燃烧室EGR策略下汽油CAI燃烧试验Ⅰ:气门定时影响及实现CAI燃烧定时区域

燃烧室EGR策略是实现可控自燃(CAI)的一种有效技术手段.在装备电控液压驱动可变气门机构的单缸机试验系统上,研究了使用燃烧室EGR策略实现CAI燃烧时,进、排气门定时对汽油CAI燃烧的影响.试验结果表明,在1,000,r/min采用对称负气门重叠角(NVO)定时变化时,在NVO为140～240°CA内能够实现CAI燃烧,采用非对称的NVO定时变化,可以拓宽实现CAI燃烧的NVO范围,改善CAI燃烧状态.此外,排气门关闭定时对缸内残余废气量的影响要大于进气门开启定时,在能实现CAI燃烧的气门定时区域内,排气门关闭角(EVC)变化范围较小为50°CA,进气门开启角(IVO)变化范围可达200°CA.

汽油机均质压燃燃烧模型及其在CAI发动机模拟中的应用(英文)

通过分析4冲程HCCI/CAI燃烧特性,以大量的CAI燃烧示功图数据为基础,总结出一个适用于描述CAI燃烧速度的经验函数.将该函数应用于GT Power模拟软件,并结合自行开发的凸轮型线自动生成模块,研究了进、排气门定时及升程等参数对CAI燃烧的影响,以及拓展CAI运行范围的途径.结果表明,排气门升程对平均指示压力(IMEP)的影响比进气门升程要大,较大的排气门升程有利于大负荷工况,在大进气门升程时,由于进气回流导致负荷减少.

燃烧室EGR策略下汽油CAI燃烧试验Ⅱ:CAI燃烧区域优化与控制

在装备电控液压驱动可变气门机构的单缸试验发动机上,通过燃烧室EGR策略将废气截留在缸内,在关闭点火系统后发动机仍然稳定工作则实现了CAI燃烧.研究结果表明,在1,000,r/min、过量空气系数为1工况下,在IVO定时为-38～167°CA,ATDC、EVC定时为68～118°CA BTDC可以实现稳定的CAI燃烧.在该区域内,可实现35～280°CA的负气门重叠角,EGR率变化为26%～89%,BMEP为0.177～0.495,MPa.但该区域中有一半的区域存在爆燃现象,需要导入外部EGR用于控制燃烧以及扩大负荷上限改善NOx排放.为了实现正常CAI燃烧,必须控制气门定时使EGR率大于40%,在正常CAI燃烧定时区域内实现的BMEP为0.177～0.45,MPa.此外,EVC定时上下限存在扩展的空间.

排气门二次开启影响汽油CAI燃烧的数值模拟

基于装置了电控液压无凸轮轴气门机构的单缸发动机,使用一维发动机循环模拟软件GT-Power与CHEMKIN软件,建立了汽油CAI发动机内部EGR的循环模拟模型。通过模拟计算,分析了排气门二次开启对内部EGR率的影响规律。模拟结果表明:当排气门二次开启角度单独变化时,随着排气门二次开启角度增大,EGR率先增加后减小。当进气门关闭角单独变化时,EGR率随着进气门关闭角的提前,呈先减小后增加的趋势。联合使用以上两种策略,可以将实现CAI燃烧的EGR范围扩大。研究结果也表明,适量的EGR有利于CAI燃烧的实现,过低或过高都将导致失火,在不同的转速下EGR率的分布也不相同。

火花助燃CAI混合燃烧控制

针对汽油机CAI燃烧面临的主要难点——着火时刻控制、运行工况范围狭窄及燃烧模式转换问题,在CAI发动机运行负荷上边界采用火花助燃的方法,可灵活控制CAI发动机在负荷上限运行时的燃烧相位,抑制大负荷时CAI燃烧所遇到的爆震和小负荷时的燃烧不稳,可以拓展CAI运行的工况范围.点火时刻、缸内残余废气率和有效压缩比都对火花助燃CAI燃烧过程有重要的影响.通过对缸内残余废气快速管理,可以有效控制SI和CAI燃烧所占的比例.

排气道EGR策略对CAI燃烧过程影响的模拟研究

通过一维流体动力学软件GT-Power与化学动力学软件CHEMKIN联合模拟发动机循环,建立乙醇燃料排气道EGR模型,研究了发动机CAI燃烧的控制因素。分析了排气道EGR策略中的排气门晚关、进气门晚开和进气门开启时刻与排气门关闭时刻同时变化3种配气定时方案对EGR率的影响。由模拟计算可知排气道EGR策略对发动机缸内的换气过程、燃烧过程有强烈的影响。模拟结果表明:随着排气门逐渐晚关,EGR率增大,进气门关闭时刻缸内温度升高;进气门晚开策略中,EGR率受进气回流的影响较大;排气门晚关、进气门晚开同时变化策略扩大了CAI燃烧的EGR率范围;适当的EGR率有利于CAI燃烧的实现,EGR率过低或过高将导致失火和爆震,在不同的转速下EGR率的分布也不相同。

早期排气道EGR策略CAI燃烧方式和SI燃烧方式的模拟及比较

利用GT-Power和Chemkin软件建立了采用早期排气道EGR策略的汽油机模型。利用该模型分析了早期排气道EGR策略中排气门关闭角、进气门关闭角、进气门开启角对EGR率的影响;分析了相同机型采用SI燃烧方式时进气门晚关角和排气门晚关角对容积效率的影响;对比了CAI燃烧方式(采用早期排气道EGR策略)和SI燃烧方式(经过气门相位优化后)发动机的动力性、经济性。计算结果表明:进气门关闭角对EGR率的影响很小;排气门关闭角和进气门开启角在不同定时区域对EGR率起到不同程度的影响;只有EGR率较低时,发动机采用CAI燃烧方式的动力性、经济性才优于采用SI燃烧方式时,随着EGR率的升高,发动机的动力性、经济性越来越差。

排气道EGR策略下CAI燃烧缸内工质混合状态的模拟研究

利用三维设计软件Catia以及三维流体计算软件Fire建立了CAI发动机模型,着重研究了排气道EGR策略下压缩行程缸内工质的混合状态。结果表明,在压缩行程初期缸内工质呈如下混合状态:混合工质处于弱流动阶段,速度场分布均匀;缸内混合工质湍流动能小;缸内汽油浓度场分布不均,进气门一侧浓度大,排气门一侧浓度小;缸内工质的温度场与浓度场分布相反,进气门一侧缸内温度低,排气门一侧缸内温度高。随着活塞的上行,缸内混合工质流速和湍流动能先增大后减小,混合工质的浓度场和温度场越来越均匀。

气门参数对汽油机可控自燃燃烧控制作用的数值模拟

通过可变气门机构使部分燃烧废气保留在缸内,是实现汽油机可控自燃(controlled auto-ignition,CAI)燃烧的切实可行的办法,然而多参数可调气门机构增加了控制的复杂程度.为此,利用一维循环模拟软件在Simulink环境中建立了带有进、排气门升程及定时均可控的四变量气门执行机构(4-variable valve actuating system,4VVAS)的汽油机仿真试验平台,探讨了气门各参数对循环热废气及CAI燃烧过程的控制作用及控制敏感性.研究结果表明,其他参数相同时,排气门定时对汽油机CAI燃烧的影响主要体现在缸内废气残留量及废气温度的大小,而进气门定时主要通过影响进气回流和有效压缩比来影响燃烧过程;存在一个最佳位置没有进气回流,能够取得最大负荷.在当量比燃烧时,排气门参数对发动机负荷和着火时刻的控制最为直接和有效,是汽油机CAI燃烧的重要控制参数.

电控液压可变气门机构性能及应用

自主开发了一套电控液压驱动可变气门机构,并将该机构成功地应用于汽油可控自燃（CAI）试验系统.通过试验考察了不同驱动工作压力下和不同工作介质温度下电控液压驱动可变气门机构系统的可靠性与稳定性.研究发现,工作介质温度与压力对气门机构的开启、关闭性能存在影响,当工作在311~313 K气门的开启延时均值与标准差较小、而工作压力在7～9 MPa时最大气门升程波动较小.通过气门特性研究发现,电液气门的开启、关闭迅速,随着工作压力降低,气门开启速度与加速度减小,整个工作过程较为柔和.在气门试验的基础上,通过控制进、排气门定时变化,实现了燃烧室EGR策略、排气道EGR策略的CAI燃烧.

Sol-gel自蔓燃法控制合成二氧化钛纳米粉体及性能

采用化学络合溶胶-凝胶法，结合自蔓燃合成工艺制备了结构可控、分散性良好的 TiO_2纳米粉体．考察了原料组成、凝胶膨胀程度和温度机制对粉体结构、分散性的影响，用漫反射光谱测试了所制备粉体的光吸收性能，结果表明，将原料中氧化剂与还原剂的摩尔比从2增加到7，在600℃的煅烧温度下可以得到金红石含量在25%～68.2%之间的 TiO_2，这些结构不同的粉体粒度为30nm 左右；凝胶前驱体经过150℃充分膨胀炭化，能有效阻止胶粒间氢键的形成，并且能够防止因毛细管作用而导致的凝胶网络坍塌，从而得到单分散无团聚粉体：提高煅烧温度，金红石含量增多、颗粒粒度增大，800℃时出现团聚体；用该工艺制备的粉体的光吸收范围发生明显红移，与市售金红石型 TiO_2相比，反光率下降10%以上；金红石含量为55.5%的混晶型粉体显示出最好的光吸收性能。

内燃机燃烧研究的新进展

20 0 4年后对NOx排放的要求更加严格 ,采用以下两种措施有望达到法规要求。一种是使用NOx后处理器 ,另一种是改变柴油机扩散燃烧过程。本文介绍了柴油机燃烧过程研究的新近展情况 ,包括均匀充量压缩燃烧 (HCCI)、可控自燃 (CAI)、预混合稀气燃烧 (PREDIC)和调谐动力 (MK)

电控液压驱动可变气门机构的应用研究

在1台装备了自主开发的电控液压驱动可变气门机构的进气道喷射单缸试验发动机上，成功地实现了汽油机SI燃烧和可控自燃（CAI）燃烧。研究结果袁明，采用自主研制的电液无凸轮轴气门机构能够实现可变气门定时及可变气门开启持续期；该机构在SI模式下能满足发动机的动力性要求且燃油经济性和CO，HC排放有所改善；通过排气门早关、进气门晚开策略，在转速为1000r／min、过量空气系数为1的工况下，进气门开启506～511°CA，排气门关闭242～278°CA气门正时范围内实现了CAI燃烧，CAI燃烧获得的最大平均有效压力可迭0．395MPa。

可控活化热氛围下柴油喷雾自燃特性的研究

利用可控活化热氛围燃烧试验系统,结合连续喷射系统对柴油燃料在高温热氛围下的自燃特性进行了研究,并利用高速摄影技术,得出柴油燃料喷雾在不同协流温度下的滞燃期、自燃点位置以及稳定火焰起升高度。结果表明,随协流温度的升高,柴油喷雾滞燃期减小,自燃点位置至喷嘴口距离减小。协流温度低于1022K时,不能形成稳定的起升火焰；协流温度处于1022～1074K范围内,火焰起升高度随温度升高急剧降低,而起升高度的均方差也较大。温度继续增加时,起升高度变化趋缓,火焰稳定。

排气道废气再循环策略下实现汽油可控自燃的气门定时区域

在装备有电控液压驱动可变气门机构的单缸机试验系统上,研究了使用排气道废气再循环（EGR）策略实现汽油可控自燃（CAI）时,气门定时对汽油CAI的影响。试验结果表明,在转速1000 r/min、过量空气系数λ为1条件下,采用进气门开启定时不变时（IVO=40°CAATDC）排气门关闭定时,（EVC）在126-176°CA ATDC范围内能够实现汽油CAI;采用EVC定时不变（EVC=146°CA ATDC）时,IVO在28-60°CA ATDC范围内也能够实现汽油CAI。EVC对从排气道吸入的废气的影响要大于IVO。在能实现汽油CAI的气门定时区域内,IVO变化范围仅为45°CA,EVC变化范围可达120°CA。

基于PCS7的沸腾炉节油自动点火控制系统的设计与应用

在分析点火工艺流程的基础上,介绍了沸腾炉自动点火控制系统的配置,利用西门子PCS7过程控制的强大集成功能平台,设计出沸腾炉的自动点火控制系统。同时,设计了风压低、油压低及熄火等状况的联锁保护,增强了自动点火的可靠性,降低了点火费用和工人劳动强度。

可控自燃工况离子电流信号与NO_x排放相关性

基于改造的可控自燃(CAI)发动机试验台架,采用离子电流检测系统与瞬态NOx排放分析仪,结合Chemkin-Pro软件的化学反应燃烧数值模拟,研究了可控自燃工况下离子电流与对应循环NOx排放之间的相关性.结果表明:采用不同燃料的CAI燃烧过程中,离子电流信号强度与对应循环NOx排放呈现较为明显的正相关性,且缸内离子产物出现时刻相比NOx较早,使离子体积分数峰值时刻与NOx体积分数达到最大值的时刻之间出现了相位差.由此发现,在离子电流信号质量稳定时,综合离子电流信号强度与离子电流峰值相位的信息,能够实现循环内的NOx排放估测与反馈,为循环内的燃烧优化及后处理系统精确控制提供了参考依据.

可控自燃模式下负气门重叠策略与废气再吸入策略的对比分析

应用自主开发的电控液压可变配气机构在一台经过改进的单缸发动机上实现了两种EGR策略下的可控自燃着火(CAI),并对两种策略下CAI燃烧的发动机运行参数以及燃烧特征参数进行了研究。研究结果表明:在相同转速1000r/min时,NVO策略下的CAI工作区域比EGRB策略下的工作区域宽广,相位可调整范围较大;EGRB策略下的最大平均有效压力略高于NVO策略;两种策略在整个CAI工作区域内,有效热效率较高,大部分区域内的效率超过了30%,而且NOx排放水平极低;NVO策略下的燃烧始点较提前,燃烧持续期较短。

四变量气门执行机构可控自燃汽油机稳态性能及过渡过程

利用一维循环模拟软件GT-Power,在Matlab-Simulink环境中建立了带有进、排气门升程及定时都可调节的四变量气门执行机构(4VVAS)的汽油机可控自燃(CAI)燃烧仿真试验平台,对不同气门参数下4VVAS-CAI汽油机的稳态性能和过渡过程进行了预测和试验验证.研究表明,在4VVAS-CAI汽油机稳态运行过程中,不同的气门运动规律组合方式可以取得相同的汽油机负荷,但指示燃油耗(ISFC)不同.着火时刻是影响ISFC的关键因素,而在着火时刻相差不大时,进气回流和泵吸损失是影响ISFC的主要因素.在过渡过程中,合理地同时调节4VVAS的气门升程和定时更有助于实现汽油机负荷的快速过渡.

汽油机火花点火-可控自燃混合燃烧的主动抗扰自趋优控制

火花点火-可控自燃(SI-CAI)混合燃烧对边界条件非常敏感,针对其燃烧相位和放热过程的瞬态控制难题,笔者提出一种基于燃烧模型的前馈、即时扰动观测反馈和累积观测校正相结合的主动抗扰自趋优控制算法.首先,通过引入点火角修正因子和模型参数自学习因子,发展了具备自学习能力的SI-CAI混合燃烧预测模型,并构建了CA 50、IMEP和过量空气系数φa的前馈控制算法.其次,为补偿模型的偏差和外部环境条件的随机干扰,提出了基于扩张状态观测器的扰动即时观测算法.最后,为不断校正模型参数自学习因子,改善前馈效果,提出基于递推最小二乘法的累积观测器.对提出的控制算法进行仿真和台架验证,结果表明:IMEP可在3~5个循环内完成阶跃,该过程中CA 50波动幅度不高于4°CA,φ_(a)偏差小于0.08,满足控制要求.