进气道喷水对氩气循环氢燃料发动机热效率与动力边界拓展的影响研究

针对氩气循环氢燃料发动机工质比热容比高,会引起异常燃烧现象,从而限制其热效率提升效果的问题,通过仿真和试验分析了进气道喷水对氩气循环氢燃料发动机的热力学参数和爆震的影响,并通过结合缸内直喷和进气增压,联合优化点火策略、喷射策略以及喷水策略,最终获得了最高62.41%的指示热效率(总指示热效率58.62%)。

进气道喷水量对GDI汽油机燃烧和排放特性的影响

基于一台涡轮增压4缸汽油机,全面系统地探究了进气道喷水量对发动机燃烧特性、燃油经济性以及排放特性的影响规律.试验选取发动机3个常用转速(2000 r/min、2800 r/min和3200 r/min)以及具有代表性的中等负荷(50%),水油质量比μ的选取范围为0~40%.结果表明:随着μ的增加,水的大比热容和高温分解带来的吸热作用的增强,使得缸内平均压力曲线上升趋势变平缓,缸内最高压力和tα显著降低;滞燃期先基本不变而后延长,CA50和θT先基本不变而后推迟,燃烧持续期逐步缩短.与μ=0相比,μ=40%时,在2000 r/min、2800 r/min、3200 r/min下,缸内最高压力分别下降约0.72 MPa、0.64 MPa、0.94 MPa,tα分别降低30℃、68℃、47℃,CA50分别滞后3.3°CA、3.1°CA、4.4°CA.燃油消耗率(BSFC)呈现先略有减少而后较明显增加的趋势,μ=10%是转折点,可降低BSFC约1 g/(kW·h),而μ=40%时将增加BSFC约3 g/(kW·h).进气道喷水后减少了局部高温和局部过浓区域,有助于明显降低GDI汽油机的NOx和烟度排放.与μ=0相比,μ=40%时,NOx和烟度的最大降幅高达30%左右.而喷水对CO和HC排放的影响相对较弱,随着μ的增加,CO和HC排放分别呈现缓慢降低和缓慢上升的趋势.GDI汽油机在当量比下采取喷水策略具有节能减排的潜力,工程应用前景广阔.

进气道喷水对增压直喷汽油机性能的影响

基于1台缸内直喷增压汽油机,试验研究不同水油比对加浓和当量比混合气燃烧时的发动机燃烧和排放性能的影响。研究结果表明:在满负荷工况下,当过量空气系数λ为1时,随着水油比增加,燃烧相位推迟,燃烧持续期延长,同时喷水后空气质量流量下降,两者共同导致发动机平均有效压力降低;采用当量比混合气燃烧时,λ为1时的CO,HC和排气烟度与λ为0.88时相比明显降低,而NOx排放量升高;CO,排气烟度和NOx排放量随着水油比增加而降低,而HC排放量升高。在满负荷工况下采用当量比混合气燃烧时,通过喷水能够使发动机抗爆能力提高,点火时刻进一步提前,燃烧相位提前;燃烧相位提前使发动机平均有效压力与未优化点火时刻相比提升0.9%~2.9%,有效燃油消耗率降低2.2%~3.9%。

进气道喷水对汽油机爆震和缸内燃烧过程影响的仿真分析

以一台1.5 L气道喷射汽油机为研究对象,根据汽油机台架试验结果与喷水器喷雾特性,利用AVL FIRE软件建立了进气道喷水汽油机三维模型,仿真分析了水雾的发展过程与分布状态,研究了4组喷水量对汽油机爆震和缸内燃烧过程的影响规律。结果表明,水雾发展至气门附近即被蒸发,仅有少量水雾以液态形式进入缸内。随喷水量增加,爆震指数降低,降幅达33.70%,缸内温度与压力曲线逐渐向后、向下移动。喷水量为13.186 mg时缸温峰值与不喷水相比下降20.27 K,缸压峰值降低0.48 MPa。缸内进水量低于喷油量的5%时,水雾对爆震和缸内燃烧过程影响微弱。喷水对速燃期影响效果更显著。随喷水量增加,火焰传播速度降低,速燃期延长,累积放热率曲线后移,总燃烧持续期共延长2.5°曲轴转角。

进气道喷水对高强化柴油机燃烧与排放特性的影响

针对高转速和大负荷工况下发动机粗暴燃烧、热负荷过高的问题,在一台高强化单缸柴油机上加装进气道辅助喷水系统进行仿真试验,研究了进气道喷水对燃烧与排放特性的影响。通过建立一维热力学模型和三维全气道模型,在独立进气道水喷射系统的高强化单缸柴油机上进行试验,对比不同喷水压力和水油比对缸内氧气浓度、燃烧压力、燃烧温度和NOx排放的影响。试验结果表明,喷水压力为1 MPa、水油比为0.6时,缸内最高燃烧温度降低34.2 K,NOx生成量减少24.6%。进气道喷水可明显降低缸内燃烧温度,在优化排放的同时有效改善了高强化柴油机热负荷过高的问题。

进气道喷水对柴油机性能的影响特性研究

利用GT-Power软件建立某型单缸柴油机的仿真模型,并用实验数据进行标定,使模型具有足够的预测精度,并在此基础上研究进气道喷水质量和流量对单缸柴油机综合性能的影响特征。研究结果显示,当水油质量比为30%,喷水流量为10 kg/h时,柴油机的综合性能达到较佳。和原机相比,动力性和燃油经济性都提高3%左右,Soot排放量减少约9.8%,NOx排放量减少约12.8%。

进气道喷水对汽油机燃烧特性影响的三维数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)软件对1台缸内直喷汽油机在转速5500r/min、平均有效压力(BMEP)约为2MPa的工况下建立了缸内直喷汽油、进气道喷水的双喷射发动机三维性能仿真模型。研究了不同喷水比例和点火时刻下的缸内油气混合和燃烧特性的结果,评估了进气道喷水对于提高发动机效率的潜力。研究结果表明,进气门开启初期液态水蒸发较快。随着喷水比例的提高,过量空气系数增大,缸内温度和过量空气系数的均匀性均得以优化。相对于不喷水状态,进气道喷水能够有效降低缸内温度。在BMEP相近时,相对于不喷水状态,进气道喷水的指示热效率有所增加。进气道喷水可以降低火焰传播速度,需提前点火时刻来维持燃烧相位。

联合Miller循环和进气道喷水改善柴油机排放研究

基于某型单缸柴油机GT-Power模型研究联合Miller循环和进气道喷水,改善柴油机排放性能,并对相关参数进行了优化。当进气门延迟关闭角为5°CA,水油质量比为30%,喷水流量为10kg/h,喷水时刻为压缩上止点前300°CA时,柴油机的排放性能最好,此时NOX排放量最大减少11.43%,Soot排放量最大减少7.5%。最后用AVL-Fire软件验证了基于GT-Power模型优化结果的准确性。

进气道喷水对柴油机燃烧与排放特性影响的试验研究

在对比分析柴油掺水燃烧优缺点的基础上,笔者设计了一套喷水系统,并在4100QBZL直列增压中冷型柴油机上,采用进气道喷水的试验研究。分析了进气道不同喷水量(喷水量分别为0、0.72、1.44、2.5kg/h)对柴油机燃烧与排放特性的影响。结果表明,采用进气道喷水后,滞燃期延长,燃烧持续期缩短,缸内最大爆发压力及最大压升率上升,NO_x排放大幅减小,烟度稍有上升,CO、HC基本保持不变。

进气道喷水对直喷汽油机燃烧排放及爆震影响的数值模拟

为改善汽油机经济性、降低污染物排放,以某1.0L三缸直喷汽油机为基础采用数值模拟的方法,研究了进气道不同喷水位置及喷水量对燃烧、排放以及爆震的影响。结果表明:进气道中部喷水与远离进气门喷水相比燃烧相位提前,峰值缸压略大,氮氧化物(nitrogen oxides,NO_(x))、一氧化碳(carbonic oxide,CO)排放量较低,碳烟和未燃碳氢化合物(unburned hydrocarbons,UHC)排放量差别较小;接近进气门喷水时燃烧相位延后程度大,峰值缸压低,对爆震的抑制效果较好,NO_(x)、碳烟及CO排放量较低,但UHC排放量大幅增加;远离进气门喷水时,随着喷水量增加,爆震强度降低,但缸内个别区域爆震抑制效果较差,削弱了喷水对爆震的抑制效果。

通过进气道喷水降低柴油机NO_X排放

对一台4缸四冲程直喷式增压柴油机进行了在吸气行程初期从进气道喷水以降低NOX生成量的试验研究，并采用2区域模型法进行计算分析，对比了试验与计算结果。研究表明，在进气绝对湿度换算值为0．035kg/kg空气时，约可降低NOX浓度50％，而且上述效果与柴油机工况条件及喷射定时无关，只取决于进气的绝对湿度。NOX生成量减少的主要原因是燃烧气体中所含水分引起比热增大而导致燃气温度降低。

基于CONVERGE的车用柴油机缸内燃烧及排放的仿真研究

针对某型车用高强化柴油机,研究了进气加湿对NO_(x)、碳烟生成的作用机理及油耗的影响,提出采用进气道喷水的方式对进气加湿,运用仿真软件CONVERGE研究了不同油水比对柴油机缸内燃烧及排放的影响,获得了在特定时刻下NO;和当量比在缸内的分布情况,分析比较了不同油水比对缸内温度及压力的影响情况。结果表明:随着油水比的不断下降,缸内温度以及压力均下降,峰值最大降幅分别为6.26%、4.05%,燃烧重心CA50相位后移,NO_(x)生成质量及油耗下降,但碳烟排放情况有所恶化。

内燃机水喷射技术进展分析

文章介绍了内燃机水喷射技术历史、现状与发展趋势,重点分析进气道喷水、缸内喷水与乳化燃油三类内燃机水喷射技术的相关进展。阐述通过水喷射技术降低内燃机燃油消耗与尾气排放的机理,为内燃机水喷射技术的研发工作提供参考。