活性控制压燃模式发动机实验教学平台开发及教学应用研究

内燃机新型燃烧及其测试技术是《汽车发动机原理》、《汽车发动机构造》、《汽车测试基础》、《汽车动力机械设计》、《汽车交通环保学》等核心课程的重点内容之一。为了满足这些课程的教学需求,在现有的发动机台架基础上开发了活性控制压燃模式发动机实验教学平台。该平台主要由试验发动机、燃油供给系统、燃烧分析系统、排放测试系统四部分组成,能够通过燃烧分析系统和排放测试系统完成不同测试工况下发动机燃烧参数和污染物排放浓度的测量与分析。实际应用结果表明,该教学平台能够完成与理论教学相关的实践教学目标,促进理论教学和实践教学的有机结合,有利于完善学生的知识体系。

甲醇替代率对柴油/甲醇反应活性控制压燃发动机性能的影响

对某4缸高压共轨柴油机进气歧管进行改造,搭建了柴油/甲醇双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,系统地研究了甲醇替代率对发动机经济性和污染物排放的影响规律。结果表明:最大转矩转速1600 r/min下,负荷率25%~50%范围内甲醇替代率为10%时发动机经济性最佳;50%~100%负荷率范围内随甲醇替代率增大,有效热效率升高,有效当量燃油消耗率降低;100%负荷、30%替代率时,与原机相比,有效热效率提高9.4%,有效当量燃油消耗率降低6.2%。不同负荷工况下,最大甲醇替代率受爆震、失火现象、不完全燃烧及发动机热负荷极限和机械设计强度限制。100%负荷下,随节气门开度减小,最大甲醇替代率从30%提升到36%;甲醇替代率为34%时,有效当量燃油消耗率较原机降低6.5%;高负荷工况下,适当关小节气门开度,减少进气流量,降低缸内最高燃烧压力,可有效提高最大甲醇替代率。外特性工况下,随发动机转速增加,未燃甲醇、非甲烷碳氢化合物、CO_(2)排放降低,甲醛排放先略减少后逐渐增多。同一转速下,随甲醇替代率增加,未燃甲醇和甲醛排放量增加,非甲烷碳氢化合物和CO_(2)排放降低。低碳甲醇/柴油RCCI燃烧模式有利于降低CO_(2)排放。

过量空气系数对甲醇/柴油反应活性控制压燃发动机性能的影响

对某高压共轨柴油机进气歧管进行改造,搭建了甲醇/柴油二元燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,系统地研究了最大转矩转速(1 600 r/min)、不同负荷下甲醇替代率和过量空气系数对发动机经济性与排放性能的影响规律。结果表明:中、低负荷下,随着甲醇替代率增大,有效当量燃油消耗率先降低后略微升高,有效热效率先增加后略微降低,排气温度降低;中高、高负荷时,随甲醇替代率增大,有效当量燃油消耗率和排气温度降低,有效热效率升高;负荷率75%下,甲醇替代率为30%时,有效当量燃油消耗率较纯柴油模式平均降低3.8%,有效热效率则平均升高6.7%。不同负荷工况下,随甲醇替代率增大,NO;排放和烟度大幅降低,CO;排放量减少,CO、甲醇和甲醛排放量增加。中、低负荷下,烯烃排放量随甲醇替代率升高而增加,中高、高负荷下则随替代率升高而降低。不同负荷、不同甲醇替代率下,随着过量空气系数减小,CO;排放量和烟度增加,NO;和CO排放变化不明显,甲醇排放量减少;高负荷下,随过量空气系数的减小,烯烃排放升高,甲醛排放降低;低负荷下,随过量空气系数减小,烯烃排放降低,甲醛排放变化不明显。采用甲醇/柴油RCCI燃烧策略有助于降低CO;、NO;排放和烟度,双燃料模式下适当关小节气门开度,减小过量空气系数,对降低甲醇、甲醛非常规污染物排放有利。

柴油/汽油反应活性控制压燃发动机喷油协调控制与排放特性研究

对某4缸高压共轨柴油机进气道进行改造,搭建了柴油/汽油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,设计了柴油/汽油双燃料RCCI燃烧汽油喷射控制策略,实现了全工况下汽油与柴油的协调喷射控制,系统地研究了不同运行工况下,不同汽油替代率对柴油机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:采用柴油/汽油双燃料RCCI燃烧控制策略,发动机可在其运行工况范围内实现高效清洁燃烧,随着汽油替代率的增加,发动机缸内最高压力逐渐增大,缸压峰值出现时刻推迟,放热率峰值降低,燃烧持续期延长,燃油消耗率降低,有效热效率升高,全碳氢、CO排放增加,NOx和碳烟排放降低。

进气压力、预混比和喷油定时对低负荷活性控制压燃燃烧与排放特性的影响

通过在六缸重型柴油机上进行汽油/柴油活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧模式的试验,探究了不同喷油定时(start of injection,SOI)、进气压力(inlet pressure,IP)和预混比(premixing ratio,PR)对低负荷RCCI柴油机燃烧与排放特性的影响.结果表明:在燃烧特性方面,随着SOI的提前,第一阶段放热率峰值逐渐增大,对应相位同步提前,滞燃期和缸内平均温度峰值增大;IP的增加会导致滞燃期和缸内平均温度峰值减小;而PR增大使压力升高率峰值和最大累积放热量均降低.在气体排放方面,碳氢化合物(hydrocarbon,HC)与CO排放整体上随着SOI的提前而降低,NO_(x)排放随SOI的提前而增加;HC与CO的排放会随着IP和PR的增加而增加,但PR的增大会使NO_(x)排放减小,且随着SOI的提前,减小幅度先减小再增大.在颗粒物排放方面,核态颗粒物数量浓度随SOI的变化规律不明显,PR较大时IP几乎对核态颗粒物数量浓度没有影响;聚集态颗粒物数量浓度随SOI的变化稍显复杂,在较大PR下,增大IP会使聚集态颗粒物数量浓度减少,且减少幅度随SOI的延迟而变大;与聚集态颗粒物数量浓度相比,在较大PR下IP对减少颗粒物总质量浓度的影响程度更强,但在较小PR下无影响.

燃烧室结构与喷油策略对天然气-柴油反应活性控制压燃发动机的影响研究

为优化反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机的燃烧室结构与喷油策略,基于CONVERGE数值模拟研究了挤流区高度、喉口半径与喷雾夹角对75%负荷工况下天然气—柴油RCCI发动机着火特性、燃烧特性及排放特性的影响。结果表明:增大挤流区高度可促进燃油雾化进程,有助于燃油充分燃烧,挤流区高度过大将削弱反应活性分层,降低缸内温度,增加碳烟排放量。对所研究机型而言,最优挤流区高度为6.56 mm。增大喉口半径可延长燃油喷雾进程,增加碳烟排放量,减少NO_(x)排放量,喉口半径过大会引起缸压峰值升高,NO_(x)排放量增加,对所研究机型而言,最优喉口半径为73.29 mm。随喷雾夹角的增大,燃油分布自凹坑区域上移至挤流区域,缸压峰值降低,NO_(x)排放量减少,碳烟排放量增加。

直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究

基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,基于不同的燃油总量、直喷汽油量、预混汽油油量和汽柴油喷射时刻等参数,展开了缸内直喷汽油对反应活性控制压燃(RCCI)燃烧模式高负荷拓展影响的研究。结果表明:进气压力及柴油喷射时刻会影响缸内浓度分层进而影响燃烧过程,而汽油喷射时刻影响不明显;在汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略下,增加缸内直喷汽油量可以进一步增强缸内的混合气浓度分层,延长燃烧持续期,降低缸内的最高燃烧压力和压力升高率,实现更低的燃烧温度。仿真计算结果显示:若保证碳烟和NOx排放在限值内且油耗有所降低,可将平均有效指示压力(IMEP)拓展至1.6MPa;将IMEP拓展到1.7MPa后,增加汽油的预混比例并不能提高IMEP,但对排放略有改善,相应的压力升高率和燃烧压力提高。

基于双直喷策略的低负荷下活性控制压燃燃烧特性的数值研究

采用流体仿真软件CONVERGE开展了基于双直喷策略的低负荷工况下二代生物柴油/汽油活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧模式的数值模拟研究,对比了常规进气道喷射汽油RCCI和双直喷RCCI的燃烧特性,并探讨了双燃料喷射时刻对双直喷RCCI燃烧的影响。结果表明:相比常规进气道喷射汽油RCCI,双直喷RCCI能够有效控制缸内汽油混合气分布,改善不完全燃烧现象;随着汽油直喷时刻的推迟,分层燃烧减弱,燃烧持续期缩短,燃烧效率降低,热效率先减小再增大后又减小,NO x排放减少而碳烟排放增加;随着二代生物柴油喷射时刻的推迟,分层燃烧加剧,燃烧持续期延长,燃烧效率升高,热效率先增大而后减小,NO x排放增加而碳烟排放减少。

喷射策略对RCCI燃烧影响的试验

为了分析不同喷油策略对反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧着火性能与燃烧性能的影响,使用汽油和柴油/加氢催化生物柴油(hydrocatalytic biodiesel,HCB)在光学发动机内进行了试验研究.结果表明:柴油/汽油RCCI燃烧较HCB/汽油需要的进气温度高,着火延迟期也较高,随着进气温度的增加,燃烧相位提前,着火延迟期减小;当柴油所含能量与燃料循环总能量之比从30%提高至40%时,缸内压力升高,进气温度对燃烧的影响减小;在HCB/汽油RCCI燃烧模式下,HCB喷油时刻从进气上止点后的曲轴转角-30.0°延迟至-20.0°后,燃烧过程对进气温度的敏感度降低;在光学发动机试验中,采用较高的进气温度有利于更好地实现RCCI稳定燃烧,但进气温度低于30℃时,可以通过推迟高活性燃料喷射时刻或提高高活性燃料质量分数来实现稳定着火燃烧,达到控制燃烧相位的目的.

甲醇/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性研究

文章在一台增压中冷高压共轨电控发动机上研究低、中负荷工况下替代率、喷油正时对双燃料发动机燃烧及排放特性的影响。研究结果表明:低负荷工况下,双燃料热效率低于纯柴油,不完全燃烧现象增多,碳氢化合物(THC)、一氧化碳(CO)、未燃甲醇和甲醛排放均随着替代率的上升而上升,随着喷油正时的提前,双燃料模式的热效率有所改善,THC、CO、未燃甲醇和甲醛排放降低,氮氧化物(NO x)排放急剧上升;中负荷工况下,随着替代率的升高,由于过多的甲醇降低了缸内初始温度,使得缸内燃烧恶化,热效率先升高后降低,随着喷油正时的提前,THC、CO、未燃甲醇和甲醛的排放有所降低,但降低幅度小于低负荷工况,同时喷油正时的提前会导致NO x排放急剧增加。

冷态下喷油策略对双燃料发动机燃烧特性影响的可视化研究

基于一台双燃料光学发动机,结合高速成像技术开展了冷态条件下缸内喷射策略对加氢催化生物柴油/汽油RCCI(活性控制压燃)燃烧影响的可视化研究。结果表明:改变预主喷比例及主喷时刻可以调整燃烧室整体反应性和局部反应性,改善RCCI冷态燃烧效果。相较加氢催化生物柴油单次喷射策略,2次喷射策略下缸压和放热率曲线前移,燃烧相位提前。预主喷比例对燃烧相位影响显著,主喷比例越高,着火时刻越晚,燃烧持续期越短,放热过程越集中。主喷时刻对火焰发展机制影响显著,主喷时刻提前,火焰发展以燃烧室四周多点自燃向中心传播为主;主喷时刻推迟,火焰发展以沿喷雾油束向四周传播为主。

基于氢气/柴油RCCI燃烧的热效率与损失联合优化

随着石油资源的匮乏、排放法规的日益严苛以及碳达峰、碳中和目标的提出,内燃机急需实现高效清洁燃烧,所以可再生无碳清洁燃料氢气与高效低排放燃烧模式反应活性控制压燃(RCCI)逐渐成为研究热点.通过将KIVA-3V程序与非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合,对氢气/柴油RCCI燃烧进行了参数优化,以实现等效指示燃油消耗率(EISFC)与[火用]损失的最小化,确定了不同初始参数对[火用]损失的影响规律及作用机理.结果表明,由于等效指示燃油消耗率随着燃烧温度非单调性变化,等效指示燃油消耗率和[火用]损失之间呈现明显的此消彼长关系,所以很难同时实现等效指示燃油消耗率和[火用]损失的最小化.基于化学反应路径、燃烧温度与燃烧持续期对[火用]损失的影响,提高预混能量比与柴油第一次喷射比例可以有效降低[火用]损失.

基于光学发动机的柴油/聚甲氧基二甲醚引燃乙醇对比研究

为了改善内燃机燃烧与排放,探究反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧规律,在一台轻型光学发动机上对比了缸内分别直喷柴油和聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)引燃进气道喷射乙醇的燃烧特性。通过调节缸内直喷的喷油时刻和喷油比例,对燃烧过程进行了可视化试验分析。结果表明:随喷油时刻不断推迟,缸内燃烧压力与放热率呈现先增后减的趋势,喷油时刻在上止点前20°时燃烧效果最好。随着缸内直喷燃油比例的增加,每循环燃烧压力峰值和放热率峰值不断增加,燃烧相位提前,燃烧更充分。利用高速成像技术获得的图片结果显示:两种引燃模式下火焰均发生于近壁区域并向四周扩散。火焰亮度最高和面积最大的时刻出现在燃烧始点附近。PODE引燃乙醇时火焰场中无曝光区域而柴油引燃乙醇时存在较多曝光区。PODE/乙醇燃料组合相对于柴油/乙醇燃料组合的缸压和放热率峰值更高,滞燃期和燃烧持续期更短,燃烧效率更高,碳烟生成量更少。

甲醇/二甲醚RCCI发动机燃烧性能数值研究

以甲醇和二甲醚分别为低、高反应活性燃料,甲醇能量比例和喷油时刻为变量,数值模拟了低负荷工况下反应活性控制压燃(RCCI)和逆向反应活性控制压燃(R-RCCI)发动机的性能,并对两种燃烧方式进行了对比。仿真结果表明:在本文的研究工况下,RCCI燃烧放热速率快、缸压峰值高,而R-RCCI高温氧化放热时刻早、放热速率平缓、燃烧持续期长。相较于RCCI燃烧,R-RCCI燃烧的燃烧相位可灵活调节,等效指示燃油消耗率可达164.5 g/kWh,而且允许的甲醇能量比例和喷油时刻范围更广。

基于数值模拟的柴油-天然气RCCI发动机不同预喷时刻下燃烧与排放特性研究

随着计算机技术的不断发展,数值模拟方法变得更加成熟,并成为现今内燃机研究的主要手段。文章运用CONVERGE软件,采用数值模拟方法,对柴油-天然气双燃料反应活性控制压燃发动机燃烧与排放性能进行研究。根据研究机型参数,进行三维几何模型的构建,优化仿真模型并实施数值计算模拟,建立了满足实际要求的发动机燃烧模型。采用数值模拟方法,得出二次喷射下不同预喷时刻缸内主要参数变化曲线及相关云图,找出最有利的预喷时刻段,对研究其他因素对双燃料发动机燃烧与排放特性的影响具有重要的指导意义和参考价值。

不同海拔下甲醇替代率和主喷正时对RCCI发动机性能的影响

为探究不同海拔条件下甲醇/柴油反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition, RCCI)发动机的运行特性,该研究基于甲醇/柴油双燃料发动机试验台架,试验研究1 800 r/min、100%负荷和3 200 r/min、100%负荷下不同甲醇替代率、柴油喷射正时对发动机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:不同海拔条件下随着甲醇替代率的增加,缸压和瞬时放热率峰值逐渐升高,燃烧始点和燃烧中心前移,当量有效燃油消耗率(equivalent brake specific fuel consumption, ESFC)降低,有效热效率升高,NO_x和碳烟排放大幅降低,THC(total hydrocarbons)和CO排放增加。1 800 r/min、100%负荷工况下,甲醇替代率由0增至20%,0、1 000、2 000 m海拔下最大缸压平均增加1.72 MPa,瞬时放热率峰值平均升高25.08 J/(°),ESFC平均降低4.67%,有效热效率平均升高4.90%,NO_x和碳烟排放分别平均降低16.63%和50%,THC和CO排放量分别平均增加142.03、388.18 mg/kg。3 200 r/min下甲醇替代率由0增至7%,不同海拔高度下ESFC平均降低1.76%,有效热效率平均升高1.79%,NO_x和碳烟排放量分别平均降低8.17%和20.70%。海拔高度由0升至2 000 m,1 800 r/min、20%甲醇替代率与3 200 r/min、7%甲醇替代率下,瞬时放热率峰值分别降低4.80和8.08 J/(°),燃烧中心分别推迟1.44°和1.43°,有效热效率分别降低0.82%和0.68%,ESFC分别升高2.10%和1.99%,NO_(x)排放量分别减少10.61%和7.35%,碳烟排放分别增加26.54%和32.12%,THC排放分别升高29.88%和15.45%,CO排放量分别增加22.42%和18.15%。固定甲醇替代率后,随着柴油主喷正时提前,不同海拔条件下缸压和放热率峰值逐渐升高,燃烧中心向上止点靠近,ESFC逐渐降低,有效热效率升高,碳烟排放减少,NO_(x)、THC和CO排放增加。1 800 r/min、15%甲醇替代率下,主喷正时从-1.5°提前至-7.5°,不同海拔高度下ESFC平均降低8.27%,有效热效率平均升高9.08%,碳烟排放平均减少90.94%。为提升高海拔条件下甲醇/柴油RCCI发动机的热效率和燃油经济性,可以适当增大柴油主喷正时。研究结果可为不同海拔环境下甲醇/柴油RCCI发动机燃烧与污染物排放控制优化提供参考。

发动机缸内自燃着火与火焰传播的调控

在一台轻型光学发动机上对比了部分预混压燃(PPC)和燃料活性控制压燃(RCCI)两种燃烧模式的着火及燃烧发展过程,并分别探究了不同喷射策略对两种燃烧方式的影响.研究发现,对于PPC燃烧模式,混合气浓度分层越小,燃烧过程中自燃占比越高;混合气浓度分层越大,燃烧过程中火焰传播占比越高.对于RCCI燃烧模式,缸内直喷高活性燃料比例较高时,燃烧是从高活性区到低活性区分阶段顺序自燃;缸内直喷高活性燃料比例较低时,燃烧是火焰传播与自燃共同主导的过程.从而阐明了PPC和RCCI相较于均质压燃(HCCI)能够实现更高负荷高效清洁燃烧的本质是,燃烧发展历程从单纯的多点自燃燃烧转变为火焰传播与自燃共存.

不同喷油定时乙醇/柴油RCCI低负荷燃烧与排放特性

在总循环能量与乙醇能量替代比不变的条件下,研究了不同柴油喷油定时(start of injection, SOI)下乙醇/柴油活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition, RCCI)六缸增压柴油机低负荷的燃烧与排放特性。结果表明,随着SOI的提前,RCCI冷焰反应相位提前,高温放热的瞬时放热率峰值先增大后减小,滞燃期逐渐增大,缸内燃烧温度逐渐增加,燃烧重心先提前后推迟。传统燃烧模式(conventional combustion mode, CCM)与RCCI的燃烧特性差异随着SOI的提前而增大。与CCM相比,RCCI的NOx排放的减少量随着SOI的提前而增加,HC与CO排放的增加量随着SOI的提前而减少。随着SOI的提前,粗态(>273.8～1 000nm)颗粒物质量分数从84.09%减小到32.87%。聚集态(>13.3～273.8 nm)颗粒物质量分数从15.88%增加到66.36%。与CCM相比,RCCI的颗粒物排放的数量浓度较少,尤其是核态颗粒物;但RCCI颗粒物排放质量浓度较高。

喷油定时与进气压力对RCCI特征参数的影响

为制定合理的活性控制压燃RCCI(Rreactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)燃烧模式的控制策略,探明不同燃烧边界条件对RCCI燃烧与排放特性的影响,该研究在发动机转速和汽油能量预混比不变的条件下,用一台六缸重型柴油机进行了汽油/柴油双燃料RCCI试验,研究了不同循环能量(Cycle Energy,CE)下喷油定时(Start of Injection,SOI)和进气压力(Inlet Pressure,IP)对汽油/柴油RCCI燃烧和排放特性的影响规律和影响程度。结果表明,当CE从885增加到1700 J时,SOI和IP对燃烧特性的影响规律不改变,但SOI和IP对缸内温度的影响程度增加,使缸内平均温度峰值分别增加约130和70 K,压力升高率峰值增加约0.054 MPa/°CA,而SOI和IP对滞燃期的影响程度不变;在排放方面,仅SOI对CO排放的影响规律发生变化,SOI和IP对HC排放的影响程度降低,使HC的排放分别减小约89和13.65 g/(kW·h),IP对NOx排放的影响程度增加,使NOx的排放增加约3 g/(kW·h),SOI对颗粒物总质量浓度的影响程度不变。研究结果可为制定合理的RCCI燃烧模式控制策略提供数据支撑。

引燃柴油预喷策略对甲醇/柴油缸内双直喷性能及排放的影响研究

将甲醇与柴油共同作为具有缸内双直喷系统的压燃式发动机燃料,改变引燃柴油预喷策略下的主喷定时,在RCCI燃烧模式下,探究发动机的燃烧和排放特性。研究结果表明:缸内压力的峰值由于引燃柴油主喷时刻的逐渐推迟而推迟,当推迟至压缩行程上止点之后时,可以明显地观察到活塞压缩所形成的缸内压力峰值,与此同时,燃料燃烧所形成的压力峰值逐渐降低并低于活塞压缩所形成的缸内压力峰值;预喷策略下引燃柴油的主喷时刻在3.5°CA BTDC时的排放情况最佳,同时缸内的燃烧情况也较好,是因为在主喷时刻不断推迟这一条件的影响下,HC、SOOT和CO排放量均逐渐增多,但NO_(x)的排放量随之减少,可以适当将主喷时刻推迟,但当主喷时刻设置上止点之后,导致缸内的燃烧情况变差,污染物排放量逐渐升高。