基于喷油策略和阿特金森循环的汽油压燃发动机高负荷性能优化研究
发布时间：2021-08-14 03:32
基于单缸机开展了多次喷射和阿特金森循环对汽油压燃（gasoline compression ignition,GCI）发动机性能影响的试验研究,试验分别研究了单次喷射、两次喷射及两次喷射结合阿特金森循环对GCI中高负荷性能的影响。结果表明,单次喷射中喷油压力、喷油时刻和喷油量对GCI燃烧有显著的影响,提高喷射压力可提高发动机的平均指示压力,降低循环波动,但喷油压力过高会导致燃烧对喷油时刻变化异常敏感,使燃烧难以正常进行;喷油量增加可提高发动机的平均指示压力,但过高的喷油量会导致不完全燃烧的燃油量增加,热效率下降。在两次喷射中,主喷时刻对燃烧起着决定性的影响。主喷时刻提前,发动机动力性有所提升,但压升率也随之增加;主喷时刻推迟,发动机动力性相应降低,同时循环波动增加。增加预喷量有利于发动机性能的提升,但预喷量过大会导致燃烧可控性降低。阿特金森循环能明显提升GCI热效率,其主要原因是减少了压缩行程的压缩负功,同时燃烧并未恶化,膨胀做功并未降低。
【文章来源】：内燃机工程. 2020,41(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同阿特金森循环的气门升程曲线
图2展示了不同喷油压力和喷油时刻对平均指示压力的影响，该工况下循环喷油量固定为32mg。结果表明：无论喷油压力如何，喷油时刻提前，平均指示压力均呈现增加的趋势，这是由于喷油提前使得燃料的预混程度增加，从而使得着火时刻和燃烧相位提前，燃烧放热更加集中；随喷油压力增加，平均指示压力呈现增加的趋势，适当提高喷油压力对发动机性能有一定程度的提升。但喷油压力60MPa和80MPa的工况会出现“过度混合”的现象，此时燃烧速率过快，并且喷油时刻的微小变化都对压力升高率有巨大的影响，如图3所示。为了避免发动机发生损坏，本研究将压力升高率的限值定为1MPa/（°）；为了保持燃烧稳定性，将循环波动的限值定为5%。在高喷射压力下为了避免过快和过于粗暴的燃烧，需要尽量推迟喷油时刻，这对燃烧稳定性和发动机动力性均有不利影响。而另一方面，较低的喷油压力又由于雾化能力较差容易导致不完全燃烧，从而造成较低的平均指示压力和较大的循环波动。从上述结果来看，80MPa喷油压力下不存在同时满足平均指示压力循环波动和最大压力震荡幅值限制的工况点，而60MPa喷油压力也仅仅在喷油时刻-22°的工况满足限制，60MPa和80MPa喷油压力均不适合该工况下的GCI燃烧。从性能输出来看，40MPa喷油压力的平均指示压力和循环波动均优于20MPa喷油压力，因此在该工况下，40MPa为GCI燃烧的最佳喷油压力。
从上述结果来看，80MPa喷油压力下不存在同时满足平均指示压力循环波动和最大压力震荡幅值限制的工况点，而60MPa喷油压力也仅仅在喷油时刻-22°的工况满足限制，60MPa和80MPa喷油压力均不适合该工况下的GCI燃烧。从性能输出来看，40MPa喷油压力的平均指示压力和循环波动均优于20MPa喷油压力，因此在该工况下，40MPa为GCI燃烧的最佳喷油压力。基于40MPa的喷油压力，对喷油量开展进一步的研究。图4是在喷油时刻为-40°和-36°下平均指示压力和平均指示压力循环波动随循环供油量的变化。可以看出，在两种喷油时刻下，平均指示压力和平均指示压力循环波动随循环供油量的变化规律基本一致：从循环供油量11mg开始，逐渐增加供油量，平均指示压力明显增加；但当循环供油量增加到32mg时，进一步增加循环供油量并没有明显增加平均指示压力，这是由于燃油量过大，燃油和空气并未达到理想的混合状态，存在较多燃油过浓的区域，从而导致燃烧不完全。图5为指示热效率随循环供油量的变化。随喷油量增加，指示热效率呈现逐渐降低的趋势，即使在供油量较低的情况下也依旧如此。这是由于喷油量增加一方面在一定程度上使得燃料不完全燃烧的比例增加，另一方面使得燃烧温度明显增加，传热损失也随之大大增加。从图中还可以看到，当循环供油量高于32mg时，继续增加循环供油量导致指示热效率急剧降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]混合气分布特性对汽油压燃影响的数值模拟[J]. 马桂香,马俊生,刘海峰,郑尊清,尧命发. 燃烧科学与技术. 2019(03)
[2]汽油压燃发动机中燃烧化学动力学特性的模拟[J]. 尚冉,张帆,王洋,夏明涛,钟生辉,刘海峰. 内燃机工程. 2019(02)
[3]直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究[J]. 米姗,王浒,李彩云,尧命发. 内燃机工程. 2019(02)
[4]阿特金森/米勒循环对柴油机性能影响的探究[J]. 白文涛,李明海,司皓月,齐长宝. 铁道机车与动车. 2018(09)
本文编号：3341686
【文章来源】：内燃机工程. 2020,41(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同阿特金森循环的气门升程曲线
图2展示了不同喷油压力和喷油时刻对平均指示压力的影响，该工况下循环喷油量固定为32mg。结果表明：无论喷油压力如何，喷油时刻提前，平均指示压力均呈现增加的趋势，这是由于喷油提前使得燃料的预混程度增加，从而使得着火时刻和燃烧相位提前，燃烧放热更加集中；随喷油压力增加，平均指示压力呈现增加的趋势，适当提高喷油压力对发动机性能有一定程度的提升。但喷油压力60MPa和80MPa的工况会出现“过度混合”的现象，此时燃烧速率过快，并且喷油时刻的微小变化都对压力升高率有巨大的影响，如图3所示。为了避免发动机发生损坏，本研究将压力升高率的限值定为1MPa/（°）；为了保持燃烧稳定性，将循环波动的限值定为5%。在高喷射压力下为了避免过快和过于粗暴的燃烧，需要尽量推迟喷油时刻，这对燃烧稳定性和发动机动力性均有不利影响。而另一方面，较低的喷油压力又由于雾化能力较差容易导致不完全燃烧，从而造成较低的平均指示压力和较大的循环波动。从上述结果来看，80MPa喷油压力下不存在同时满足平均指示压力循环波动和最大压力震荡幅值限制的工况点，而60MPa喷油压力也仅仅在喷油时刻-22°的工况满足限制，60MPa和80MPa喷油压力均不适合该工况下的GCI燃烧。从性能输出来看，40MPa喷油压力的平均指示压力和循环波动均优于20MPa喷油压力，因此在该工况下，40MPa为GCI燃烧的最佳喷油压力。
从上述结果来看，80MPa喷油压力下不存在同时满足平均指示压力循环波动和最大压力震荡幅值限制的工况点，而60MPa喷油压力也仅仅在喷油时刻-22°的工况满足限制，60MPa和80MPa喷油压力均不适合该工况下的GCI燃烧。从性能输出来看，40MPa喷油压力的平均指示压力和循环波动均优于20MPa喷油压力，因此在该工况下，40MPa为GCI燃烧的最佳喷油压力。基于40MPa的喷油压力，对喷油量开展进一步的研究。图4是在喷油时刻为-40°和-36°下平均指示压力和平均指示压力循环波动随循环供油量的变化。可以看出，在两种喷油时刻下，平均指示压力和平均指示压力循环波动随循环供油量的变化规律基本一致：从循环供油量11mg开始，逐渐增加供油量，平均指示压力明显增加；但当循环供油量增加到32mg时，进一步增加循环供油量并没有明显增加平均指示压力，这是由于燃油量过大，燃油和空气并未达到理想的混合状态，存在较多燃油过浓的区域，从而导致燃烧不完全。图5为指示热效率随循环供油量的变化。随喷油量增加，指示热效率呈现逐渐降低的趋势，即使在供油量较低的情况下也依旧如此。这是由于喷油量增加一方面在一定程度上使得燃料不完全燃烧的比例增加，另一方面使得燃烧温度明显增加，传热损失也随之大大增加。从图中还可以看到，当循环供油量高于32mg时，继续增加循环供油量导致指示热效率急剧降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]混合气分布特性对汽油压燃影响的数值模拟[J]. 马桂香,马俊生,刘海峰,郑尊清,尧命发. 燃烧科学与技术. 2019(03)
[2]汽油压燃发动机中燃烧化学动力学特性的模拟[J]. 尚冉,张帆,王洋,夏明涛,钟生辉,刘海峰. 内燃机工程. 2019(02)
[3]直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究[J]. 米姗,王浒,李彩云,尧命发. 内燃机工程. 2019(02)
[4]阿特金森/米勒循环对柴油机性能影响的探究[J]. 白文涛,李明海,司皓月,齐长宝. 铁道机车与动车. 2018(09)
本文编号：3341686
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