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由奥托循环改为米勒循环的配气机构改进研究

由奥托循环改为米勒循环的配气机构改进研究

作者：赵璐璐湖南大学

学位级别：硕士

作为内燃机的重要机构,配气机构直接影响发动机的动力性、燃油经济性以及可靠性、振动和噪声。配气凸轮是配气机构的核心。通过重新设计配气机构的关键参数和优化设计凸轮型线,甚至能够改变发动机的热力学循环,优化发动机的性能。本文... 详细信息

作为内燃机的重要机构,配气机构直接影响发动机的动力性、燃油经济性以及可靠性、振动和噪声。配气凸轮是配气机构的核心。通过重新设计配气机构的关键参数和优化设计凸轮型线,甚至能够改变发动机的热力学循环,优化发动机的性能。本文研究是通过对传统奥托循环汽油机的配气机构的计算分析和再设计,在完善配气机构性能的基础上,实现汽油机奥托循环向米勒循环的转变。本文研究工作之处与创新点如下:搭建了原机的配气机构的运动学、动力学模型,通过计算分析,发现原机存在凸轮型线跃度超过了工程许用范围,加剧配气机构振动,凸轮与挺柱的接触应力超过了材料的接触应力许用范围,增大了凸轮与挺柱间的磨损等问题,结合发动机对有奥托循环向米勒循环转换的性能要求提出改进方案。利用GT-Power发动机性能模拟软件,主要从经济性角度考虑,限定最大爆发压力,确定了几何压缩比和进排配气相位范围,进而确定了新的进、排气凸轮工作包角。对分别用进气迟闭角控制负荷和用节气门控制负荷两种方法,发动机的燃油消耗率进行对比。从泵气损失、凸轮工作性能和控制气门与活塞间隙的角度,对进排气最大气门升程进行优化,并利用AVL-EXCITE Timing Drive软件,重新设计进、排气凸轮型线。对改进后的配气机构通过运动学、动力学计算,发现有效改善了配气性能,解决了原机配气机构出现的问题。最后,凸轮轴生产出来后,进行台架试验来验证发动机性能。结果表明发动机经济性得到明显改善,米勒循环发动机的其他各项性能指标也均达到了预期要求,并且凸轮轴通过了耐久试验考核。

关键词：米勒循环配气机构凸轮型线配气相位最大气门升程

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

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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柴油机米勒循环与相继增压系统的研究

柴油机米勒循环与相继增压系统的研究

作者：张鑫华中北大学

学位级别：硕士

船用柴油机的技术发展目标一直以来都是低排放、低能耗、高强化、高功率,米勒循环技术和相继增压技术应运而生,米勒循环技术的目的主要是降低燃油消耗率以及NO的排放量,相继增压技术满足了柴油机不同负荷时的进气量,弥补了米勒循环导致... 详细信息

船用柴油机的技术发展目标一直以来都是低排放、低能耗、高强化、高功率,米勒循环技术和相继增压技术应运而生,米勒循环技术的目的主要是降低燃油消耗率以及NO的排放量,相继增压技术满足了柴油机不同负荷时的进气量,弥补了米勒循环导致的进气不足。本文以某16V柴油机为研究对象,建立AVL-Boost仿真模型,在保持喷油量不变的情况下,对柴油机在部分负荷下采用进气门晚关米勒循环的影响进行了研究,采用简单涡轮模型,调整各负荷时的进气量与原机相应负荷一致。从发动机能量平衡的角度,分别从柴油机的泵气损失、机械摩擦损失、传热损失和排气散热量等方面分析了不同进气门晚关角带来的影响。研究结果显示:适当的进气门晚关角度可以降低柴油机的泵气损失、传热损失和排气散热量,改善了柴油机的动力性和经济性,负荷越低,改善程度越明显。相继增压系统在切换过程中容易出现增压器的喘振和柴油机的转速波动,需要设计控制策略保证切换过程的平稳进行。本文以某16V柴油机为研究对象,通过GT-Power对相继增压系统进行稳态匹配,确定了相继增压系统的切换点为1600r/min,在此基础上联合MATLAB/Simulink仿真平台,建立相继增压柴油机瞬态仿真模型,对受控增压器的切入切出过程进行仿真研究。研究结果表明:当受控增压器切入时,空气阀较燃气阀延迟1.5s开启时,可以有效避免增压器喘振;当受控增压器切出时,空气阀与燃气阀同时关闭,增压器不会发生喘振。

关键词：船用柴油机进气门晚关米勒循环相继增压切换过程

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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

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米勒循环增压发动机进气道开发

小型内燃机与车辆技术 2020年第1期49卷 14-19页

作者：梁源飞周正群杨如枝上汽通用五菱汽车股份有限公司广西柳州545007

针对增压汽油机应用早关米勒循环改造中,进气门最大升程显著降低导致缸内湍动能下降的问题,通过CAD和CFD相结合的方法对进气道进行重新开发。研究表明:采用切向气道,增大气道倾角,合理缩小进气门座圈的直径,使用“D”型气道出口,使用进... 详细信息

针对增压汽油机应用早关米勒循环改造中,进气门最大升程显著降低导致缸内湍动能下降的问题,通过CAD和CFD相结合的方法对进气道进行重新开发。研究表明:采用切向气道,增大气道倾角,合理缩小进气门座圈的直径,使用“D”型气道出口,使用进气门右侧Masking可实现显著提高低进气门升程的滚流比,其中在2 mm升程滚流比提高了2.5,3 mm升程滚流比提高了2.0。瞬态燃烧模拟表明:重新开发进气道能缩短中低转速工况燃烧持续期,仅考虑重新开发气道的效果,发动机油耗降低1.9%,提高燃烧效率0.52个百分点。

关键词：增压汽油机米勒循环进气道开发

串联式混合动力APU用米勒循环发动机性能研究

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串联式混合动力APU用米勒循环发动机性能研究

作者：王元丰天津大学

学位级别：硕士

能源危机与环境污染问题对传统汽车的发展提出巨大挑战。在这种背景下,电动化成为汽车发展的重要趋势。当前纯电动汽车发展受到电池技术限制,短期内难有较大突破,因此混合动力汽车成为最佳过渡方案,其中串联式混合动力汽车因其简单可靠... 详细信息

能源危机与环境污染问题对传统汽车的发展提出巨大挑战。在这种背景下,电动化成为汽车发展的重要趋势。当前纯电动汽车发展受到电池技术限制,短期内难有较大突破,因此混合动力汽车成为最佳过渡方案,其中串联式混合动力汽车因其简单可靠的动力系统结构受到汽车行业的广泛关注,特别是近年来出现的串联式插电混合动力汽车SPHEV(Series Plug-in Hybrid Electric Vehicle)成为该领域研究热点。当前SPHEV面临混合驱动模式下整车能源效率低的问题。针对该问题,本文提出通过采用米勒循环提高发动机效率,从而改善整车能源效率。本文在某型A级传统动力汽车的基础上开展串联式混合动力系统研究。从保持SPHEV的动力性与基础车型一致的角度出发,提出了SPHEV的设计目标,实现了动力系统各部件的选型和匹配,为后续米勒循环发动机的性能研究及搭载米勒循环发动机的SPHEV性能研究提供参数依据。本文基于动力系统匹配的结果,选取一台1.1 L汽油机作为发动机基础平台。基于准维模型,采用全因子试验设计法研究了米勒循环发动机的几何压缩比、进气门迟闭角及发动机转速对发动机动力性、经济性的影响。米勒循环发动机的设计参量与性能参量间存在交互影响关系,对发动机性能研究造成了障碍。本文采用了以研究目标为中心的分析方法,借助中间参量搭建各参量间的逻辑关系,实现对计算结果的有效分析。研究结果表明只有合理提高几何压缩比、增大进气门迟闭角,才可降低发动机的有效燃油消耗率。米勒循环发动机有效燃油消耗率的改善受到回流损失、火用损失、不完全膨胀损失以及燃烧损失的制约。米勒循环发动机的燃油经济性与动力性存在“trade-off”关系,该现象源自爆震约束。为评价“串联式混合动力系统+米勒循环”这一技术方案对整车能耗及排放的影响,本文研究了同一汽车基础平台下传统动力汽车以及分别配备奥托循环发动机、米勒循环发动机的SPHEV在不同行驶循环下的能源效率、排放水平。研究结果表明单独采用串联式混合动力技术可以有效改善车辆在市区、市郊工况的燃油经济性,但造成车辆在高速公路工况下的油耗水平明显提高。采用米勒循环发动机后,SPHEV在高速公路工况的油耗恢复至传统动力汽车水平,且在市区、市郊工况的油耗进一步降低。对于汽车排放性能,采用串联式混合动力技术后,发动机暖机工况比例上升,对整车的HC、CO、NOx排放水平造成不利影响。采用不同类型发动机的SPHEV的排放行为也存在明显区别,相较采用奥托循环发动机的方案,采用米勒循环的SPHEV的CO、NOx排放较低,HC排放较高。

关键词：串联式混合动力米勒循环准维模型燃油经济性行驶循环

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

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高压缩比米勒循环汽油机燃烧放热率模型开发

高压缩比米勒循环汽油机燃烧放热率模型开发

作者：吴中浪天津大学

学位级别：硕士

高压缩比汽油机采用米勒循环是实现汽油机高效燃烧的重要技术路线之一,结合废气稀释等方法可以进一步优化放热过程。但高压、高温和高稀释的共同作用,会限制点火对燃烧过程的控制作用,增加燃烧相位控制的复杂度,会导致热效率下降,并易... 详细信息

高压缩比汽油机采用米勒循环是实现汽油机高效燃烧的重要技术路线之一,结合废气稀释等方法可以进一步优化放热过程。但高压、高温和高稀释的共同作用,会限制点火对燃烧过程的控制作用,增加燃烧相位控制的复杂度,会导致热效率下降,并易引发爆震或失火等不正常燃烧现象。故高压缩比米勒循环稀释燃烧汽油机的优化控制存在燃烧信息的预测需求。针对该问题,本研究基于一台压缩比为13.4的米勒循环增压直喷汽油机和GT仿真平台,建立了燃烧初始边界条件估计模型和燃烧预测模型,通过重构缸内压力并预测缸内燃烧信息,实现对高压缩比米勒循环汽油机稀释燃烧状态的有效预测和燃烧信息的虚拟传感。首先,基于实验平台研究了常用转速2000r/min,原机BMEP为2.6、5和6.5bar负荷对应的循环喷油量下,米勒循环对高压缩比汽油机燃烧边界条件影响规律。研究表明,米勒循环进气道废气前回流在降低泵气损失的同时会显著提升小负荷废气稀释度,火焰的不稳定性和自燃倾向的出现削弱了点火对燃烧相位的调控能力。中小负荷下随米勒循环程度增大并配合点火时刻优化,燃烧相位呈现先推迟后提前的规律。由于米勒循环与废气前回流对缸内热状态和稀释度的耦合作用,固定点火角下米勒循环程度增大有可能使燃烧相位推迟或提前。其后,为实现燃烧初始缸内边界条件的有效预估,基于物理建模和数据拟合相结合的混合建模方式建立了米勒循环汽油机残余废气量估计模型和IVC时刻缸内热状态估计模型。验证结果显示,缸内残余废气质量预测绝对误差不超过3%。IVC时刻缸内温度Tivc预测相对误差不超过4.6%,模型可以用于实现对IVC时刻初始组分和温度边界条件的有效预估。最后,结合仿真数据进行回归分析,采用韦伯模型架构,建立了基于燃烧边界条件的稀释燃烧虚拟放热过程半经验预测模型,重构了燃烧相位信息和缸内压力曲线,为稀释燃烧预测控制提供信息。仿真结果显示,在1000000r/min下的25个验证工况点,CA50和CA10-90的预测均方根误差均不超过为1.5°CA,算法预测IMEP的相对误差均可以控制在4%以内。实验验证结果显示,算法在6个实验验证工况点中,CA50预测平均误差为1.3°CA,CA10-90预测平均误差为1.9°CA。预测IMEP平均相对误差为2.9%。综上所述,本文所建立的燃烧边界条件估计模型和燃烧信息预测模型,可以为高压缩比米勒循环稀释燃烧汽油机的控制提供预测信息并实现虚拟传感。

关键词：高压缩比米勒循环进气道废气前回流燃烧放热率模型