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基于米勒循环的爆震抑制策略及其对汽油机性能影响研究

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基于米勒循环的爆震抑制策略及其对汽油机性能影响研究

作者：邵爱芳天津大学

学位级别：硕士

爆震是抑制汽油机热效率提高的主要障碍之一,传统爆震抑制策略一般会牺牲汽油机动力、经济性。米勒循环可通过改变有效压缩比抑制爆震并提高发动机热效率。因此,本文将基于米勒循环开展不同爆震抑制策略及其对发动机性能的影响研究。本... 详细信息

爆震是抑制汽油机热效率提高的主要障碍之一,传统爆震抑制策略一般会牺牲汽油机动力、经济性。米勒循环可通过改变有效压缩比抑制爆震并提高发动机热效率。因此,本文将基于米勒循环开展不同爆震抑制策略及其对发动机性能的影响研究。本文以一台压缩比可调的单缸机为究对象,研究工况均为压缩比为10、燃空比为1、转速为1600 rpm满负荷。基于Converge模拟了米勒循环及二次喷射爆震抑制效果,发现米勒循环可降低缸内温度、改善燃油分布;二次喷射可增加湍动能、火焰传播速度。基于单缸机实验平台,根据单次喷射下最佳油耗及扭矩输出,确定了基准喷油时刻为240 CAD BTDC。在此基础上开展了米勒循环和二次喷射策略抑制爆震的试验研究。结果表明:推迟关进气门(LIVC)的米勒循环爆震抑制效果优于提前关进气门,随推迟角度增加爆震抑制效果增加;随着第二次喷射比例增大、喷射时刻推迟,爆震抑制效果增加,但循环波动提高,并基于爆震抑制效果的动力性和经济性确定最佳喷射策略为喷射比例4:1、喷射时刻100 CAD BTDC。由于LIVC的扭矩输出明显下降,为弥补动力损失,在LIVC基础上采用增压技术开展爆震抑制研究。结果表明:增压结合LIVC抑制爆震的同时可提升扭矩,其中增压压力为1.4 bar,LIVC=60 CAD时,发动机热效率约提高2.5%。在此基础上,结合最佳二次喷射策略开展爆震抑制实验研究,发现该策略可提升发动机动力、经济特性。为进一步提高发动机性能,将CR提升到12,探究了最佳增压米勒循环结合最佳喷射策略对发动机性能的影响,发现最佳喷油策略结合增压压力1.8 bar,LIVC=85 CAD策略,最优扭矩输出与CR10相当,但有效燃油消耗率明显降低,最高可降低2%,有效热效率可以达到37%以上;部分负荷下,热效率、扭矩输出及油耗均优于CR10。综上所述,米勒循环、二次喷射、增压米勒循环以及增压米勒循环结合二次喷射策略能有效抑制爆震,并提高发动机性能;压缩比从10提高到12,采用增压米勒结合二次喷射策略在满负荷工况可降低油耗且保证动力输出相当,而在部分负荷具有明显优势。

关键词：爆震喷射策略米勒循环汽油机性能数值模拟试验研究

低温条件下米勒循环对GDI发动机混合气形成的影响及优化研究

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低温条件下米勒循环对GDI发动机混合气形成的影响及优化研究

作者：丁统元江苏大学

学位级别：硕士

随着愈加严格的排放法规不断更新与实施,汽油车的整体排放大幅降低。但是GDI发动机在冷起动等工况下,由于缸内温度较低,燃油蒸发雾化困难、油气混合不均匀,易出现湿壁现象,造成排放恶劣等问题。因此,研究冷起动阶段燃油的蒸发与混合气... 详细信息

随着愈加严格的排放法规不断更新与实施,汽油车的整体排放大幅降低。但是GDI发动机在冷起动等工况下,由于缸内温度较低,燃油蒸发雾化困难、油气混合不均匀,易出现湿壁现象,造成排放恶劣等问题。因此,研究冷起动阶段燃油的蒸发与混合气形成特性,对进一步提升GDI发动机的性能具有重要意义。米勒循环作为近年来GDI发动机高效清洁的主要措施之一,主要应用于中低负荷工况。由于进气门晚关米勒循环使缸内温度降低,会进一步恶化缸内温度较低时的燃油蒸发,所以对冷起动工况下米勒循环发动机性能影响的研究较少。但是,进气门早关米勒循环对提高缸内燃油雾化质量具有较大潜力。本文选用一台GDI发动机为原机,进行发动机台架试验,根据原机的参数与试验结果建立一维GT-Power模型,为本文主体的三维仿真部分的冷怠速工况提供可靠的边界与初始条件。进行气道稳流试验、定容弹喷雾试验及数值模拟,分别验证了气道几何模型与喷雾模型的准确性。使用插值法设计五组进气门早关米勒循环气门升程型线,在CONGVERGE中建立米勒循环发动机模型,探究米勒循环对缸内低温环境下的附壁油膜发展、缸内流动、喷雾场形成质量的影响。在总进气量保持不变的情况下,研究了不同米勒度的米勒循环以及原机的缸内工作过程。结果表明:随着米勒度的增大,在缸内湍动耗散较慢的作用下,可以有效减小活塞顶凹坑表面的厚油膜区域,从而促进附壁燃油的蒸发。在340℃A时,EIVC60与EIVC75米勒循环较原机附壁燃油质量分别下降了28%与48%,可以有效避免“池火”现象。更大的进气压力使GDI发动机缸内的滚流明显增大,表现最为显著的是EIVC75米勒循环的正(顺时针)滚流比,其峰值较于原机增长了23.6%。不同的缸内流动直接影响浓度场的分布,到达点火时刻时,原机的浓度场分布与EIVC60、EIVC75相比具有较大差异,原机的浓混合气主要位于垂直于X轴截面的进气侧,在米勒循环中的浓混合气则位于垂直于Y轴截面。针对附壁燃油蒸发效果与混合气形成质量进行了优化,以EIVC75米勒循环为基础,将两次喷射应用到GDI发动机上。通过控制单一因素的方法,探寻两次喷射与米勒循环结合的最佳喷射正时与喷射比例。结果表明:随着第二次喷射正时的推迟,缸内油膜蒸发效果提升,当第二次喷油迟于150℃A时,油膜蒸发开始恶化。但是与单次喷射相比,七组不同的两次喷射方案的湿壁现象均得到改善。固定第二次喷油正时为150℃A,研究不同喷油比例的影响。喷油比例为2:1的方案表现出最高的附壁燃油蒸发效率,点火时刻缸内残余油膜质量仅为0.054mg。第一次喷油量大于第二次喷油量的两次喷射方案使缸内的浓度场质量得到显著改善。在点火时刻,选定的Case5-2、Case5-4、Case5-6方案在过气缸中心线的两个截面大部分区域为均匀混合气,火花塞附近是当量比为1.2-1.3的微浓混合气,有利于稳定点火。

关键词： GDI发动机冷起动米勒循环数值模拟两次喷射

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柴油机米勒循环结合EGR的性能分析及优化

船舶工程 2017年第1期39卷 1-5页

作者：胡志龙崔毅邓康耀王新权李先南上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室上海200240 中国船舶重工集团公司第711研究所上海201108

文章建立了增压柴油机米勒循环结合EGR(废气再循环)的热力学模型,利用模型分析了柴油机设计参数对其性能的影响,为米勒循环结合EGR的增压柴油机参数设计提供了理论依据。研究表明,要使WP7柴油机的热效率和平均有效压力同时提高,增压系... 详细信息

文章建立了增压柴油机米勒循环结合EGR(废气再循环)的热力学模型,利用模型分析了柴油机设计参数对其性能的影响,为米勒循环结合EGR的增压柴油机参数设计提供了理论依据。研究表明,要使WP7柴油机的热效率和平均有效压力同时提高,增压系统效率需大于0.7。同时,以柴油机转速为1 500 r/min外特性工况点的NO_X排放下降50%、最高爆发压力不超过原机为约束条件,对WP7柴油机参数进行了优化设计。优化结果表明,该方法将有效压缩比从18降低到15.5,再结合12%的EGR率,可以在保持柴油机经济性、动力性与原机基本一致的前提下,将NO_X排放下降50%以上。

关键词：柴油机米勒循环涡轮增压废气再循环热力学分析

船用柴油机米勒循环可调二级涡轮增压系统的研究

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船用柴油机米勒循环可调二级涡轮增压系统的研究

作者：汪齐富上海交通大学

学位级别：硕士

随着环境问题日益突出,国际海事组织对船用柴油机的排放要求越来越高,因此降低NOx的排放成为当今船用柴油机发展中需要重点关注的问题。降低船用柴油机的NOx排放的方法中,利用米勒循环系统来降低缸内燃烧温度从而降低NOx排放是其中... 详细信息

随着环境问题日益突出,国际海事组织对船用柴油机的排放要求越来越高,因此降低NOx的排放成为当今船用柴油机发展中需要重点关注的问题。降低船用柴油机的NOx排放的方法中,利用米勒循环系统来降低缸内燃烧温度从而降低NOx排放是其中一个重要方案。但在引用米勒循环的同时会造成进气量不足的问题,因此有必要提高进气压力来进行弥补,米勒程度越高则要求进气压力也越大。因此,为了降低NOx排放同时又不影响其它工作性能参数,有必要同时采用米勒循环系统和可调二级涡轮增压系统来实现目标。但难点是米勒循环主要通过控制气门正时来实现,而可调二级涡轮增压主要通过选取不同的涡轮和压气机型号以及不同的调节手段来实现,这样需要合理设计接近14个变量来最终完成两个系统的匹配。基于以上问题,本文通过对米勒循环系统和可调二级涡轮增压系统的理论研究来说明各系统中主要参数对发动机各主要性能的影响规律,在此基础上通过利用GT-Power进行模拟计算,基于前面规律性探讨通过手动调节各参数来优化方案,以达到降低NOx排放、油耗等指标,但这种方法由于独立的优化两套系统因而不能达到最优的优化结果。最后借用优化软件modeFRONTIER和GT-Power进行耦合计算,对两套系统同时进行优化,以达到最优的优化效果。相对于手动调节来说,通过耦合计算能够达到更低的NOx排放和油耗,分别降低了3.86%和45%,而手动调节的优化效果分别只有2.5%和38%。

关键词：柴油机米勒循环可调二级涡轮增压方案优化热力学分析

高压缩比米勒循环汽油机部分负荷热效率优化研究

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高压缩比米勒循环汽油机部分负荷热效率优化研究

作者：杨志伟天津大学

学位级别：硕士

汽油机作为使用最为广泛的的动力机械,如何提高其燃油经济性一直是工业界关注的课题。为削弱泵气损失大、压缩比和工质比热比低等问题对汽油机经济性,尤其是部分负荷热效率的制约作用,本文基于配备进气道喷射(Port Fuel Injection,PFI)... 详细信息

汽油机作为使用最为广泛的的动力机械,如何提高其燃油经济性一直是工业界关注的课题。为削弱泵气损失大、压缩比和工质比热比低等问题对汽油机经济性,尤其是部分负荷热效率的制约作用,本文基于配备进气道喷射(Port Fuel Injection,PFI)和缸内直喷(Direct Injection,DI)双喷系统的高压缩比米勒循环汽油机,系统探究了进气门早关策略对汽油机热效率的影响规律。针对高压缩比米勒循环小负荷失稳和中高负荷爆震加剧问题,分别利用分层火焰引燃(Stratified Flame Ignition,SFI)混合燃烧技术和进气道喷水结合缸内汽油直喷的复合喷射策略实现对燃烧过程的优化控制,提升燃烧稳定性和经济性。首先,系统研究了进气门早关策略下米勒循环度、有效膨胀比和点火角等参数对换气过程、燃烧过程、稳定性的影响规律。研究表明,通过调节米勒循环度和有效膨胀比可实现发动机“虚拟小型化”,有效调控歧管压力和泵气损失。通过综合优化米勒循环度、有效膨胀比和点火时刻,相较于原机在2000r/min,IMEP3.6bar、6bar和8bar指示热效率分别提升了15.7%,10.3%和10.9%。其后,针对米勒循环小负荷燃烧失稳问题,系统探究了SFI燃烧模式下直喷比例、直喷正时及火花点火对放热率形态和燃烧稳定性的调控规律。结果表明,在2000r/min,IMEP3.6bar工况,相较于均质混合气燃烧,SFI燃烧可以强化前期火焰传播,提高燃烧稳定性,COV(IMEP))降幅达68%,而后期自燃的参与使得放热过程更为集中迅速,燃烧等容度和指示热效率分别提升了11.2%和3.8%。最后,针对高压缩比带来的中高负荷爆震加剧问题,探究了进气道喷水结合缸内燃油直喷的复合喷射策略对燃烧过程和最大压升率的调控作用。研究结果表明,1600r/min,IMEP6.0bar工况试验结果表明,进气道喷水结合缸内汽油直喷的策略能在保持较低的压升率和循环波动的前提下,将指示热效率由纯DI模式下的37.4%提升至38.8%。综上所述,米勒循环能有效降低汽油机部分负荷泵气损失,但小负荷燃烧稳定性下降及中高负荷爆震问题限制了其经济性提升和工程化应用。对此,本研究分别采用SFI燃烧模式和气道喷水策略实现对高压缩比米勒循环燃烧过程的优化控制,改善燃烧稳定性和经济性。

关键词：汽油机米勒循环分层火焰引燃进气道喷水

可变气门机构及米勒循环降低柴油机NOx排放的研究

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可变气门机构及米勒循环降低柴油机NOx排放的研究

作者：纪森火大连理工大学

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尽管柴油机一直保持着燃油经济性的领导者地位,但是人们对燃油效率改善的愿望依旧强烈,尤其是在当前排放法规越来越严格的大趋势下,想要在控制排放的同时降低油耗是一巨大的挑战。因此很多技术用来折中控制排放和降低油耗的矛盾。可变... 详细信息

尽管柴油机一直保持着燃油经济性的领导者地位,但是人们对燃油效率改善的愿望依旧强烈,尤其是在当前排放法规越来越严格的大趋势下,想要在控制排放的同时降低油耗是一巨大的挑战。因此很多技术用来折中控制排放和降低油耗的矛盾。可变气门驱动(VVA)技术就是其中之一,而且其优势在实际应用已经得到证明。本论文详细介绍了当今国内外不同类型可变气门驱动系统的结构原理及技术发展趋势,深入分析了各驱动系统的特点与不足。全面阐述了自行设计的电液驱动式全可变气门系统工作原理、设计思想及结构布置等。以某一型号柴油机气门升程规律为基础,根据米勒循环数值模拟的需要调整控制系统中电磁阀启闭时刻来获取气门升程曲线。同时针对实验系统用AVL Hydsim软件建立机械液压模型,通过数值模拟来指导优化实验设置的可控参数以节约成本和实验时间。最后论文以某型号柴油机为研究对象,应用AVL Boost软件进行一维工作过程的数值模拟。利用通过实验所得气门升程曲线控制气门启闭时刻来实现米勒循环。并分析不同的米勒循环和气门重叠期对柴油机性能的影响。结果表明,气门正时时刻对换气过程影响显著,需要通过提高增压比来弥补进气门早关和迟闭引起的进气量损失,进气门关闭提前角和迟闭角越大所需的增压比也就越大;通过进气门早关(EIVC)实现的米勒循环能有效降低缸内温度进而降低NOx排放,且随着提前角增加降低量增大明显,这是改善NOx排放最好措施之一。采用进气门晚关(LIVC)实现的米勒循环降低缸内温度和NOx排放效果不如早关方案。综上,根据不同的性能需求采用不同方式实现米勒循环可以对发动机的性能产生重要影响。

关键词：可变气门电液驱动控制米勒循环数值模拟

基于米勒循环和EGR对提升增压直喷汽油机几何压缩比的研究

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基于米勒循环和EGR对提升增压直喷汽油机几何压缩比的研究

作者：王家盛上海交通大学

学位级别：硕士

随着全球汽车保有量的持续增长，汽车行业面临着更加严峻的能源问题和环境问题。迫于能源和环境的双重压力，如何提高发动机的燃油经济性和减少排放成为越来越重要的议题。在此背景下，增压小型化直喷汽油机正成为新一代汽油机的发展方... 详细信息

随着全球汽车保有量的持续增长，汽车行业面临着更加严峻的能源问题和环境问题。迫于能源和环境的双重压力，如何提高发动机的燃油经济性和减少排放成为越来越重要的议题。在此背景下，增压小型化直喷汽油机正成为新一代汽油机的发展方向。然而随着发动机的进一步小型化，增压比相应提高，发动机的爆震倾向变得更加严重。受到爆震问题的限制，发动机的设计不得不作出妥协，将几何压缩比限制在较低的水平。由于压缩比与热效率密切相关，小型化带来的燃油经济性提高受到限制。为了提高发动机的燃油经济性，需要寻找有效的爆震抑制策略，以提高几何压缩比。本文在一台2.0L侧置喷射直喷增压发动机上研究比较了三种不同的米勒循环策略对爆震抑制的效果，并综合燃油经济性、排放、增压需求进行比较，发现40CAD LIVC策略的综合性能更为优异。在此基础上，研究了40CAD LIVC策略提高压缩比的潜力，在爆震情况几乎相同的情况下，将压缩比从9.3提高至12.0并实现了最高9%的油耗降低。但实验中发现LIVC同时带来了高碳烟排放的问题。为了降低碳烟排放，研究分析了外部冷却EGR对碳烟排放的影响并发现EGR能够降低高达62%的碳烟排放。同时外部冷却EGR与LIVC策略的结合能够进一步提高发动机的燃油经济性，在压缩比提高至12.0后最高能实现13.5%的油耗降低。

关键词：碳烟排放米勒循环小型化压缩比爆震 EGR

EGR及米勒循环对活塞式航空发动机爆震特性影响的研究

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EGR及米勒循环对活塞式航空发动机爆震特性影响的研究

作者：欧阳康佳天津大学

学位级别：硕士

作为无人机的动力源,与传统的汽油航空活塞发动机相比,航空煤油活塞式发动机在安全性、通用性以及燃料易得性等方面具有明显的优势,因此以航空煤油作为航空发动机燃料正受到研究人员广泛的关注。然而,航空煤油雾化困难,自燃温度低,辛烷... 详细信息

作为无人机的动力源,与传统的汽油航空活塞发动机相比,航空煤油活塞式发动机在安全性、通用性以及燃料易得性等方面具有明显的优势,因此以航空煤油作为航空发动机燃料正受到研究人员广泛的关注。然而,航空煤油雾化困难,自燃温度低,辛烷值较低,在实际应用时往往面临着小负荷时燃烧稳定性与大负荷时易发生爆震的问题。因此,航空煤油活塞式发动机的研究热点之一是大负荷工况下的爆震抑制,本文将对此进行研究。目前针对汽油机爆震抑制策略的研究较多,对于航空煤油发动机爆震抑制的研究相对较为缺乏。开展这方面的研究,采用爆震抑制措施拓宽爆震极限从而提升发动机功率,对于航空煤油发动机的开发具有十分重要的现实意义与工程应用价值。本文在CONVERGE软件中建立了活塞式航空发动机的三维仿真模型,完成模型的标定之后对低辛烷值燃料爆震燃烧过程进行了模拟与分析。在此基础上研究了不同EGR率对于爆震的抑制效果。研究发现,EGR技术对于低辛烷值燃料的爆震抑制效果较为明显。在EGR气体引入之后,由于稀释效应与热效应,可燃混合气的燃烧反应速率变慢,火焰传播速度降低,缸内温度下降,从而有效地降低了末端混合气的自燃倾向。当EGR率增大到12%时,缸内压力振荡幅值与EGR率为0时相比降低了99.2%。随后针对EGR技术的稀释效应以及热效应进行了深入的研究,发现EGR技术降低缸内温度、抑制爆震的效果主要来自于其稀释效应,而热效应的作用相对较小。采用米勒循环技术可以降低发动机的有效压缩比,有效压缩比的降低将会降低压缩过程中缸内温度,从而导致燃烧开始后反应速率变慢,燃烧过程中温度降低,抑制了末端混合气的自燃,降低爆震强度。当进气门推迟20 CAD关闭时,缸内压力振荡降低96.3%。进气门关闭时刻推迟有助于增强进气行程以及压缩行程初期缸内的滚流,从而使点火前缸内的湍动能略微提高,有助于加快油气混合速率,提高点火稳定性。在进气门推迟关闭的基础上提高进气压力后,进入燃烧室内的新鲜混合气质量显著增加,发动机的IMEP恢复到使用米勒循环技术之前的水平。进气增压之后缸内的温度降低,因此在所研究工况下进气增压米勒循环可以在实现较好爆震抑制效果的基础上提高发动机动力性。综上所述,EGR技术及米勒循环技术对于低辛烷值燃料的爆震抑制效果十分显著,这一结论对于后续航空煤油发动机的开发工作具有指导意义。

关键词：航空煤油爆震 EGR 稀释效应热效应米勒循环进气增压

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米勒循环天然气发动机

柴油机设计与制造 1999年第2期8卷 28-33页

作者：薛军

1 前言由于天然气发动机所采用的天然气燃料不含硫,所以天然气发动机排放中SOx极少,而SOx是酸雨的主要原因。天然气的主要成分是甲烷,所以,不但不容易生成烟雾,而且,由于含碳低,还可以从根本上降低CO_2的排放,而CO_2是地球变暖的主要... 详细信息

1 前言由于天然气发动机所采用的天然气燃料不含硫,所以天然气发动机排放中SOx极少,而SOx是酸雨的主要原因。天然气的主要成分是甲烷,所以,不但不容易生成烟雾,而且,由于含碳低,还可以从根本上降低CO_2的排放,而CO_2是地球变暖的主要原因。因此,与煤炭、石油等燃料相比。

关键词：天然气发动机米勒循环点火方式技术背景