基于多脉冲喷射、可变增压以及推迟进气门关闭定时技术的混合燃烧控制策略

针对重载柴油机实现高效清洁燃烧进行了燃烧控制策略的研究.实验在一台拥有高压共轨系统、废气再循环系统、可变增压系统以及推迟进气门关闭定时系统的单缸实验发动机上进行.实验结果表明,当平均指示压力低于1.1,MPa时可以采用高EGR率的低温燃烧策略.其中,基于不同负荷工况高效清洁燃烧,需要配合进气增压、推迟进气门关闭定时技术以及不同的喷油模式.在低负荷工况下,单次早喷模式及高EGR率可以实现高的热效率以及低的NOx与碳烟排放.在中负荷工况下,采用多脉冲喷射模式及高EGR率协同作用,在降低化学反应速率的同时增强了混合,避免了因为局部不均匀而导致的碳烟排放过高.高的增压度提高了缸内充量密度,有效降低了NOx、碳烟、CO及HC排放,提高了热效率.研究结果还显示,在推迟进气门关闭定时系统的帮助下,采用多脉冲喷射以及高的增压压力,可以在保持高的热效率的同时进一步降低NOx以及碳烟排放.

柴油机多脉冲喷射预混燃烧过程多维数值模拟

建立了三维CFD耦合化学反应动力学模型,对柴油机缸内多脉冲喷射形成的预混燃烧过程进行了模拟,结果表明:该模型能够较准确地预测缸压曲线、着火时刻、NOx和CO2排放,能够预测着火位置、燃烧中间产物和有害排放物的生成历程。多脉冲喷射预混燃烧产生的NOx、CO和未燃HC排放主要来源于靠近缸壁余隙内,要提高这种燃烧方式的效率和降低排放,关键是要减少燃油附壁。

基于eTPU的高压共轨柴油机多脉冲燃油喷射控制系统的设计

设计了基于eTPU协处理器的多脉冲燃油喷射控制系统和基于结构体数组的多脉冲喷射控制算法,并在EFS油泵试验台和发动机台架上进行了多次脉冲喷射试验。结果表明,设计的多脉冲控制系统实现了一次中断多达10次触发喷油的功能,且多脉冲喷射次数、喷射间隔和脉冲宽度独立可调,形成可调制的多脉冲喷射模式,充分发挥了eTPU超强的定时处理能力,减轻了CPU和外部硬件配置的负担。

调制多脉冲喷油策略的实现及对HCCI燃烧过程影响的研究

基于减少燃油在气缸壁面的黏附,促进混合气的温度和浓度分层的思想,开发了一套基于PC机的调制多脉冲燃油喷射电控开发系统,通过系统硬件的抗干扰和可靠性设计,以及综合运用中断技术、直接存储器存取(DMA)技术和扩充内存规范(EMS),可以实时、独立的对多脉冲控制参数如脉冲次数、脉冲宽度和脉冲间隔进行调制,形成调制的多脉冲喷油模式。在此基础上,进行4次脉冲喷射交错式(SM)和驼峰式(HM)喷油模式的对比试验,结果表明喷油模式HM更有利于HCCI燃烧。喷油定时为90°CA BTDC,喷油模式HM的当量平均指示压力为6.43 kPa/mg,比模式SM提高28.6%;而NOx和烟度排放分别为0.16 g/(kW.h)(7×10-6)和0.5 BSU。

油嘴喷射锥角对柴油可控预混压燃燃烧特性的影响

进行了在柴油可控预混压燃燃烧模式下,油嘴喷射锥角对燃烧与排放的影响研究.实验结果表明,采用155°和125°喷射锥角的油嘴,改变多脉冲喷射定时可控制预混燃烧放热幅度,影响NOx与HC和CO排放的折衷关系.在3次和6次多脉冲喷射条件下,采用125°油嘴能获得更低的NOx和HC排放.特别是采用6次脉冲喷射模式,即使在较早的喷射定时(130°CA BTDC)下,仍能保证较低的HC和CO排放.研究表明,通过减小油嘴喷射锥角、增加脉冲喷射次数和大幅度提前喷射定时,能够在获得低NOx排放的可控预混燃烧过程的同时,保证HC和CO排放只有小幅增加.

基于调制多脉冲喷油模式的柴油预混合燃烧和排放特性的研究

在MULINBUMP-HCCI燃烧系统基础上,通过柔性调制多脉冲喷射的脉冲脉宽和间隔,形成了不同的喷油模式,以研究调制的多脉冲喷油模式对早喷HCCI燃烧和排放的影响。试验结果表明,改变多脉冲喷油模式,可以提高HCCI热效率,获得更高的输出功率,同时保持低的NOx和碳烟排放。5次和6次多脉冲喷射,递增式喷油方式具有很大的优势;对比不同次数的多脉冲喷射发现,增加多脉冲喷射次数可以扩大HCCI的负荷范围、提高指示热效率和降低CO排放。在110°CABTDC喷油定时,6次多脉冲喷射递增喷油方式6PIM相对于5次多脉冲喷射5PIM喷油方式的pIMEP和指示热效率分别提高了27.6%和13%,而CO排放减少了230%。

调制喷油模式对柴油HCCI燃烧性能和排放的影响

基于多脉冲喷射模式调制的电控开发系统和对柴油HCCI燃烧过程的认识,设计了一系列的典型调制多脉冲喷油模式,包括交错式(SM)、驼峰式(HM)、均衡式(EM)和递增式(PIM)．分别进行了4次多脉冲、5次多脉冲和6次多脉冲调制喷油模式的HCCI发动机试验研究．试验结果表明,柴油HCCI燃烧对调制喷油模式极其敏感,基于调制喷油模式的柴油HCCI燃烧均能达到超低的NOx排放(小于0．82 g／(kW·h))和较低的碳烟排放(小于0．5 BSU)．调制喷油模式的优化,可以使柴油HCCI发动机获得更高的功率输出,拓展其运行的工况范围．

油束空间分布锥角对柴油可控预混压燃燃烧排放影响的试验研究

在柴油可控预混压燃燃烧模式下,进行了油束空间分布锥角及多脉冲参数对排放影响的研究。试验结果表明,在采用155°和125°油束空间分布锥角的两种油嘴时,通过改变多脉冲喷射定时均可控制预混燃烧放热幅度,但对NOx、HC和CO排放的影响不同;在3次和6次多脉冲喷射条件下,采用小分布锥角(125°)油嘴能够增加有效贯穿距离,提高气缸轴线方向的空气利用率,从而在大脉冲喷射定时条件下改善CO排放,并且可减少50%以上的HC排放。

若干燃烧控制参数对柴油机低负荷排放特性和效率影响的试验

通过试验的方法,开展了多脉冲喷射模式下不同燃烧控制参数对重型柴油机低温燃烧过程影响的规律性研究,并通过这些参数的耦合作用优化出了多脉冲喷射模式下的最佳工况点.研究结果表明,在该喷射模式下获得了超低的NOx和碳烟(Soot)排放,同时维持了较高的指示热效率,且低温燃烧模式下积聚态微粒的平均粒径大小在40～65,nm内,核态微粒的平均粒径大小在12～18,nm内.研究还发现,大EGR率时,NOx和Soot的排放率受共轨压力的影响较小,但积聚态的微粒数浓度随轨压的增大而减小.

MULINBUMP HCCI燃烧控制特性的试验和数值模拟

通过试验和数值模拟方法研究了MULINBUMP HCCI燃烧控制特性.发动机试验表明,通过控制多脉冲喷射参数可以控制预混合气的形成,从而控制燃烧放热速率,获得很低的排放水平.在不采用废气再循环的条件下,NOx排放在低负荷时只有11×10-6,高负荷时也不超过250×10-6,烟度则始终小于0.5BSU.对多脉冲喷射预混合气形成历程的CFD数值模拟表明,不同的多脉冲喷射定时在混合气形成过程中形成不同的浓度和温度分层,从而引起燃烧特性的变化.通过控制多脉冲喷射参数来控制HCCI燃烧相位和燃烧速率是一种实用、有效的策略.

利用特征时间燃烧模型研究燃料分层对柴油PCCI燃烧过程的影响

针对柴油可控的预混燃烧方式,提出了一种基于化学动力学反应和湍流混合特征时间尺度的改进燃烧模型。介绍了一个燃料混合不均匀性程度函数H(),由此导出了模型中的湍流混合时间尺度系数f,用来表征燃料混合不均匀性程度与湍流混合时间尺度的关系。利用该模型对调制多脉冲喷油模式下柴油可控预混充量压燃PCC I燃烧进行了数值模拟,计算结果与试验数据符合良好。调制多脉冲喷油模式下柴油可控预混充量压燃PCC I燃烧的着火过程是分步容积式的,并受燃料分层的强烈影响。由于缸内存在浓度与温度的分层,降低了高浓度区域的温度,有助于减少NOx,此外"V"型当量比分布有利于推迟高温反应。