基于两次喷射的TGDI汽油机超级爆震试验及仿真

采用试验和数字模拟方法研究了两次喷射对增压直喷(TGDI)汽油机产生超级爆震的影响.结果表明:与单次喷射相比,两次喷射模式对超级爆震现象具有抑制作用;在两次喷射模式中,将第二次喷油结束时刻推迟至进气行程末期或压缩行程,会促进超级爆震现象发生,而增大第二次喷油的比例有助于抑制超级爆震;结合缸内温度分布模拟结果发现,由第一次喷油激起的润滑油油滴和第二次喷油引起的缸内温度场变化是形成超级爆震诱发热点的重要因素.

高效Atkinson循环TGDI发动机作为传统动力的研究

基于涡轮增压缸内直喷(TGDI)发动机,采用高几何压缩比和大范围可调的可变气门正时(VVT)机构,选择合适的阿特金森(Atkinson)循环率,在兼顾高负荷动力性的同时降低部分负荷的油耗,以解决阿特金森循环发动机动力性不足的问题。制作样机并进行台架试验,研究了阿特金森循环对发动机换气过程的影响和燃油经济性的改善效果及阿特金森循环对排放和动力性的影响。结果表明:阿特金森循环可以容忍更大的几何压缩比以提升热效率,同时有利于降低部分负荷下的泵气损失并提高低负荷时的燃烧稳定性,可降低油耗、颗粒物排放及高负荷时的爆震倾向;但进气门关闭推迟会严重影响发动机的动力性能,因此需要降低高负荷时的阿特金森循环率并提高增压压力。

TGDI发动机二次喷射优化对排放特性的影响

研究了不同的二次喷射优化策略对涡轮增压直喷汽油机未燃HC和炭烟的影响情况。通过适当的喷油配比、喷油时刻改善燃烧室内燃油混合气分布情况。利用多因子扫描组合,对某工况下不同喷油配比、喷油时刻组合进行了试验研究。结果表明,采用适当的喷油配比、恰当的喷油时刻,能够使油气混合质量较好,炭烟与未燃HC均会减少,排放改善趋势显著。

TGDI发动机超级爆震特性研究

研究了单次喷射及二次喷射对涡轮增压直喷汽油机某工况下超级爆震的影响,分析了二次喷射策略下进排气凸轮相位、进气温度、点火提前角、空燃比、发动机水温及曲轴箱通风系统对超级爆震的影响情况。结果表明,采用适当的二次喷射策略能有效抑制超级爆震的发生,增加发动机水温,降低混合气空燃比,适当提前排气相位可以减少超级爆震的频次,进气温度及点火提前角对超级爆震现象的改善不大。

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.

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。

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。

喷油定时对汽油机燃烧和微粒排放的影响及优化

利用燃烧分析仪和快速微粒光谱仪开展了喷油定时对增压直喷汽油机燃烧和微粒排放特性影响的实验研究。结果表明：随着喷油定时的不断推迟,缸内压力、瞬时放热率和缸内平均温度峰值均先增大后减小,峰值位置先提前后推迟;火焰发展期和快速燃烧期先缩短后增大,存在最佳喷油定时使得循环波动最小。缸内直喷汽油机微粒排放呈现核态和积聚态的双峰值。随着喷油定时的延后,积聚态的微粒峰值数量浓度先降低后增加,核态微粒则呈现相反的变化趋势;积聚态微粒峰值粒径逐渐减小,而喷油定时对核态微粒峰值粒径影响很小;微粒总数量浓度和积聚态微粒数量浓度均呈现先降低后增加的趋势,且不同工况点的喷油定时均存在最佳值,在280~310℃A BTDC。

米勒循环和废气再循环对涡轮增压汽油机燃烧性能的影响和优化

为了研究米勒循环和废气再循环对高负荷和最佳油耗点燃烧性能的影响,通过修改进气凸轮型线,将一台1.5 L采用废气再循环的涡轮增压直喷汽油机由奥托循环改为米勒循环运行。试验结果显示,在对米勒循环和奥托循环两种不同运行方式进行的对比试验中,在低负荷下,米勒循环的泵气损失比奥托循环小。随着负荷的增加,米勒循环的影响开始减小,与奥托循环泵气损失的差异逐渐变小,阻碍米勒循环热效率的改进。此外,米勒循环还降低了压缩终了温度,从而增加了燃烧持续期和排气温度,使其难以提高最佳油耗点的燃油经济性。就废气再循环对米勒循环和奥托循环的影响也进行了对比试验。随着废气再循环率的增加,两种循环的热效率均呈现先升后降的趋势。但采用米勒循环减少了进气时间和气门升程,大大降低了缸内滚流比和湍动能,从而延迟了已燃50%质量分数对应的曲轴转角(MBF50)并延长了燃烧持续期,这使其在高负荷下的热效率和燃油经济性均低于奥托循环。

增压直喷乙醇-汽油发动机超级爆震模拟

采用在压缩行程上止点前向燃烧室内直接喷入一定量机油液滴,模拟了悬浮在燃烧室内的机油液滴引燃可燃混合气诱发低速早燃(LSPI)现象的过程.试验验证了选用的计算模型及计算方法的可行性后,数值模拟了不同低速运转条件下、不同乙醇掺混比(体积分数)的乙醇-汽油混合燃料时,小缸径增压直喷发动机燃烧室内由机油液滴引发的低速早燃现象以及后续的超级爆震过程.结果表明:乙醇掺混比分别为10%和20%(E10、E20)时,发动机缸内依次发生了超级爆震燃烧;当乙醇掺混比为30%(E30)时,即使发生了早燃现象(1200 r/min)并导致随后的爆震燃烧,但压力升高幅度明显降低,此时没有发生超级爆震燃烧;随着发动机转速提高(1600 r/min),使用E30燃料时发动机缸内也仅发生了早燃现象,而没有发生爆震燃烧;当乙醇掺混比高于50%(E50)后,不同工况条件下发动机缸内已经没有低速早燃现象.使用乙醇-汽油混合燃料的小缸径增压直喷发动机在超级爆震发生前一定有低速早燃现象发生,但低速早燃现象不一定导致超级爆震过程.

汽油直喷增压发动机的润滑技术分析与对策

分析了汽油涡轮增压缸内直喷(TGDI)发动机的润滑技术要求,通过发动机油的抗氧化、抗磨损、低速早燃、涡轮增压器沉积物和减摩节能等试验研究了直喷增压汽油机油的使用性能。结果表明:缸内直喷、涡轮增压等技术的使用对汽油发动机提出了全新的润滑要求,与传统发动机油相比,汽油直喷增压发动机润滑油需要更强的抗氧化和抗磨损性能,并能抑制涡轮增压器的沉积物,同时兼具减摩节能和抗低速早燃性能;针对全新的润滑要求,从润滑油配方设计角度提出了技术解决方案。

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.

活塞冷却喷射对高压缩比汽油机性能影响的试验研究

利用活塞冷却喷嘴(Piston Cooling Jets,PCJ)提升活塞寿命和整机性能已成为高热效率发动机的关键技术之一。利用1台1.5 L增压直喷汽油机,试验研究了不同压缩比的振荡冷却活塞的PCJ开闭对发动机燃烧和排放性能的影响。结果表明:不同工况下,压缩比为12.5∶1时,开启PCJ使得发动机摩擦损失FMEP(Friction Mean Effective Pressure)平均升高8%,燃烧重心提前,缸内最大燃烧压力升高,中大负荷下发动机燃油消耗率受燃烧性能与摩擦损失变化共同影响而有所改善;排放方面,PCJ开启使得HC和NOx排放有所升高,对CO排放的影响与工况有关,但变化幅度极小。中速中负荷工况下,相比压缩比为15∶1,压缩比为12.5∶1时PCJ开启对燃烧性能的改善效果更好,油耗降幅更大,HC排放增幅更大,NOx排放增幅更小。

某直列三缸1.0升涡轮增压直喷汽油发动机的开发

介绍东风汽车公司所研发的某新型1.0 L三缸直列涡轮增压直喷(TGDI)汽油发动机。研发中,经过计算流体动力学(CFD)模拟、气道试验和透明发动机试验,优化了燃烧系统,提高其综合性能;采用高效率和低惯量涡轮增压器,保证了良好的全转速性能输出和瞬态响应速度;采用低摩擦、热管理、变排量机油泵和进排气气门可变正时技术(DVVT)等措施,实现了低油耗;优化发动机本体结构设计,研究平衡策略,并设计悬置系统匹配,获得了良好噪声/振动/不平顺性(NVH)性能。进行了台架试验和整车搭载试验。结果表明:该发动机各项性能指标达到设计目标,体积小、结构紧凑,适于不同传统车型和混合动力车型搭载。

先进增压汽油机动力性能的控制参数以及增压器预匹配研究

对3台先进车用增压直喷汽油机性能进行对标试验,通过对运行与性能实测数据的二次开发总结其共性规律,得到能用于在不同发动机之间进行交叉对比和设置仿真计算边界条件的机械效率散带图,提炼出影响增压汽油机动力性能的关键参数J和K,其中代表指示热效率水平的参数J范围为0.35~0.40,参数K与发动机的动力性能参数呈较好的线性关系。借助所得到的共性规律,针对某1.5 L增压直喷汽油机的动力性能开发目标进行增压压力和空气流量的预估,以此为基础预选、优化增压器,并为该发动机的详细性能仿真数模提供边界条件,验证结果的有效性。

喷射控制策略对增压直喷汽油机燃烧和性能的影响

对1台车用增压直喷乙醇汽油机进行试验,研究不同喷射策略包括喷射次数、喷射时刻、喷射压力及分配系数对发动机性能的影响。研究结果表明:对于单次喷射模式,喷油时刻为上止点前300°时性能最佳,此时,有效热效率最高达35.17%,指示热效率最高达37.51%;随着喷射时刻推迟,50%燃烧位置(曲轴转角α50)往上止点推移,燃烧持续期缩短;喷油压力扫描试验结果表明该工况的最佳喷射压力为12 MPa,此时,有效热效率最高达34.35%,指示热效率最高达37.01%;在二次喷射模式下,随着第一次分配系数下降,α50逐渐远离上止点且燃烧持续期逐渐延长,有效热效率随着分配系数减小而降低,而指示有效压力的循环变动率和有效燃油消耗率随之升高;燃油消耗率最大偏差达62.48 g/(kW·h),燃油消耗率最高降低20.19%,因此,合理控制和优化喷油控制策略能提高增压直喷汽油机的燃烧质量并提高其性能。

利用扫气抑制增压直喷汽油机爆震的试验研究

通过台架试验研究了扫气对增压汽油机爆震的抑制效果。在转速为1 800 r/min,扭矩分别为150,200,250 N.m工况下,分析了扫气对点火提前角、进气流量和涡轮前端温度的影响。研究了相同节气门开度不同配气相位情况下,利用扫气改善大负荷下扭矩的潜力。结果表明:随着负荷的增加,扫气效果逐渐增强,发动机的点火提前角并不随着负荷的增加而推后,只是在一定区域内波动,进气流量增加,涡轮前端温度先降低后增加;大负荷下利用可变气门技术形成的扫气可以有效提高充气效率和动力性;在1 800 r/min下,发动机扭矩可以提高50 N.m。

增压直喷汽油机的低速早燃特性研究

对一台增压直喷汽油机进行低速早燃(low-speed pre-ignition,LSPI)试验研究,在转速为1750 r/min和转矩为320 N·m这一典型的低速早燃工况下,早燃的着火时刻越早,爆震发生倾向越高,并且强度也越大。试验同时研究了发动机运行参数和机油物理化学性质对早燃的影响,研究结果表明随着中冷温度和冷却液温度的提高,早燃频次增加;高黏度的机油可以抑制超级爆震频次和发生倾向;机油添加剂中钙元素对超级爆震的发生起极大促进作用,磷元素起较大抑制作用,镁元素的抑制作用最小。

某增压直喷汽油发动机曲轴箱通风系统失效的分析和解决

近年来发动机缸内直喷、多级增压、VVT/L(可变气门正时/升程)等新技术不断问世,发动机动力性加强的同时,活塞漏气量也大幅增加。因此对曲轴箱通风系统的油气分离效果提出了更高的要求。曲轴箱通风系统设计不合理,油气分离效果差,将加速润滑油变质和机件腐蚀,同时有害排放物也会大幅增加。针对某直喷增压发动机窜机油严重的原因进行分析,通过CFD计算及试验验证,优化油气分离器方案,有效解决了发动机窜油问题。

外部EGR对增压直喷汽油机HCCI工况范围的影响

以某增压直喷汽油机为研究对象,对外部EGR率对该汽油机HCCI工况范围的影响及其拓展能力进行研究,同时结合GT-Power软件研究并预测EGR率对HCCI工况范围的拓展程度。结果表明,随着外部EGR率的增加,着火时刻推迟、峰值压力降低、峰值相位推迟,燃烧持续期增加,因此可降低爆震倾向,对HCCI发动机高负荷工况有拓展作用。当EGR率增加至13.3%时,可使HCCI燃烧模式的上边界拓展13.87%。