量空气系数φa的前馈控制算法.其次,为补偿模型的偏差和外部环境条件的随机干扰,提出了基于扩张状态观测器的扰动即时观测算法.最后,为不断校正模型参数自学习因子,改善前馈效果,提出基于递推最小二乘法的累积观测器.对提出的控制算法进行仿真和台架验证,结果表明:IMEP可在3~5个循环内完成阶跃,该过程中CA 50波动幅度不高于4°CA,φ_(a)偏差小于0.08,满足控制要求.

可控自燃光学发动机系统设计与开发

设计开发了可实现火花点火和可控自燃的光学发动机系统。在1台金属发动机上设计了带有光学窗口的加长活塞、加长缸套,实现了缸内光信号的可视化;设计了缸盖和缸体之间的带有激光出入射窗口的环垫,实现了可用激光激发缸内工质的光学通路。基于Intel 80c196KC单片机设计了光学发动机电控系统硬件电路和软件程序,配合安装在进排气门上的无凸轮全可变配气机构,可以灵活地控制进排气门定时,从而可在光学发动机内实现不同废气再循环策略下的可控自燃。试验表明,光学发动机系统运转良好,为在光学发动机上进行的光学测量提供了基础。

电控液压可变气门机构性能及应用

自主开发了一套电控液压驱动可变气门机构,并将该机构成功地应用于汽油可控自燃（CAI）试验系统.通过试验考察了不同驱动工作压力下和不同工作介质温度下电控液压驱动可变气门机构系统的可靠性与稳定性.研究发现,工作介质温度与压力对气门机构的开启、关闭性能存在影响,当工作在311~313 K气门的开启延时均值与标准差较小、而工作压力在7～9 MPa时最大气门升程波动较小.通过气门特性研究发现,电液气门的开启、关闭迅速,随着工作压力降低,气门开启速度与加速度减小,整个工作过程较为柔和.在气门试验的基础上,通过控制进、排气门定时变化,实现了燃烧室EGR策略、排气道EGR策略的CAI燃烧.

电控液压驱动可变气门机构的应用研究

在1台装备了自主开发的电控液压驱动可变气门机构的进气道喷射单缸试验发动机上，成功地实现了汽油机SI燃烧和可控自燃（CAI）燃烧。研究结果袁明，采用自主研制的电液无凸轮轴气门机构能够实现可变气门定时及可变气门开启持续期；该机构在SI模式下能满足发动机的动力性要求且燃油经济性和CO，HC排放有所改善；通过排气门早关、进气门晚开策略，在转速为1000r／min、过量空气系数为1的工况下，进气门开启506～511°CA，排气门关闭242～278°CA气门正时范围内实现了CAI燃烧，CAI燃烧获得的最大平均有效压力可迭0．395MPa。

火花助燃CAI混合燃烧控制

针对汽油机CAI燃烧面临的主要难点——着火时刻控制、运行工况范围狭窄及燃烧模式转换问题,在CAI发动机运行负荷上边界采用火花助燃的方法,可灵活控制CAI发动机在负荷上限运行时的燃烧相位,抑制大负荷时CAI燃烧所遇到的爆震和小负荷时的燃烧不稳,可以拓展CAI运行的工况范围.点火时刻、缸内残余废气率和有效压缩比都对火花助燃CAI燃烧过程有重要的影响.通过对缸内残余废气快速管理,可以有效控制SI和CAI燃烧所占的比例.

燃烧室EGR策略下气门升程对CAI燃烧的影响

在装备电控液压驱动可变气门机构的单缸试验发动机上,研究了燃烧室EGR策略下气门升程对汽油机可控自燃(CAI)燃烧的影响。研究结果表明:在1 000r/min、过量空气系数为1、气门定时一定的工况下,随着气门升程的增加,EGR率下降,负荷增加,燃烧始点滞后,燃烧持续期增长。在不同气门升程下,CAI燃烧定时区域范围有所差别,气门升程越小所能实现的负荷越小。通过燃烧室EGR策略结合气门升程可拓展CAI燃烧的负荷下限。

燃烧室EGR策略下汽油CAI燃烧试验Ⅰ:气门定时影响及实现CAI燃烧定时区域

燃烧室EGR策略是实现可控自燃(CAI)的一种有效技术手段.在装备电控液压驱动可变气门机构的单缸机试验系统上,研究了使用燃烧室EGR策略实现CAI燃烧时,进、排气门定时对汽油CAI燃烧的影响.试验结果表明,在1,000,r/min采用对称负气门重叠角(NVO)定时变化时,在NVO为140～240°CA内能够实现CAI燃烧,采用非对称的NVO定时变化,可以拓宽实现CAI燃烧的NVO范围,改善CAI燃烧状态.此外,排气门关闭定时对缸内残余废气量的影响要大于进气门开启定时,在能实现CAI燃烧的气门定时区域内,排气门关闭角(EVC)变化范围较小为50°CA,进气门开启角(IVO)变化范围可达200°CA.

内燃机燃烧研究的新进展

20 0 4年后对NOx排放的要求更加严格 ,采用以下两种措施有望达到法规要求。一种是使用NOx后处理器 ,另一种是改变柴油机扩散燃烧过程。本文介绍了柴油机燃烧过程研究的新近展情况 ,包括均匀充量压缩燃烧 (HCCI)、可控自燃 (CAI)、预混合稀气燃烧 (PREDIC)和调谐动力 (MK)

火花点火对CAI燃烧过程的影响(英文)

CAI燃烧具有高效节能和低NOx的优点,但CAI燃烧也存在燃烧始点和放热率难以控制的难点。通过添加火花点火的方法,在缸内制造热点,产生有助于CAI燃烧的着火条件,从而达到了控制CAI燃烧始点的目的。试验表明,在添加火花点火后,着火滞燃期明显缩短,CAI着火及燃烧更稳定,并对经济性有一定改善。火化辅助点火也有利于CAI运行范围向更低负荷方向拓展。因此,火花点火可以作为控制CAI燃烧的一种辅助手段。

基于NVO策略的CAI工质分层特性的模拟研究

应用通用流体计算软件STAR-CD建立了可控自燃(CAI)发动机模型,重点分析了负气门重叠(NVO)策略10°CA BTDC时工质的分层特性。研究了不同配气定时以及不同气门升程工质分层程度的变化规律以及影响因素,对自燃着火区域进行了统计分析。计算结果表明:随着进气门开启(IVO)时刻的逐渐推迟,工质分层程度增强,自燃着火区域体积变大;随着气门升程的逐渐变大,工质分层程度增强,自燃着火区域体积变大;工质分层程度主要受进气门关闭(IVC)时刻总湍流动能值的影响。总湍流动能值越大,混合越剧烈,压缩末期工质均匀性增强,分层程度减弱;压缩末期自燃着火区域体积的变化趋势与工质分层程度的变化趋势相同。

不同EGR策略对汽油CAI发动机影响的模拟

利用CHEMKIN与GT-Power软件搭建汽油可控自燃（CAI）发动机一维仿真平台,对不同的内部EGR策略对CAI燃烧影响进行了模拟研究。主要考察了低转速、大气门升程条件下,燃烧室EGR策略、早期排气道EGR策略和排气门二次开启策略对汽油CAI换气过程的影响。研究结果表明：在进气门开启（IVO）定时为60～120°CA ATDC和排气门关闭（EVC）定时为60～120°CA BTDC定时区域内,通过燃烧室EGR策略可实现CAI燃烧,区域内EGR率等参数受排气门早关和进气门晚开的共同作用,呈现类双曲线分布。在IVO为15~55°CA ATDC和EVC为90～220°CA ATDC定时区域内,早期排气道EGR策略受到排气门晚关和进气门晚开定时的共同作用。排气门二次开启策略则主要受排气门二次开启定时与进气门早关定时的影响。

燃料辛烷值对CAI燃烧特性影响的研究

利用异辛烷与正庚烷配比不同辛烷值燃料,在快速压缩机上进行可控自燃(CAI)燃烧试验,研究了不同边界条件下燃料辛烷值对CAI燃烧特性的影响规律。结果表明,在其他边界条件不变的情况下,随着燃料辛烷值的增加,最大压力升高率降低,最大压力升高率出现时刻延迟,燃烧温度开始迅速上升的时刻延迟,燃烧温度的最大值减小,燃烧始点延迟,燃烧持续期延长。

排气道EGR策略对CAI燃烧过程影响的模拟研究

通过一维流体动力学软件GT-Power与化学动力学软件CHEMKIN联合模拟发动机循环,建立乙醇燃料排气道EGR模型,研究了发动机CAI燃烧的控制因素。分析了排气道EGR策略中的排气门晚关、进气门晚开和进气门开启时刻与排气门关闭时刻同时变化3种配气定时方案对EGR率的影响。由模拟计算可知排气道EGR策略对发动机缸内的换气过程、燃烧过程有强烈的影响。模拟结果表明:随着排气门逐渐晚关,EGR率增大,进气门关闭时刻缸内温度升高;进气门晚开策略中,EGR率受进气回流的影响较大;排气门晚关、进气门晚开同时变化策略扩大了CAI燃烧的EGR率范围;适当的EGR率有利于CAI燃烧的实现,EGR率过低或过高将导致失火和爆震,在不同的转速下EGR率的分布也不相同。

排气道EGR策略下CAI燃烧缸内工质混合状态的模拟研究

利用三维设计软件Catia以及三维流体计算软件Fire建立了CAI发动机模型,着重研究了排气道EGR策略下压缩行程缸内工质的混合状态。结果表明,在压缩行程初期缸内工质呈如下混合状态:混合工质处于弱流动阶段,速度场分布均匀;缸内混合工质湍流动能小;缸内汽油浓度场分布不均,进气门一侧浓度大,排气门一侧浓度小;缸内工质的温度场与浓度场分布相反,进气门一侧缸内温度低,排气门一侧缸内温度高。随着活塞的上行,缸内混合工质流速和湍流动能先增大后减小,混合工质的浓度场和温度场越来越均匀。