新的发动机燃烧方式——均质充量压燃燃烧(HCCI)

在往复式发动机中,除了火花点燃式燃烧和柴油压燃燃烧的运转方式外还有第3种运转方式,即均质充量压燃燃烧(HCCI)。HCCI模式发动机的运转情况被认为是高效和稳定的。在部分负荷工况下可以大幅度降低NOx的排放。把HCCI燃烧应用到发动机方面尽管仍有一些困难,但HCCI燃烧方式表明在发动机应用的巨大潜力。本文将阐述HCCI与传统发动机燃烧方式的不同及其未来的展望。

二甲醚均质充量压燃发动机燃烧特性试验研究

通过改造一台压缩比为16 . 5的2 - 135柴油机,在其上实现DME的HCCI燃烧方式。试验结果表明,DMEHCCI发动机不但可以实现无烟燃烧,而且可以有效控制发动机NOx排放,使其接近0排放。在试验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷变化不大。

均质压燃发动机燃烧特性的详细反应动力学模拟

应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN模块模拟了正庚烷在HCCI发动机中的燃烧过程。通过修改SENKIN程序 ,加入了Woschni传热模型 ,并在正庚烷详细氧化机理中加入氮氧化物的生成机理 ,将此程序纳入发动机燃烧的零维单区模型。对多种工况参数下的HCCI燃烧和NOx排放进行了系统的计算 ,并分别讨论了进气温度、进气压力、压缩比。

均质充量压燃式发动机柴油混合气制备方法的研究

研究了一种新概念发动机—均质充量压燃式(HCCI)发动机。其气缸内燃烧温度低而均匀,产生的氮氧化物(NOX)非常低,其碳烟(PM)排放也很低,兼有高效率和低污染的优点。尽管均质充量压燃式发动机具有很大优点,但均质混合气的制备是阻碍其实用化的关键问题之一。为此,在总结前人研究成果的基础上,设计开发了一种用于HCCI发动机的液体燃料均质混合气制备方法。该方法是利用发动机排出废气的热量和进、排气管的复合结构实现的。

CO_2改善均质压燃发动机高负荷爆燃的试验

针对均质压燃(HCCI)发动机高负荷易爆燃的问题,在一台改造过的柴油机上加装CO2引入装置,进行HCCI燃烧试验。结果表明,引入高体积分数的CO2能够有效抑制HCCI发动机的爆燃并拓宽高负荷的工况范围,但随CO2体积分数增大,发动机低负荷失火可能性增加,综合对燃烧边界和负荷范围的影响,CO2体积分数应控制在1%左右。

振动信号在均质压燃发动机着火时刻识别中的应用

着火时刻是燃烧控制的基本反馈参数,对拓展均质压燃(HCCI)燃烧工况具有重要作用。该文基于发动机机体、缸盖有限元模型,提出采用测量缸盖振动速度或加速度判断着火始点的方法,建立了振动传递系统模型。在一台295HCCI发动机上进行了试验验证,利用实测振动速度和加速度信号对着火时刻进行了识别。结果表明:不同工况下,利用缸盖表面振动速度和加速度信号所得的着火时刻滞后于根据压力升高率和压力二次导数得到的着火时刻;本文所提出的着火时刻的测量与判断方法是合理可行的。

一种全新的发动机燃烧方式-均质压燃

论述了均质压燃（HCCI）的特点，详细分析了其开发应用中的难点问题及其未来应用前景，并探讨了在我国开展HCCI研究工作的必要性和方案。

汽油和柴油混合燃料均质压燃(HCCI)的试验研究

汽油和柴油这两种不同特性的燃料被用作HCCI发动机的燃料。汽油具有高挥发性、易雾化和易于形成混合气的特性,被用来形成均质混合气;柴油具有良好的着火性和可燃性,被用来控制自燃和限制爆震燃烧。期望这两种特性不同而又相互补充的燃料混合后能够达到一个折衷的HCCI的燃烧性能。试验在一个专用于HCCI研究的单缸发动机上实施,采用两种中等的压缩比(10．4和15)和两种HCCI模式(进气加热和负气门叠开),试验结果证实了这种期望。结果是:随着混合燃料中柴油比例的增加,对于进气加热模式,HC- CI能稳定工作所需要的进气温度有所降低,对于负气门叠开模式,缸内平均指示压力和过量空气系数的范围有所扩展,并且两种方式下HC和NOx的排放均有所减少。

水蒸气对微型氢气HCCI自由活塞发动机燃烧和NOx排放特性的研究

为了解决微型均质压燃自由活塞发动机燃烧温度和压力过高、尾气排放氮氧化物浓度高的问题,采用数值模拟的方法,建立微型均质压燃自由活塞发动机的数值模型,并通过与试验结果的对比验证模型的正确性。在此模型基础上,以水蒸气为稀释剂,研究燃料稀释和进气稀释对微型氢气均质压燃自由活塞发动机燃烧和氮氧化物排放特性的影响。研究结果表明:水蒸气的存在会延迟着火时间;在燃料稀释方式下,当稀释率由0增加至0.1时,最高燃烧温度降低145 K,最高压力降低1 MPa,氮氧化物排放浓度降低69%,但同时平均有效指示压力下降了0.11 MPa;而在进气稀释方式下,最高燃烧温度和氮氧化物排放下降的幅度较小,且最高燃烧压力呈现先增加后减少的趋势。因此,在降低燃烧温度、压力和氮氧化物排放方面,燃料稀释的效果较好,但发动机的做功能力会随燃料稀释率的增大而降低。

压缩比和EGR对自由活塞发动机HCCI爆震燃烧的影响

基于AVL FIRE仿真平台建立了液压自由活塞发动机气缸的三维仿真模型,使用大涡模拟（large eddy simulation,LES）耦合甲醇的详细化学反应动力学机理研究了压缩比和废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）率对均质压燃（homogeneous charge compression ignition,HCCI）爆震燃烧过程的影响。结果表明：甲醇的HCCI燃烧需要一定的进气加热;随着压缩比的提高,最小进气温度逐渐降低,缸内的最高燃烧温度、最大爆发压力和爆震强度均明显增加;在高压缩比工况下引入EGR时可以降低爆震强度,但EGR率较小时效果并不明显,因此需要较大的EGR率来抑制爆震;最后,对压力振荡曲线的频谱特性进行了分析,发现爆震燃烧时压力振荡的峰值频率位于10~15 k Hz区间内。

液压自由活塞发动机中HCCI燃烧优化的试验研究

使用液压自由活塞发动机(HFPE)进行试验,研究了正庚烷在均质压燃(HCCI)燃烧过程中,当量比与压缩比对低温反应始点、高温反应始点、两阶段放热量比例及指示效率的影响。研究结果表明:压缩比一定时,混合气当量比越低,低温反应始点越提前,高温反应始点越推迟,同时低温反应释放热量与高温反应释放热量的比例越高;当量比一定时,压缩比越大,低温反应始点与高温反应始点均提前,同时低温反应释放热量与高温反应释放热量比例越低;当量比从0.30增大到0.40的过程中,最大指示热效率有略微减小的趋势,其中最大值与最小值相差为3.0%;当量比一定时,存在一个效率最高的压缩比,压缩比过低或过高都会影响热功转化效率的提高。

辛烷值和预混合率对双燃料发动机SCCI燃烧与爆震的影响

对参比燃料/柴油双燃料SCCI(Stratified Charge Compression Ignition,SCCI)燃烧进行了试验研究.分析了预喷燃料辛烷值以及预混合率对双燃料SCCI燃烧特性的影响.研究了各当量比Φ下双燃料SCCI的最高压力和最大压力升高率,提出可以在限制爆震的前提下,通过优化预喷燃料的辛烷值及预混合率实现高效清洁的SCCI燃烧,并可将发动机负荷范围大大拓展.结果表明:在中低负荷区域(Φ<0.481),低辛烷值预喷燃料可以提供良好的着火稳定性;而在高负荷区域(Φ>0.561),高辛烷值预喷燃料可以避免爆震并且保持较高的热效率.

均质压燃式(HCCI)燃烧的研究

均质压燃式(HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点。HCCI燃烧是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用HCCI燃烧方式可以同时有效降低柴油机的NOx和碳烟排放,并提高柴油机的循环热效率。HCCI发动机通常工作在高空燃比和较低的压缩比条件下,工作范围较小,高负荷时功率输出不足。“双模式”HCCI发动机是解决上述问题的有效途径,并成为近期HCCI发动机研究中的热点。

多缸汽油HCCI发动机燃烧循环变动的研究

在均质混合气压燃(HCCI)发动机研发中多缸不均匀性是一个重要的问题。通过在缸内直喷汽油机(GDI)上采用两次燃油喷射和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了SI/HCCI复合燃烧方式,研究了汽油HCCI发动机在不同燃烧模式下的多缸燃烧循环波动特性。研究结果表明:在汽油机中低负荷典型工况下,HCCI燃烧pi的缸内循环波动率小于2%,缸间循环波动率小于3%;HCCI发动机缸间循环波动主要受进气量的影响,与SI燃烧模式相比,采用稀燃模式的汽油HCCI燃烧缸间循环波动较小,HCCI燃烧的压力升高率和最高燃烧压力的循环波动率较小。

柴油引燃预混合天然气实现准均质压燃着火燃烧方式的理论研究

通过重新构建引燃油着火模型和双燃料燃烧模型,对在不同当量比情况下,引燃油雾化、蒸发与着火的特点及对燃烧过程的影响进行了较深入的理论研究,提出了柴油引燃预混合天然气实现准均质压燃着火的引燃油喷油特性。

压燃式天然气发动机的技术现状及展望

综述了近几年国外在天然气压缩燃烧方面的研究成果 ,分别从燃烧系统组成、燃烧性能、优点、存在问题等方面对均质混合压缩燃烧和非均质混合压缩燃烧两种方式天然气发动机进行了分析 ,在此基础上展望了各种形式的压燃天然气发动机的应用前景。

燃油添加剂改善HCCI发动机着火性能的试验研究

针对均质预混合压燃着火(HCCI)发动机低负荷易失火的问题,通过在参考燃料(90％的正庚烷和10％的异辛烷)和93号汽油中分别加入适量的着火改进剂过氧化苯甲酸淑丁脂,在HCCI发动机台架上进行燃烧试验．试验结果表明,在参考燃料中添加质量分数为0．3％-1．2％的过氧化苯甲酸叔丁脂后,与参考燃料相比,低负荷界限拓宽了15％-28％,而高负荷界限却降低了0．5％-7％,表明添加剂在拓宽低负荷的同时使高负荷范围下降．93号汽油添加适量的过氧化苯甲酸叔丁酯能够实现HCCI稳定燃烧,而未加添加剂的汽油则不能燃烧．

HCCI发动机燃烧多维数值模拟(Ⅰ)——模型的建立和比较

使用多维骨架动力学模型模拟了以异辛烷为燃料的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程。通过结合多维CFD程序KIVA和反应动力学程序CHEMKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。结果表明网格密度和时间步长对HCCI的燃烧过程影响不大,而初始温度对着火点影响显著。通过修改多维模型比较了RNG k-ε湍流模型和标准k-ε湍流模型、Han和Reitz传热模型和传统传热模型、Kong的混合模型和无混合模型,以及不同的缝隙区模型,发现使用RNG k-ε湍流模型、Han和Reitz传热模型和缝隙流动模型计算结果与实验值更为接近。修改后的多维模型在不同当量比下计算得到的压力、放热率和排放值与实验完全一致。

均质压燃(HCCI)燃烧过程控制方式的研究

均质压燃 (HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究焦点。因HCCI发动机的燃烧过程主要由可燃混合气的化学动力学所控制 ,故很难在全负荷范围内控制它的着火时刻和燃烧放热率。因此 ,HCCI燃烧过程的控制成为HCCI研究热点。

4VVAS双模式发动机SI-HCCI燃烧模式过渡研究

提出一种可以实现SI/HCCI双模式运行的汽油机方案。将自行设计和研制的基于进排气门升程和相位等4个变量连续可变的HCCI(Homogeneous Charge Compression Igniton)汽油机缸盖安装在单缸试验机上,建立了4VVAS-HCCI汽油机原理性样机平台。通过在该平台上的试验研究,探索了HCCI/SI两种燃烧模式过渡过程的动态控制策略。结果表明:配备4VVAS(4 Variable Valve Actuaion System)缸盖的发动机,可以根据工况需要运行于HCCI或SI(Spark Ignition)燃烧模式;通过4VVAS系统对内部残余废气快速有效管理,可以完成HCCI-SI动态平滑过渡;由于热惯性的存在,从SI向HCCI燃烧模式过渡难于从HCCI向SI过渡;对燃烧模式过渡过程的控制可以归结为对残余废气率的动态管理和对混合放热率型线的设计。