Introduction to the benchmark challenge on common rail pressure control of gasoline direct injection engines

As one of the most important actuators for gasoline direct injection technology,common rail systems provide the requested rail pressure for fuel injection.Special system characteristics,such as coupled discrete-continuous dynamic in the common rail system,limited measurable states,and time-varying engine operating conditions,impel the combination of advanced methods to obtain the desired injection pressure.Therefore,reducing the pressure fluctuation and satisfying engineering implementation have become noteworthy issues for rail pressure control(RPC)systems.In this study,the benchmark problem and the design specification of RPC proposed by 2018 IFAC E-CoSM Committee are introduced.Moreover,a common rail system model is provided to the challengers,and a traditional PI control is applied to show the problem behaviors.Finally,intermediate results of the challengers are summarized briefly.

闪沸喷雾孔几何形状对孔内流动特性影响的数值模拟

研究了汽车直喷汽油机喷嘴的几何形状对于闪沸喷雾孔内流动以及相变过程的影响机理。基于热不平衡假设建立了一维的两相相变流动模型,对于具有不同喷孔流道长度、直径、入口处圆角以及流道锥角的结构,分析了闪沸喷雾孔内流动的特性。将该模型结果与作者团队先前的实验结果进行了精度比对,验证了模型的准确性。结果表明:喷孔流道长度越长,孔径越小,从而孔内相变越剧烈。流道入口处圆角会减少喷孔内部蒸汽的生成。收缩型喷孔压降较小,孔内蒸汽相的生成也相应减少,从而扩张型喷嘴增大蒸汽产生速率。不同的喷孔结构,改变了流道内的压力以及速度分布;压力分布影响了气泡的生长速率,速度分布影响了气泡的生长时间,而两者共同作用影响了孔内的相变特性。

米勒循环汽油机燃用氢气燃烧及排放特性分析

基于一台高压直喷米勒循环汽油机加装氢气喷射系统,试验研究了发动机燃用汽油与氢气时燃烧与排放的差异。结合电子增压器,通过增大过量空气系数,探索氢气发动机超稀薄燃烧模式热效率潜力,分析了汽油机三效催化转化器对氮氧化物转化效率和NH3的影响规律。结果表明:大负荷工况下氢气发动机对爆震较为敏感,采用稀薄燃烧方式可进一步提升氢气发动机有效热效率水平。2500 r/min转速条件下,缸内平均有效压力(Brake mean effective pressure,BMEP,记为PBME)=0.8 MPa时,过量空气系数由1.0增大至3.0时,热效率值增幅可达30%,NO_(x) 排放降幅可达约98%,且当负荷进一步提升至PBME=1.1 MPa时,热效率突破43.0%。传统汽油机TWC对氢发动机NO_(x) 转化效率在偏浓工况下相对较高,且在偏浓工况下,TWC后会产生大量氨气,当混合气进一步稀释后NH3生成量显著降低。

直喷米勒循环汽油机燃用甲醇/汽油燃料燃烧及排放特性分析

围绕高压缩比米勒循环发动机的热效率潜力及甲醇及甲醇/汽油混合燃料对燃烧过程和排放特性的影响进行了深入分析。通过试验对比分析,研究了不同压缩比下米勒循环与传统奥托循环的热效率,探究了甲醇燃料对发动机燃烧性能和排放影响的机理。结果表明,米勒循环在高速高负荷工况下相比奥托循环展现出更高的热效率潜力,同时能够提高对高压缩比的耐受性。试验所选2000 r/min、总平均指示压力(global indicated mean effective pressure,GIMEP)为0.66 MPa工况下,采用米勒循环后在压缩比分别为11.5和14.5时,指示热效率可相对于奥托循环提升约0.6和0.8个百分点。燃用甲醇/汽油燃料能够在保持负荷不变的情况下使燃烧相位提前,有助于进一步提升发动机指示热效率水平。当燃用纯甲醇时,高负荷工况下可显著改善燃烧过程,相比于汽油燃料,缸内最大压力增加约30%,指示热效率增加7.2个百分点,NOx排放明显升高,增幅达80%。此外,燃用甲醇燃料时核模态颗粒物数量显著升高,同时积聚模态微粒数量减少,不同模态微粒峰值均向小粒径方向迁移。

国六自动挡乘用车GDI发动机高瞬态HC原排分析

针对GDI发动机在部分瞬态工况下HC排放较高的问题,对一辆装有GDI发动机的轻型车在底盘测功机上进行WLTC试验,通过采集单缸瞬态HC排放、缸内燃烧压力和ECU控制参数数据,研究了部分瞬态HC排放高的原因。试验结果表明:发动机冷却液升温过程对发动机的HC排放没有显著影响,在WLTC试验的各个驾驶速度段均出现了高HC排放;当发动机扭矩从高到低急剧变化时,可能出现缸内未断油但进气量急剧减少的情况,导致发生缸内失火或不完全燃烧,从而产生高HC排放;另外,当气缸内连续几个工作循环断油后再喷油时,会导致缸内过量空气系数偏离最佳范围,使缸内燃烧状况恶化,甚至发生失火或不完全燃烧,从而引起HC排放增加。

直喷汽油机高效颗粒捕集器技术及控制策略研究

为了适应国家排放法规对汽油直喷发动机颗粒物监测粒径逐渐减小的要求,根据汽油直喷发动机排放开发目标,设计不同的汽油机颗粒捕集器(GPF)技术方案,通过发动机台架试验、转毂试验的测试选型确定捕集效率高、背压小的最优方案。建立了基于发动机原排和压差的GPF控制策略,结合GPF测试选型数据标定GPF碳载量模型、再生效率模型等,实现再生工况识别并协调再生控制。通过WLTC排放循环验证GPF控制策略,最优方案的捕集效率满足排放开发目标,有效降低了汽油直喷汽油机的颗粒物排放。

汽油机喷油嘴快速积碳方法及特征表征研究

基于吉利JLE-4G18TDB型1.8T汽油机,利用台架和光学三维轮廓测量仪对缸内直喷汽油机的积碳过程和喷油嘴积碳特征进行了探索,从积碳加速剂、长期燃油脉宽修正系数(LTFT)、汽油机循环工况3个方面着手,实现了接近实际道路情况的快速积碳,在汽油机不停机的状态下掌握了喷油嘴积碳情况,结合光学手段对喷油嘴积碳特征进行表征,在喷油嘴表面积碳不被破坏的情况下得到了积碳前后喷油嘴的体积数据、三维图像及积碳体积分布图,对燃油清净剂和燃油清净增效剂的评价起到了重要作用。

不同涂覆配方对缸内直喷发动机颗粒物捕集器性能的影响

为探讨不同涂覆配方对缸内直喷(GDI)发动机在颗粒物捕集器试验中的性能影响,采用台架标定系统PUMA软件对某GDI发动机不同涂覆颗粒物捕集器样件(GPF-A、GPF-B)进行台架试验,试验中未对发动机进行任何改动。试验结果表明:GPF-A、GPF-B的压差基本一致;在颗粒物捕集器温度为650℃下,随着氧流量的增加,GPF-A、GPF-B的燃烧速率均明显升高,且在相同氧流量下,GPF-A的燃烧速率较高;在氧质量流量为500 mg/s下,随着颗粒物捕集器温度的增加,GPF-A、GPF-B的燃烧速率均明显升高,且GPF-A的燃烧速率较高;GPF-A、GPF-B在700℃断油后的内部温度场变化较为一致,GPF-A在断油18 s后从初始温度710℃上升到最高温度960℃,而GPF-B在断油24 s后从初始温度705℃上升到最高温度942℃;发动机在台架中等负荷(70%额定负荷)、中等转速(3 000 r/min)的工况下运行相同时间,GPF-A捕集的载碳量较小,说明在此工况下,GPF-B的捕集效率优于GPF-A。

基于硫示踪法机油消耗的试验研究

为检测汽油机机油消耗与排放中粒子数量(particle number,PN)的关系,采用硫示踪法对增压直喷汽油机进行稳态和瞬态工况机油消耗试验研究,并采用不同弹力的活塞环组进行全球统一轻型车辆测试循环(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)机油消耗及PN试验对比。试验结果表明:稳态工况下,硫示踪法与传统称质量法机油消耗率的相关系数为0.93,一致性良好;机油消耗率随发动机转矩和转速增加逐渐升高,额定功率时达到最大;瞬态工况的机油消耗与发动机初始工况、转速变化率、转矩变化率有关,转矩变化率、转速变化率越大,机油消耗率和PN峰值越高;WLTC工况下,高弹力活塞环组可降低机油消耗率和PN;机油消耗率与PN有相同的变化趋势。

车用汽油机颗粒物生成机理及排放特性研究进展

汽油机是中国、美国和日本等国家乘用车和轻型货车的主流动力.随着汽车排放法规加严,汽油机颗粒物(PM)和可挥发性有机物(VOCs)排放以及在大气中形成雾霾等问题广受关注.围绕直喷(GDI)汽油机缸内碳烟生成机理、GDI汽油机和进气道喷射(PFI)汽油机的一次颗粒物排放特性以及汽油机尾气排放生成二次颗粒物机理等的国内外研究进展进行综述.已有研究表明:GDI汽油机碳烟排放主要来源于附壁油膜的池火燃烧和缸内局部浓区的燃烧,燃油喷射策略和混合气组织方式对缸内碳烟生成有重要影响;GDI汽油机颗粒物的排放水平要远高于PFI汽油机以及装有颗粒过滤器(DPF)的柴油机,但GDI和PFI汽油机排放颗粒物粒径分布特征总体相近;汽油机排放生成二次颗粒物质量要远高于其生成的一次颗粒物,二次颗粒物有相当一部分来源于汽油机尾气中VOCs生成的二次有机气溶胶(SOA).

车用汽油机缸内直喷技术的研究现状与展望

从汽油机的混合气形成与调节、燃油喷射、燃烧系统 3方面对车用汽油机缸内直接喷射技术的发展及新技术进行了概述。车用汽油机缸内直接喷射技术有很大的发展潜力 ,将得到更大发展并取代目前的进气道直接喷射方式。通过对排放、积炭、催化器及燃油喷射系统等问题的分析和探讨 。

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。

进气道对缸内直喷增压汽油机性能的影响

应用稳态CFD方法对高、低滚流比进气道进行了分析,高滚流比气道较低滚流比气道流量系数降低16%,滚流比提高22%.基于这两种气道对缸内直喷增压汽油机进气和压缩冲程油气混合的影响进行了瞬态CFD分析.结果表明,高滚流比气道在缸内能形成更规则的大尺度漩涡,且缸内瞬态滚流比更高,两种对称气道瞬态涡流比基本为零,进气道流量系数对增压发动机进气充量影响较小;高滚流比气道的缸内油气分布比低滚流比气道更均匀,湍动能也高.因此,缸内直喷增压汽油机宜采用高滚流比气道.最后,通过试验验证表明,高滚流比气道燃烧在低速1,500,r/min满负荷时提前5°CA左右,中速3,000,r/min满负荷时提前3°CA左右,高速时两者差别不大;高滚流比气道燃烧持续期较低滚流比气道缩短2°CA左右,缸内平均指示压力循环波动系数较低滚流比气道有明显的降低,燃烧稳定性改善20%～30%,油耗率降低5%～10%,HC和CO排放降低明显,NOx排放有所升高.

GDI发动机怠速停止技术无起动机起动的试验研究

不使用起动机的条件下,在一台4G15缸内直喷汽油机上研究了直接向处于膨胀冲程气缸喷油点火正转直接起动模式和向处于压缩冲程气缸喷油反转后再向膨胀冲程气缸喷油正转的起动模式.结果表明:首次喷油气缸过量空气系数在0.84左右时可以获得最高燃烧压力;正转起动模式处于膨胀冲程气缸活塞初始位置在上止点后105°CA时较为理想,能保证膨胀冲程气缸活塞转过其下止点,从而使起动成功;对于先反转后正转起动模式,处于压缩冲程气缸活塞位置控制在上止点前80°CA时,保证了该活塞反转且不能转过其下止点,其次使处于膨胀冲程的气缸有较多的气体并尽量的被压缩,有利于顺利起动.

缸内直喷汽油机微粒排放特性的试验研究

试验研究了缸内直喷（GDI）汽油机的负荷、过量空气系数、点火时刻等参数对于三效催化器（TWC）后的颗粒（PM）排放特性的影响。试验在在2台GDI汽油机上进行,用气相质谱-色谱（GC-MS）联用方法,分析了TWC后微粒中可溶有机成分（SOF）。结果表明：随着负荷增加,微粒质量和数量排放增加,在满负荷工况下,微粒排放大幅增加;TWC后的SOF和核态微粒数量明显降低;随着过量空气系数的增加和点火时刻的推迟,微粒排放呈减少趋势;核态粒径峰值为10~20 nm,积聚态粒径峰值为50~70 nm。负荷、过量空气系数和点火提前角等参数和TWC对微粒粒径范围的影响小。

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.

缸内直喷汽油机工作过程三维数值模拟

用三维CFD数值模拟软件对一台均质充量缸内直喷汽油机全负荷工况时的进气、压缩和混合气形成过程进行了三维瞬态数值模拟.分析了进气道内及气缸内的工质运动状态,研究了缸内滚流的形成和发展历程及其对混合气形成的影响,探讨了两种喷油定时所对应的燃油喷雾、混合气形成过程.结果显示,在现有条件下喷油开始时刻为420°CA所对应的点火时刻火花塞附近混合气形成质量好于喷油开始时刻为390°CA的情况,更利于着火和火焰传播.另外,为了进一步改善混合气质量,改进了燃烧室设计方案,并对新方案的混合气形成质量进行了对比分析.结果表明,与原方案相比新燃烧室方案的燃料蒸发速度更快,混合气均匀性更好.

GDI发动机燃用甲醇及甲醇/汽油混合燃料的微粒排放特性研究

在缸内直喷汽油机上进行了燃用纯甲醇和甲醇/汽油混合燃料的微粒排放特性研究,分析了点火定时、喷油定时和过量空气系数对微粒排放的影响规律。试验结果表明:在选定的发动机典型常用运行工况下,燃用纯甲醇燃料(M100)时,缸内直喷汽油机几乎不产生微粒排放;燃用甲醇/汽油混合燃料时(M20或M25),排气微粒数浓度主要集中在核态微粒区域,微粒质量浓度主要集中在积聚态微粒区域,其中M25燃料的微粒排放性要优于M20燃料;随着点火定时的提前,排气微粒数浓度和质量浓度均有所升高;随着喷油定时的提前,排气微粒数浓度降低,微粒质量浓度升高。

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。