基于宽域氧传感器的发动机空燃比测试系统设计

为了实现发动机电子控制系统对空燃比的精确反馈控制和方便对发动机进行诊断等用途,在熟悉宽域氧传感器工作原理的基础上,设计了空燃比采集显示系统和PC监控系统。并对测试系统的输出电压和混合气的过量空气系数的对应关系进行了试验标定,最后在发动机试验台架上该测试系统进行了试验验证。结果表明该系统灵敏度高、响应时间短（100 ms）,采集数据显示直观,可用于发动机空燃比闭环控制和车载自动诊断系统（OBD）等的开发。     

重型车用稀燃天然气发动机碳氢排放特性

为研究重型车用稀燃天然气发动机碳氢排放规律及影响因素,提供碳氢排放基础数据,提出控制稀燃天然气发动机碳氢排放的方法,该文利用对比试验的方法对进气总管单点混合增压中冷重型车用稀燃天然气发动机的燃烧特性及外特性、负荷特性碳氢排放进行了研究。试验结果表明:发动机在节气门全开的外特性工况运行时,随发动机转速从1000增加到2000r/min,以曲轴转角计算的速燃期从28°增加到41°;转速保持在2000r/min时,负荷从0到100%,速燃期从52°缩短到41°。外特性的甲烷性碳氢(CH4)排放比例较高,占总碳氢(totalhydrocarbon,THC)排放的95%以上;推迟点火提前角碳氢排放降低,外特性运行时点火提前角推迟6°,在转速1400～2000r/min范围内,THC排放降低了10.1%～15.4%,CH4排放降低了10.9%～16.5%。从空载到75%负荷率范围内,点火提前角推迟6°后,THC排放在不同负荷点降低的平均幅度为24%左右,CH4降低的平均幅度为33.1%左右。在转速1000～2000r/min范围内,随着发动机负荷的提高碳氢排放量增多。标定转速随负荷的增加CH4排放占THC排放的比例升高。该研究为增压中冷单点喷射车用稀燃天然气发动机的碳氢排放控制提供了理论依据。     

小型生物质燃气发动机燃烧稳定性试验

为探明生物质燃气各组分相对含量对发动机工作稳定性的影响,在一台小型火花点火发动机上进行了生物质燃气发动机循环变动试验研究,着重分析了理论空燃比与实际空燃比的比值理论空燃比与实际空燃比的比值、H2含量(H2在CH4-H2中的体积分数)及CO2含量(CO2在CH4-H2-CO2中的体积分数)的变化对燃烧稳定性的影响。试验结果表明,燃料组分对燃烧稳定性有较大影响。在本试验中,当理论空燃比与实际空燃比的比值较小、燃料组分中H2含量较低时(如理论空燃比与实际空燃比的比值为0.4、H2的体积分数为25%及理论空燃比与实际空燃比的比值为0.6、H2的体积分数为17%),CO2含量对燃烧稳定性起支配作用,CO2含量的增加导致循环变动增加(上述工况的平均指示压力循环变动系数均超过了10%),在个别条件下导致部分燃烧。随着理论空燃比与实际空燃比的比值及H2含量的增加,CO2含量对燃烧的影响作用逐渐减弱,当理论空燃比与实际空燃比的比值及H2含量达到一定程度时(理论空燃比与实际空燃比的比值为0.6、H2的体积分数为33%及50%,以及理论空燃比与实际空燃比的比值为0.8所对应的所有H2含量条件)CO2含量对燃烧的影响作用已不明显。通过改变燃料组分条件的方法,能够提高生物质燃气发动机的工作稳定性。该研究的成果对生物质燃气发动机燃烧稳定性、经济性及排放特性改善,以及生物质燃气发动机技术应用、推广均有重要指导意义。     

乙醇对柴油均质压燃燃烧特性影响的模拟

为改善柴油均质压燃燃烧和排放,该文利用多区模型研究了掺混乙醇来控制以柴油为燃料的均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)内燃机的着火时刻。数值模拟计算了掺混乙醇对放热率、最大压力升高率及排放的影响。从化学动力学角度分析了添加乙醇对柴油低温氧化反应中起重要作用的一些中间活性基OH、CH2O、H2O2的影响。结果表明,随乙醇掺混量的增加,低温放热和主燃烧始点均有延迟,当量比为0.3掺混乙醇物质的量为57%时,两者分别延迟2.4°和6.3°。同时最大压力升高率降低,但过多的添加乙醇会导致相同当量比下平均指示压力减小,最高可降低11.6%。较大当量比下掺混少量的乙醇可拓展柴油HCCI的高负荷极限。乙醇的添加有效降低了高负荷下缸内的压力升高率,降低了排放中的CO和氮氧化物。     

含水乙醇汽油直喷发动机燃烧与碳烟排放特性

为了深入分析含水乙醇对汽油直喷（Gasoline Direct Injection,GDI）发动机性能的影响,利用CONVERGE软件,结合耦合含水乙醇汽油燃烧机理和碳烟模型,进行了三维模拟,从微观角度研究了GDI发动机结合废气再循环（Exhaust Gas Recirculation,EGR）技术燃用含水乙醇汽油时的燃烧及碳烟生成与排放特性。结果表明：含水乙醇掺混比的增大有助于加快火焰传播速度,进一步缩短燃烧持续期。碳烟前驱物（PAHs）控制碳烟的成核和生长,含水乙醇汽油的含氧特性及高活性的OH可以抑制碳烟生成,与E0（含水乙醇体积分数为0）相比,E20W（含水乙醇体积分数为20%）的碳烟前驱物苯、萘、菲、芘的质量峰值分别降低了60.0%、54.5%、73.3%、52.4%,碳烟质量峰值降低了63.6%,碳烟数量密度峰值下降了40.0%。EGR的引入使燃烧效率降低,PAHs 和碳烟生成质量升高,碳烟数量密度降低,含水乙醇的添加能改善EGR环境中的燃烧效率,降低未燃HC和碳烟生成量。相比纯汽油,含水乙醇汽油结合EGR技术,弱化了EGR对燃烧和碳烟排放的负面影响。因此,EGR结合含水乙醇汽油能够改善发动机燃烧特性,降低发动机的碳烟等污染物排放,对提升GDI发动机性能和改善颗粒物排放有较好的作用。     

热裂解生物质气发动机怠速燃烧及排放特性

为了研究热裂解生物质气发动机的怠速燃烧特性及控制怠速排放的方法,利用低热值热裂解生物质气作为内燃机的燃料,采集火花点火生物质气发动机怠速运转时的示功图及怠速排放指标,分析了发动机怠速放热率、燃烧参数及排放特性。试验结果表明：不完全燃烧及燃烧参数的变化主要是由于缸内充量的波动及火焰发展的差异而造成的;怠速失火和不完全燃烧现象,导致发动机的怠速CO排放为4.07%～4.32%、HC排放为350×10-6～400×10-6;怠速运转时存在0.2～0.4 BSU的碳烟排放。减小缸内充量的波动性可以有效改善非正常燃烧现象并降低怠速排放。     

不同喷油定时乙醇/柴油RCCI低负荷燃烧与排放特性

在总循环能量与乙醇能量替代比不变的条件下,研究了不同柴油喷油定时（start of injection, SOI）下乙醇/柴油活性控制压燃（reactivity controlled compression ignition, RCCI）六缸增压柴油机低负荷的燃烧与排放特性。结果表明,随着SOI的提前,RCCI冷焰反应相位提前,高温放热的瞬时放热率峰值先增大后减小,滞燃期逐渐增大,缸内燃烧温度逐渐增加,燃烧重心先提前后推迟。传统燃烧模式（conventional combustion mode, CCM）与RCCI的燃烧特性差异随着SOI的提前而增大。与CCM相比,RCCI的NOx排放的减少量随着SOI的提前而增加,HC与CO排放的增加量随着SOI的提前而减少。随着SOI的提前,粗态（>273.8～1 000 nm）颗粒物质量分数从84.09%减小到32.87%。聚集态（>13.3～273.8 nm）颗粒物质量分数从15.88%增加到66.36%。与CCM相比,RCCI的颗粒物排放的数量浓度较少,尤其是核态颗粒物;但RCCI颗粒物排放质量浓度较高。     

柴油机双卷流燃烧系统排放特性试验

为合理评价双卷流燃烧系统的排放水平,在单缸机试验台架上对双卷流燃烧室和某国Ⅲ柴油机使用的TCD燃烧室的颗粒、NOx排放、燃油消耗率、缸内压力等进行了测量,并对燃烧放热率和缸内平均温度进行了分析。结果表明,外特性工况下,使用双卷流燃烧室可比TCD燃烧室减少颗粒排放7%～47%,缩短燃烧持续期1°～6°,降低油耗0.75%～3.05%;部分负荷工况下,由于油束贯穿度较小,缸内燃烧以空间燃烧为主,采用双卷流燃烧室时其卷流作用不明显,排放性能与TCD燃烧室相差不大。该研究可为双卷流燃烧系统在降低柴油机排放方面的应用提供指导。     

柴油机双卷流燃烧系统的排放特性

为研究双卷流燃烧系统对直喷式柴油机有害排放物生成的影响,该文采用试验和计算流体力学CFD仿真分析方法,探讨燃油喷射系统中喷油提前角、喷孔直径、油束夹角和涡流比对双卷流燃烧系统(DSCS)排放特性的影响.研究结果表明:随着喷油提前角的增加和喷孔直径的减小,NOx生成量增加,碳烟生成量降低;随着油束夹角的增加,碳烟生成量降低,NOx生成量先增加后降低;涡流比和弧脊的匹配直接影响着双卷流燃烧系统中燃油的雾化、混合和燃烧过程,为了降低有害污染物的排放应采用较小的涡流比与双卷流燃烧室,确定了与双卷流燃烧室相匹配的满足NOx、碳烟排放最佳涡流比为1.该研究可为柴油机双卷流燃烧系统优化设计提供参考.     

小功率非道路用柴油机燃烧过程优化与降噪

为了保证4D29G31非道路用柴油机动力性、经济性以及有害物排放等满足限值要求的同时,降低燃烧噪声和降低整机噪声,该研究对缸内燃烧过程进行优化。通过对油嘴凸出量、喷油嘴孔数、喷孔直径和涡流比优化匹配,改善缸内油气混合和燃烧过程;通过对动态供油提前角的优化,缩短滞燃期,进而抑制快速燃烧期内的燃烧速率和压力振荡。各参数优化匹配后,标定工况下柴油机的最高燃烧压力和压力升高率与原机相比分别下降了18%和44.9%,整机噪声降低了0.73 dB;最大扭矩工况下柴油机的最高燃烧压力和压力升高率与原机相比分别下降了39%和40%,整机噪声降低了1.07 dB。研究可为小功率非道路用柴油机通过缸内燃烧过程优化降低噪声提供技术参考。     

基于超高速摄影分析柴油机近场喷雾锥角变化特性

为研究近场喷雾锥角的变化及其对初次雾化的影响,在可视化定容弹试验台上,采用超高速数码摄影和长距工作显微成像技术相结合的方法,研究了不同喷射压力、背压及孔径对距喷孔出口4 mm范围内高速射流的喷雾锥角的影响。结果表明,在整个喷油过程中,近场喷雾锥角呈现三段式的发展,存在2个波峰"始峰"和"尾峰"以及一个稳定波动段;启喷阶段,喷射压力越高近场喷雾锥角的"始峰"值越大,且"始峰"出现的越早,喷油器的启喷性能也越好,而背压对启喷性能影响较小;结束阶段,随着喷射压力和背压的升高,近场喷雾锥角的"尾峰"值越大,同时"尾峰"出现的时刻更为靠后;稳定阶段,背压越大,近场喷雾锥角越大,而近场喷雾锥角随喷孔直径的增加呈现出减小的趋势。     

小型涡流室柴油机供油与燃烧系统协同匹配

小型涡流室柴油机的供油与燃烧系统优化是满足不断加严排放法规的基础。该文以某170F涡流室柴油机为研究对象,运用模拟计算与试验结合的方法,对其供油及燃烧系统开展研究。借助工程软件构建了供油系统仿真模型,通过设计长型短结构喷油器、优化供油系统参数,来提高喷油压力和优化喷油特性;利用FIRE软件对燃烧过程进行模拟,找出了喷油油线在涡流室内位置及燃烧室容积比的最佳范围。柴油机优化后整机初次试验气体比排放低于国家第三阶段排放限值,CO和HC+NOX分别较原机下降了72.8%和21.3%(八工况循环),标定工况烟度由原机4.5下降到1.2 BSU,有效燃油消耗率较原机下降了约16.1%。该研究工作为小型涡流室柴油机性能提高和节能减排提供了参考。     

低排放轻型车用柴油机结构及燃烧系统的优化

在现有4F20机械式燃油系统柴油机基础上,从机械系统和燃烧系统优化匹配、后处理系统选型等方面入手,进行了满足国Ⅳ排放标准的经济型轻型车用柴油机开发。机械系统设计中,对机体和缸盖的加强筋和冷却水套进行合理布置,有效提高整机刚度和缸套冷却效果,减少变形,并设计了结构紧凑、传动可靠且运转平稳的新型齿轮传动系统。燃烧系统升级优化方面,由直列泵式机械燃油供给系统升级为高压共轨电控燃油喷射系统,重新设计燃烧室形状的同时将压缩比从19.7降低为17.5,并优化燃油油束在燃烧室内的分布。通过燃油喷射、增压与废气再循环参数的协同标定改善了柴油机燃油经济性和排放性能。选用容积占有率为25%和75%的2级氧化催化转化器,对一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、可溶性有机成分(soluble organic fractions,SOF)和颗粒(particulatematter,PM)的净化效率分别达90%、85%、90%和20%。柴油机配套NHQ6492V3型SUV后整车排放测试结果显示:CO、NOx、总碳氢(THC)+NOx和PM排放分别为0.36、0.259、0.328和0.029g/km,距国Ⅳ排放限值有20%以上的裕度,综合油耗为7.217L/(100km),满足2015年即将实施的中国乘用车燃料消耗第3阶段法规限值。     

射流控制压缩着火发动机不同负荷下燃烧及排放特性

针对柴油预混合气着火相位难以直接控制的问题,提出射流控制压缩着火(jet controlled compression ignition,JCCI)方式。将一台单缸农用柴油机改造为JCCI发动机:压缩比降至12,增加一个带液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)供给通道和火花塞的点火室,并进行了JCCI发动机全负荷特性试验研究。试验结果表明:采用射流控制压缩着火方式可以有效控制发动机的燃烧相位和排放。在平均有效压力低于0.44 MPa的工况范围,NOx排放比原机降低较多,燃烧始点相位CA10与滞燃期几乎不随负荷增加而改变;在平均有效压力高于0.44直至0.54 MPa负荷范围内,燃烧始点相位迅速前移,滞燃期迅速减小,柴油提前自燃,射流对着火相位控制作用减弱,NOx排放迅速增加并超过原机;在全负荷范围,烟度始终维持在低水平,HC和CO排放较高。该研究可为柴油预混合燃烧着火相位控制提供参考。     

电控低压喷射小型汽油机燃烧与排放特性分析

以168F汽油机为样机,采用自主开发的通用小型汽油机低压电控燃油喷射系统,按照美国EPA排放试验循环工况,对35 kPa、70 kPa和0.3 MPa喷射压力下发动机燃烧特性与排放特性进行试验研究。得出小型汽油机采用不同喷射压力喷油,可通过喷油脉宽控制使各工况点过量空气系数无明显差异,能实现以低排放为目标开环控制的电控低压喷射并能优化汽油机的综合性能。降低喷射压力,发动机标定工况缸内最大爆发压力略有降低,最大爆发压力对应曲轴转角推迟。随着喷射压力降低,燃烧持续期略有增加,缸内最高燃烧温度下降,CO排放值几乎保持不变,HC排放值呈上升趋势,NOX排放值则呈下降趋势,有效燃油消耗率略有增加。用喷油压力分别为35 kPa、70 kPa和0.3 MPa喷油,CO比排放分别为259.9、258.5和258.3 g/(kW·h);HC+NOX比排放分别为7.41、7.35和6.99 g/(kW·h)。相对于使用化油器供油的原机而言,电控样机整机动力性不变,排放和经济性能明显提高。采用35kPa 的低压电控喷射系统小型汽油机能满足美国 EPAⅢ排放法规限值要求,起动性能、运转稳定性明显改善,能降低整机电控系统的成本,可推动整个通用小型汽油机行业电控化发展。     

预混比和喷油定时对异丁醇/柴油RCCI燃烧与排放特性的影响

通过在一台六缸增压柴油机上进行了异丁醇/柴油双燃料活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)的试验,探究了异丁醇作为低活性燃料在不同的预混比(premixing ratio,R_p)和喷油定时(start of injection,SOI)下对发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明,随着SOI的提前,点火延迟(ignition delay,ID)延长,放热率峰值(maximum heat release rate,HRRm)先增大后减小;在排放方面,THC和CO的排放水平降低,NOx呈现先升高后降低的趋势,而在R_p=30%～50%时,颗粒物(particle matter,PM)的排放呈现先降低后升高的变化,当R_p=60%时则只表现出了降低的趋势。此外,随着异丁醇R_p的增加,ID和燃烧持续期(combustionduration,CD)都增长,HRR_m降低;在排放方面,THC和CO排放升高,NOx排放降低,而PM排放在R_p=30%下具有最高的水平,R_p=40%和R_p=50%时则都显示出较低的水平,而在Rp=60%下整体有所升高。此外,粒径分布显示3～30 nm的核态颗粒物(nuclear particle matter,PMN)排放数量最高,但质量占比非常小。而在PM排放质量分布中,主导的PM是粒径为30～500 nm的积聚态颗粒物(accumulated particle matter,PMA)。     

点燃式发动机燃烧稳定性的非线性动力学分析

为了揭示点燃式发动机燃用汽油、液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)和压缩天然气(compressed natural gas,CNG)时,循环变动的动力学本质。采用非线性动力学的方法,围绕燃烧过程的稳定性开展了研究。分析了最大爆发压力的循环变动系数,对缸内压力的时间序列进行了3维相空间的重构,采用庞加莱截面法简化了重构的相空间轨迹,分析了平均有效压力(indicated mean effective pressure,IMEP)的循环变动规律,围绕返回映射开展了研究。结果表明,缸内压力的相空间轨迹具有一定的混沌特性,燃烧初始阶段结构相对紧密;燃用汽油时,轨迹分布密集,燃用LPG和CNG时,轨迹逐渐发散,燃烧稳定性下降;庞加莱映射降低了相空间结构的复杂性,LPG和CNG燃烧时散点发散,燃烧参数随机性增强;汽油燃烧时,平均指示压力的循环变动较小,LPG和CNG燃烧时,循环变动逐渐增大,燃烧随机性增强。发动机燃烧过程具有混沌特性,燃用LPG和CNG时稳定性下降。通过论文的研究揭示了点燃式发动机燃烧过程循环变动的产生原因,为改善发动机的燃烧稳定性提供了理论依据。