国Ⅵ直喷汽油机颗粒数量及微观形貌排气输运演变特性

开展了某一国Ⅵ直喷汽油机三元催化转化器(TWC)前、TWC后、汽油机颗粒捕集器(GPF)后3个位置的颗粒物采样及微观形貌研究,分析了发动机工况、TWC、GPF对国Ⅵ直喷汽油机尾气颗粒数量、粒径分布、微观形貌的影响。结果表明,该直喷汽油机尾气颗粒数量排放整体上呈单峰分布,低转速小负荷工况下,粒径<23nm的颗粒数量较高。随着发动机转速和负荷的增大,峰值粒径向大粒径方向移动。直喷汽油机尾气颗粒物由“核‒壳”结构基本碳粒子堆积形成,呈链状、枝状、簇状等结构;负荷增大,颗粒物尺寸略有增大,基本碳粒子重叠度增强,分形维数增大;转速增大,颗粒物尺寸减小,基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。随着排气输运的进行,颗粒数量逐渐降低;TWC不影响颗粒的粒径分布形态,颗粒数量净化效率41.6%~94.2%,对<23 nm的小粒径颗粒净化效果较好,低转速小负荷工况的颗粒数量净化效率较高;GPF的颗粒数量净化效率约80%,23~100 nm颗粒数量净化效率较高,对粒径<10nm的颗粒净化作用不大。TWC和GPF不影响颗粒物结构形式,TWC和GPF后颗粒物基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。

稀释燃烧对高压缩比直喷汽油机性能的影响

为探究稀释燃烧改善发动机性能的潜力,通过一台1.5 L高压缩比增压直喷汽油机开展台架试验,对比研究了空气稀释、废气再循环(EGR)稀释及复合稀释燃烧在不同稀释程度下对中速、中负荷工况下发动机性能的影响规律.结果表明:稀释燃烧延长了燃烧持续期,降低了有效燃油消耗率(BSFC),减少了发动机传热损失,并降低了CO排放,稀释方式不同会导致HC和NO_(x)排放随稀释率的变化规律不同,但在高稀释率下,相比无稀释燃烧,HC排放升高,NO_(x)排放降低;相较于EGR,空气稀释对燃烧的抑制更弱,稀释边界更宽,BSFC降低效果更好,CO与HC排放显著更低,未燃损失更低,NO_(x)排放更高,且这些规律在相同稀释率、不同EGR占比的复合稀释燃烧的性能参数变化中同样存在,但有效热效率在过量空气系数φa=1.34、EGR率约为5%(稀释率为1.4)时达到最高,这与排气损失更低有关,此时相较原机,BSFC降低了5.7%,NO_(x)降低了33%,均比φ_(a)为1.40时的降幅更大,证明了复合稀释燃烧具备更强的节能减排潜力.

过渡闪沸喷雾对缸内直喷汽油机性能影响研究

利用CONVERGE软件仿真分析了缸内直喷汽油机中速大负荷工况下过渡闪沸喷雾对整机性能的影响规律,对比分析了过渡闪沸喷雾状态和冷态喷雾状态下汽油机的缸内混合气形成、燃烧及排放特性。结果表明:随着燃料温度升高,燃油喷雾液滴粒径减小,喷雾破碎和雾化速度加快,当燃料温度达到380 K时,喷雾在速燃期之前索特平均粒径已降低至0 mm附近。过渡闪沸状态下,发动机缸内平均温度、缸压峰值和放热率峰值均高于冷态喷雾状态。燃料温度为380 K时与360 K时缸压峰值相差不大。过渡闪沸状态下发动机的soot排放低于冷态喷雾,且NO_(x)排放较高,燃料温度为380 K时相对于360 K时soot排放下降了80%以上,而NO_(x)排放仅上升8%。在低温冷态喷雾下,燃料温度的提高对发动机缸内混合气形成、缸内燃烧状态以及soot排放生成均有显著影响。过渡闪沸喷雾状态下,缸内气流运动对于缸内混合气形成的影响效果相比于喷雾破碎程度的影响效果更为显著。过渡闪沸喷雾状态下继续提高燃料温度对于发动机混合气形成、燃烧状态和发动机排放改善效果逐渐减弱。

面向缸内直喷汽油机燃烧调控中若干基础问题研究综述

汽油机缸内直喷技术可比进气道喷射自然吸气均质混合气汽油机热效率提高20-25%。然而稀燃时火焰传播速率低,火核生成困难,因此采用分层混合气燃烧组织方式用于提高点火性能和燃烧速率,采用提高缸内充量运动强度和废气再循环在保证燃烧速率的同时降低NOx排放。因此对缸内直喷汽油机燃烧调控进行研究具有提高内燃机利用效率的意义。

小缸径增压直喷汽油机燃烧系统开发

高性能、低油耗、低排放的增压直喷汽油机开发目标对燃烧系统的设计提出了更高的要求。介绍了基于CFD仿真分析和试验的小缸径增压直喷汽油机燃烧系统开发。对进气道、燃烧室、喷油器油束布置等与燃烧系统相关的因素进行了优化和匹配,对优化后的流量系数、滚流强度、湍动能水平、活塞顶和气缸套油膜量、过量空气系数(Lambda)进行了评估,并对优化后的燃烧系统进行了气道试验和性能试验验证。结果表明,优化后的燃烧系统达到了产品开发目标。

基于2阶段喷射的缸内直喷汽油机HCCI燃烧的研究

在缸内直喷汽油机(GDI)上采用2阶段燃油喷射技术来控制缸内混合气形成和燃烧,在GDI发动机上实现了均质混合气压燃(HCCI)燃烧方式,研究了缸内2阶段汽油喷射对HCCI燃烧特性的影响。结果表明,压缩行程中的第2次喷油时间可以有效地控制燃烧始点,二次喷油持续期可以控制燃烧速率、燃烧相位和拓宽发动机负荷。

直喷汽油机缸内喷雾湿壁问题研究

直喷汽油机的湿壁问题会导致机油稀释,燃油经济性下降及尾气排放增加。但通过喷雾、燃烧室及缸内流场三者合理匹配与优化可以大大减少燃油湿壁。利用激光诊断技术对某直喷喷油器的喷雾特性进行全面测试,然后标定三维CFD软件中的喷雾模型,对缸内喷雾和混合气形成过程进行仿真计算,并研究了燃油喷射策略对燃油湿壁的影响。研究结果表明:采用两段喷射策略可以降低15%的碰壁量,混合气均匀程度基本不变;采用三段喷射可以降低27%的碰壁量,并可明显改善混合气浓度分布。

缸内直喷汽油机颗粒物粒径分布特性

采用DMS500快速颗粒取样分析仪对一台缸内直喷国Ⅳ汽油机进行了颗粒物粒径分布特性的试验研究.结果表明:缸内直喷汽油机排气颗粒物呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布,仅怠速工况呈核态单峰分布.随转速升高,总颗粒物数浓度在部分负荷下逐渐降低,外特性先降低后升高;随负荷增加,总颗粒物数浓度在中、低负荷下逐渐降低,满负荷时急剧增加.随转速升高,核态颗粒物在部分负荷速度特性下数密度峰值逐渐降低,外特性下先降低后增加;积聚态颗粒物数密度峰值逐渐降低.随负荷增加,核态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时逐渐降低,满负荷时增加;积聚态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时先升高后降低,满负荷时最高.

滚流比对缸内直喷汽油机混合气形成及燃烧的影响

用FEV评价方法对两种进气道稳态流动特性进行了对比,适当减小气道与气门座夹角,可使滚流比提高约20.3%,而流量系数降低了11.8%.用FIRE软件对使用两种滚流比气道发动机的缸内流动进行了仿真,分析了滚流比对气流运动、混合气形成及燃烧的影响,并对其进行了试验验证.结果表明,在低速和高速工况下,高滚流比可以提高燃烧速率,改善燃烧稳定性,使燃油消耗率降低约10%.同时,高滚流比发动机由于具有较强的气流运动及缸内湍动能,混合气分布更加均匀且燃烧更充分,因此HC和CO排放也相应降低,而较高的缸内温度使得NOx排放在低速时增加比较明显.

喷雾引导型直喷汽油机燃油喷射对缸内流动特性影响的数值研究

为了深入研究喷雾引导型直喷汽油机燃油喷射对缸内流动特性的影响,利用STAR-CD软件数值模拟了1 500 r/min全负荷和5 500 r/min全负荷两个典型工况下发动机缸内的流动特性。对比分析了每一转速下,无喷射和有喷射时缸内的滚流率、湍流强度、点火区域的湍流强度以及关注切面的流场分布等。结果表明:在低转速全负荷工况下,燃油喷射过程对缸内流动有强烈的干涉作用,而高转速全负荷时该影响很小。另外,燃油喷射对高、低转速下缸内的平均湍能强度影响很小,而对点火区域的湍动能有很大提高。

火花点火对缸内直喷汽油机HCCI燃烧的影响

实现汽油机均质混合气压燃(HCCI)的难点是着火控制。在缸内直喷汽油机上实现了HCCI燃烧,研究了火花点火对HCCI燃烧特性的影响。结果表明,HCCI燃烧方式较火花点火(SI)火焰传播燃烧方式放热速率快,热效率高,NOx 大幅度降低。在HCCI临界状态时,火花点火有助于提高燃烧稳定性,抑制失火和爆燃,降低循环波动;当火花点火时缸内温度远超过临界着火温度时,火花点火对HCCI燃烧影响不大。火花点火在SI/HCCI燃烧模式切换工况时,能提高瞬态过渡平顺性。

直喷汽油机喷油器积碳的特征

采用电子显微镜、能谱分析仪研究了积碳分布区域、形貌特征和组成元素的基本特征;使用高速相机获得了喷孔出口区域燃油流动特性的图像,对影响积碳形成的湿壁现象和雾化特性进行了定性分析.结果表明:积碳在喷油器上可划分为7个分布区域,喷油器外表面的积碳程度较内表面严重,各喷孔堵塞不均匀;积碳有干燥粗糙、湿润光滑两种形貌特征;积碳固体颗粒中共检出5种非金属元素和9种金属元素,底座平面积碳的化学成分较丰富;喷油器壁面油膜和底座周围的高浓度混合气是不同区域积碳形成的主要物质来源.

增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法

超级爆震是增压直喷汽油机提高升功率和降低油耗的主要障碍,在典型增压小排量直喷汽油机上对不同的超级爆震抑制方法进行了研究.结果表明,加浓、分层和扫气都能够抑制超级爆震,但采用混合气加浓会恶化发动机油耗,采用混合气分层发动机排温大幅升高,推迟排气门关闭时刻实现扫气也能抑制超级爆震,但油耗和CO排放升高.进一步的研究发现,采用优化的进气行程两次喷射策略能够有效地抑制超级爆震,并且能够保证发动机的油耗、排温以及排放不恶化.

增压直喷汽油机排气歧管低周疲劳的研究

为了探索某增压直喷汽油机排气歧管在交变载荷作用下的低周疲劳,首先利用AVL-Fire软件对排气歧管进行内外流场CFD分析,得到排气歧管的热边界条件;然后把热边界条件映射到有限元网格,通过有限元分析计算出排气歧管瞬变循环工况下的温度场、应力场和应变场。最后利用疲劳分析软件计算出排气歧管的疲劳寿命。结果表明,排气歧管疲劳寿命预测合理反映了在交变载荷和高温的共同作用下排气歧管低周疲劳损伤区域的寿命,验证了该预测方法的有效性和准确性。

直喷汽油机喷嘴积碳对喷雾的影响

利用纹影法,在定容燃烧弹中对直喷汽油机喷油器进行喷雾特性试验,对比了未积碳喷油器、积碳喷油器和物理清洗过的积碳喷油器在不同喷射压力下的喷雾形态、喷雾锥角以及贯穿距离.结果表明:积碳后喷油器雾化质量较差,喷雾锥角和贯穿距离明显小于未积碳喷油器的喷雾锥角和贯穿距离,提高喷射压力后这种差距有所缩小;积碳喷油器单束油束贯穿距离差别较大,积碳后喷油器流量显著降低,且随喷油压力的增加,积碳喷油器流量的变化更为显著;扫描电子显微镜显示喷油器各喷孔积碳程度不一致,经X射线能谱分析检测后发现,机油中的某些成分以及摩擦产生的金属碎屑对积碳的形成起到促进作用.

增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究

在一台增压缸内直喷汽油机上,对影响早燃及超级爆震发生频率与强度的各种因素进行了台架试验研究。研究结果表明:提高燃油挥发性,升高机油和冷却液温度,推迟进、排气门正时,增大点火提前角,提前或推迟喷油定时及使用高的喷油压力能够有效减少早燃及超级爆震。

增压直喷汽油机扫气抑制爆震试验研究及模拟解析

针对增压缸内直喷汽油机(GDI)高负荷爆震问题进行研究,利用可变气门正时控制发动机扫气过程,在稀燃条件下分别对不同节气门开度和负荷的情况进行了不同VVT角度的试验。试验结果表明:扫气可抑制爆震并能提高发动机的低速扭矩;同时,基于一维热力循环模型的模拟解析发现,扫气主要通过降低缸内残余废气系数和降低进气门关闭时缸内气体温度实现抑制爆震;通过提高发动机的进气充量和抑制爆震后增大点火提前角来提高发动机的低速扭矩。

米勒循环改善增压直喷汽油机热效率的机理分析——部分负荷工况分析

基于热力学第一定律和一维发动机循环仿真,对进气阀早关(EIVC)与进气阀迟关(LIVC)两种策略实现的米勒循环进行建模,在部分负荷工况下分别对应用高压缩比及EIVC和LIVC改善一款增压直喷汽油发动机热效率的效果及其机理进行比较分析。研究结果表明:提高几何压缩比增加了发动机的理论热效率从而改善了油耗,无论采用EIVC还是LIVC策略的米勒循环,都可以减小泵气损失,提升机械效率,同时降低缸内传热损失,进一步促进了米勒循环对油耗的改善。对比分析采用EIVC与LIVC时发动机热效率的影响因子发现,EIVC由于具有更高的机械效率和更少的传热损失,其油耗改善程度优于LIVC。

点火时刻对怠速工况缸内直喷汽油机微粒排放特性的影响

为研究缸内直喷(GDI)汽油机典型工况、怠速工况时的微粒排放特性,在一台4G15缸内直喷汽油机上,通过控制冷却液温度为(80±1)℃、喷油时刻为上止点前310°、过量空气系数为1,研究了点火时刻对缸内直喷汽油机怠速工况微粒粒径分布特性的影响。结果表明:微粒数量浓度和表面积浓度随着点火时刻的提前而增加;微粒数量浓度随粒径分布呈单峰状态,核模态微粒数量浓度粒径分布峰值很小且不明显,积聚模态微粒数量浓度明显高于核模态微粒数量浓度;微粒的体积浓度随点火时刻的提前而增大,核模态微粒体积浓度占总体积浓度的比例随点火时刻的提前而减小。

发动机机油对增压直喷汽油机低速随机早燃的影响

选用不同类型的发动机油在一台增压直喷汽油机上进行台架试验,分别从基础油、抗氧剂及硫酸盐灰分三方面研究发动机机油对早燃的影响。研究结果表明:发动机油的基础油类型、抗氧剂及硫酸盐灰分含量对增压直喷发动机低速随机早燃的形成具有显著影响,采用合适的基础油、添加抗氧剂或降低硫酸盐灰分含量均有助于减少低速早燃的发生。