基于光学单缸机的含水乙醇汽油直喷燃烧特性分析

含水乙醇与汽油混合能有效改善发动机的燃烧和排放性能,而混合燃料的微观火焰发展能够揭示宏观表现的机理。该研究以此为切入点,采用光学单缸发动机试验,研究了不同喷油策略下,E10W(含水乙醇体积分数为10%)、E20W(含水乙醇体积分数为20%)和E100W(含水乙醇体积分数为100%)3种含水乙醇汽油燃料的燃烧特性、火焰发展及碳烟生成特性。结果表明:正常喷油时,缸压峰值、放热率、火焰传播速度随含水乙醇比例的上升逐渐增大,其中E100W相比E10W缸压峰值增加10%,燃烧相位提前2°CA,火焰传播速度增加15%,燃烧持续期缩短,E100W的循环变动相比E10W下降了20%;推迟喷油后,燃烧相位相比正常喷油时大幅提前,燃烧循环变动增大。火焰发展过程表明,火焰亮度在火焰充满燃烧室以后达到最大,前锋面向燃油湿壁量较高一侧偏置,池火燃烧剧烈区域黄褐色火焰较多,碳烟生成量较高。推迟喷油后缸内火焰分区现象明显,燃烧不均匀现象加剧,池火燃烧明显增多,含水乙醇的添加使火焰传播更均匀,剧烈燃烧池火区域减少,碳烟相对含量可降低90%。因此,缸内直喷汽油机燃用含水乙醇与汽油的混合燃料,可以有效改善发动机燃烧特性,加快火焰传播速度,减少碳烟生成量,对提升直喷汽油机性能和改善颗粒物排放有较好的作用。     

EGR对轻型柴油机缸内燃烧及排放性能影响的可视化

为探索EGR对轻型柴油机小负荷工况下缸内燃烧及排放性能的影响规律,该文以某高压共轨轻型柴油机为样机,搭建柴油机缸内工作过程可视化研究平台,通过缸内燃烧过程高速摄影、缸内示功图采集及放热率计算分析了EGR对轻型车用柴油机燃烧过程及排放性能的影响规律。研究表明:通过所搭建的柴油机缸内工作工程可视化平台可以直观的分析柴油机缸内喷雾燃烧过程。小负荷工况条件下,随着EGR率的增加,滞燃期缩短,柴油机缸内燃烧持续期延长,燃烧后期平均温度上升,缸内压力峰值、瞬时放热率峰值均降低,与EGR率为10%时相比,EGR率40%时NOX、HC和CO排放分别下降了65.6%,46.4%和8.7%,而炭烟的排放先减小后增大,EGR率超过30%后炭烟排放及燃油经济性出现恶化。该研究可为有效降低柴油机排放提供参考。     

轻型柴油机预混合低温燃烧路径优化试验及分析

为探索轻型车用柴油机在中小负荷率工况下实现超低排放的预混合低温燃烧策略,以某四缸轻型车用柴油机为样机,在中小负荷率工况下,进行了喷射正时、废气再循环率(exhaust gas recirculation,EGR)、进气温度、喷射压力、预喷射等不同控制参数对柴油机预混合低温燃烧影响的试验研究。证明适时早喷射可延长预混合期实现预混合燃烧,改善柴油机碳烟排放;采用高比例EGR技术降低进气氧浓度能有效控制预混合燃烧温度,可有效降低NOx排放,同时可推迟由早喷射造成的过早的燃烧相位;在适时早喷射结合高比例EGR的基础上,协同优化喷射压力、进气温度与预喷射参数改善NOx和碳烟排放Trade-off关系,以实现超低排放的预混合低温燃烧;通过预混合低温燃烧路径优化后,10%、25%和50%负荷率工况NOx排放与原机相比分别降低97.8%、80.7%和62.1%,碳烟排放分别降低76%、93.9%和47.1%。3个负荷率工况下优化后的有效燃油消耗率比优化前略有上升。研究结果为轻型柴油机预混合低温燃烧过程的优化及污染物排放控制技术提供了理论基础。     

多缸柴油机汽油均质混合气引燃的排放特性

为探究均质引燃技术对柴油机整机排放特性的影响,该文在某六缸柴油机上,实现了均质引燃模式的多缸运行.试验以转速1438 r/min、平均指示压力0.7 MPa的工况为代表,通过分析该工况下汽油比例与废气再循环EGR(exhaust gas recirculation)率对多缸均质引燃的影响,确立了汽油比例与EGR率优化的基本原则,并以此为依据完成整机ESC(European steady state cycle)测试.汽油比例及EGR率的分析指出:汽油比例高达90%时燃烧相位仍可有效控制;增大汽油比例可以带来NOx与炭烟(Soot)排放同时降低的显著效应,但汽油比例过大会导致最大压升率陡增;随EGR率增大,作为燃油主体的汽油均质混合气燃烧改善,适量EGR的引入可以优化缸内燃烧;随EGR率增大,NOx排放减少而Soot基本不变,可使用大比例EGR以进一步降低NOx排放.ESC测试结果最终表明:在仅借助柴油氧化催化转化器DOC(diesel oxidation catalyst)的情况下,NOx、一氧化碳CO(carbon monoxide)与总碳氢THC(total hydrocarbon)加权排放低至1.89、0.90、0.12 g/(kW·h),分别满足国Ⅴ标准2.00、1.50、0.46 g/(kW·h)的限值,由各点不透光烟度与加权系数乘积之和计算的Soot加权值也处于0.034 m-1的极低水平.多缸均质引燃对降低柴油机整机排放成效显著,具备稳态测试全面达到国Ⅴ排放标准的潜力.     

复配乳化剂乳化柴油的经济性和排放特性

为了研究乳化柴油的经济性和排放特性,该文以亲水亲油平衡值HLB（hydrophilic and lipophilic balance）选择复配乳化剂,通过适当的乳化工艺配制乳化柴油,并在1135柴油机上对乳化柴油和纯柴油的经济性和排放特性进行了对比试验。研究结果表明,在柴油机结构参数和调整参数不作改变的情况下,柴油机燃用乳化柴油的碳烟和NOX排放显著降低且有一定的节油效果;添加了助燃剂二茂铁的乳化柴油在降低碳烟、NOX和HC排放方面优势更加明显;含水率的不同对乳化柴油的燃烧有一定影响,综合考虑节油及排放效果,确定了适用本机的较佳含水率体积百分数为13%。该研究结果对于改善发动机经济性和降低排放具有实际的应用价值。     

过量空气系数与废气再循环率耦合对汽油机性能的影响

为了提高汽油机部分负荷下的燃油经济性,该文通过改变废气再循环率(EGR,exhaust gas recirculation)和过量空气系数,在一台增压进气道喷射汽油机上进行试验,研究了过量空气系数与EGR耦合对发动机部分负荷下燃油经济性和排放的影响。结果表明:随着EGR率和过量空气系数α的增加,燃烧循环变动率变大,燃烧持续期变长,且EGR是影响两者的主要因素;泵气损失显著减少,有效燃油消耗率显著降低,与EGR率=0和过量空气系数α=1条件下相比,EGR率=20%和过量空气系数α=1.1条件下的有效燃油消耗率降低了8.37%;随着EGR率的增加,THC(total hydrocarbon)排放增加,但NOx排放显著降低,高达约80%。因此,将三效催化转化器和EGR技术相结合,燃烧稀混合气,可以在满足欧Ⅴ排放法规的同时,大幅提高汽油机部分负荷下的燃油经济性。     

喷油定时与进气压力对RCCI特征参数的影响

为制定合理的活性控制压燃RCCI(Rreactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)燃烧模式的控制策略,探明不同燃烧边界条件对RCCI燃烧与排放特性的影响,该研究在发动机转速和汽油能量预混比不变的条件下,用一台六缸重型柴油机进行了汽油/柴油双燃料RCCI试验,研究了不同循环能量(CycleEnergy,CE)下喷油定时(Startof Injection,SOI)和进气压力(Inlet Pressure,IP)对汽油/柴油RCCI燃烧和排放特性的影响规律和影响程度。结果表明,当CE从885增加到1700J时,SOI和IP对燃烧特性的影响规律不改变,但SOI和IP对缸内温度的影响程度增加,使缸内平均温度峰值分别增加约130和70 K,压力升高率峰值增加约0.054 MPa/°CA,而SOI和IP对滞燃期的影响程度不变;在排放方面,仅SOI对CO排放的影响规律发生变化,SOI和IP对HC排放的影响程度降低,使HC的排放分别减小约89和13.65g/(kW·h),IP对NOx排放的影响程度增加,使NOx的排放增加约3g/(k W·h),SOI对颗粒物总质量浓度的影响程度不变。研究结果可为制定合理的RCCI燃烧模式控制策略提供数据支撑。     

高原缺氧环境下生物质燃料对柴油机性能和排放的影响

为了研究不同类别的含氧生物质燃料在高原缺氧环境下对发动机性能和排放的影响,在一台卧式双缸柴油机上分别燃用柴油、乙醇柴油E10(含10%体积分数的乙醇和90%体积分数的柴油)及生物柴油-乙醇-柴油B10E10(含10%体积分数的生物柴油,10%体积分数的乙醇和80%体积分数的柴油)3种燃料进行了对比试验。试验结果表明,在不对柴油机做任何调整的情况下,分别燃用E10和B10E10 2种含氧生物质混合燃料后,柴油机动力性下降,外特性转矩平均下降幅度分别达到4.24%和5.49%;当量燃油消耗率基本低于柴油,经济性有所改善。燃用含氧生物质燃料后,柴油机的经济性变化情况除了与燃料本身的属性相关,还与转速和负荷相关。燃用E10混合燃料后,柴油机的一氧化碳(CO)排放在低负荷时高于柴油,高负荷时低于柴油;碳氢化合物(HC)排放高于柴油水平,升高幅度范围达4.9%~27.4%;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时趋于柴油水平。燃用B10E10混合燃料后,一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放在低负荷时都趋于柴油水平,高负荷时都低于柴油水平;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时高于柴油水平。柴油机在燃用E10和B10E10 2种混合燃料后,碳烟排放均低于柴油水平。柴油机燃用B10E10混合燃料后的碳氢化合物(HC)排放,碳烟排放以及低负荷时的一氧化碳(CO)排放均低于E10,氮氧化物(NOX)排放基本高于E10。与E10燃料相比,B10E10混合燃料在柴油机的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)以及碳烟排放方面具有更好的改善效果;但是动力性下降幅度较大,氮氧化物(NOX)排放增加。该研究可为含氧生物质燃料在高原缺氧地区的应用提供参考。     

生物质热解燃油在柴油机上的应用效果

生物质通过快速热解得到的生物质热解燃油主要成分为含氧有机混合物和水,不宜直接作为燃料使用,但与柴油乳化后可实现其在发动机上的应用。在确定生物质热解燃油/柴油乳化油乳化剂的最佳亲水亲油平衡（HLB）值后,利用超声波乳化装置制备了生物质热解燃油质量分数为10%的乳化油（用BPO10表示）,然后在一台未作改动的直喷式柴油机上对燃用BPO10时的燃烧和排放进行了研究。结果表明,生物质热解燃油/柴油乳化油乳化剂的最佳HLB值约为5.8。与0号柴油相比,发动机燃用BPO10时燃烧始点推迟,预混燃烧放热峰值明显升高,扩散燃烧放热峰值略低,最高燃烧压力较低,燃烧持续期缩短;燃用BPO10时有效燃油消耗率较高,而有效热效率与0号柴油的相当;燃用BPO10时可同时大幅降低NOx和碳烟排放,但HC和CO排放升高。     

不同海拔下甲醇替代率和主喷正时对RCCI发动机性能的影响

为探究不同海拔条件下甲醇/柴油反应活性控制压燃（reactivity controlled compression ignition, RCCI）发动机的运行特性,该研究基于甲醇/柴油双燃料发动机试验台架,试验研究1 800r/min、100%负荷和3 200r/min、100%负荷下不同甲醇替代率、柴油喷射正时对发动机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明：不同海拔条件下随着甲醇替代率的增加,缸压和瞬时放热率峰值逐渐升高,燃烧始点和燃烧中心前移,当量有效燃油消耗率（equivalent brake specific fuel consumption, ESFC）降低,有效热效率升高,NO_x和碳烟排放大幅降低,THC（total hydrocarbons）和CO排放增加。1 800 r/min、100%负荷工况下,甲醇替代率由0增至20%,0、1 000、2 000m海拔下最大缸压平均增加1.72MPa,瞬时放热率峰值平均升高25.08J/(°),ESFC平均降低4.67%,有效热效率平均升高4.90%,NO_x和碳烟排放分别平均降低16.63%和50%,THC和CO排放量分别平均增加142.03、388.18 mg/kg。3 200 r/min下甲醇替代率由0增至7%,不同海拔高度下ESFC平均降低1.76%,有效热效率平均升高1.79%,NO_x和碳烟排放量分别平均降低8.17%和20.70%。海拔高度由0升至2 000m,1 800r/min、20%甲醇替代率与3 200r/min、7%甲醇替代率下,瞬时放热率峰值分别降低4.80和8.08J/(°),燃烧中心分别推迟1.44°和1.43°,有效热效率分别降低0.82%和0.68%,ESFC分别升高2.10%和1.99%,NO_x排放量分别减少10.61%和7.35%,碳烟排放分别增加26.54%和32.12%,THC排放分别升高29.88%和15.45%,CO排放量分别增加22.42%和18.15%。固定甲醇替代率后,随着柴油主喷正时提前,不同海拔条件下缸压和放热率峰值逐渐升高,燃烧中心向上止点靠近,ESFC逐渐降低,有效热效率升高,碳烟排放减少,NO_x、THC和CO排放增加。1 800 r/min、15%甲醇替代率下,主喷正时从-1.5°提前至-7.5°,不同海拔高度下ESFC平均降低8.27%,有效热效率平均升高9.08%,碳烟排放平均减少90.94%。为提升高海拔条件下甲醇/柴油RCCI发动机的热效率和燃油经济性,可以适当增大柴油主喷正时。研究结果可为不同海拔环境下甲醇/柴油RCCI发动机燃烧与污染物排放控制优化提供参考。     

乙醇供给方式对高速柴油机排放性能的影响

为研究乙醇供给方式对高速柴油机排放的影响,在一台小型高速涡流室式柴油机上进行了乙醇燃料供给方式的试验研究,分别按进气道供给乙醇、柴油掺混乙醇方式进行了对比试验,并与供油量相同的纯柴油试验的排放进行了比较。研究结果表明:在柴油和乙醇供给量分别相同的情况下,进气道供乙醇方式比柴油掺混乙醇方式的碳烟排放低,最高降幅约16%,两者都远远低于纯柴油情况的碳烟排放;进气道供乙醇方式的CO排放也有所降低,降幅有10%,但NOx和HC排放较高。因此乙醇供给方式是影响高速柴油机性能的一个重要的因素,进气道供给乙醇方式,能降低碳烟和CO的排放。     

EGR废气组分对柴油机颗粒氧化活性的影响

针对不同EGR废气组分条件下产生的颗粒,采用热重分析的方法,分析了EGR废气组分对颗粒中主要物质含量的影响;考察了颗粒中挥发物析出温度、soot组分着火温度等4个特征温度、燃烧特性指数以及活化能的变化规律。结果表明,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒的失质量百分数所占比例最大,颗粒中水分和可溶有机物(soluble organic fraction,SOF)含量增加明显,soot组分含量有较大幅度降低;在颗粒氧化过程中的高温反应阶段,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒中soot组分的质量变化率峰值和峰值对应温度均最小;氧化特性参数的计算结果表明,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒的挥发物析出温度TSOF1、挥发物起始燃烧温度TSOF2、soot组分着火温度Ti、soot组分燃尽温度Th均最低,燃烧特性指数增加明显,反应活化能最低。说明引入CO2后,颗粒中soot组分在达到相同失质量百分数时,所需的温度较低,反应所需能量较小,EGR废气中的CO2可以显著提高颗粒自身的氧化能力和反应活性,改善颗粒的氧化燃烧性能。     

可变压缩比对增压中冷柴油机性能影响的模拟分析

为计算可变压缩比技术对柴油机燃油经济性和排放性能的影响,该文通过GT-Power软件,对一台装备有中冷废气再循环系统和可变几何涡轮增压系统的C6.6重型柴油机进行了建模和仿真分析,并采用了直喷燃烧预测模型对模型的有效性进行了验证。研究结果表明,可变压缩比技术使柴油机中、低负荷下燃油经济性的改善可达7.2%,再结合适当的废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)率和可变几何涡轮增压系统(variable geometry turbocharger,VGT)控制策略,柴油机的NOx和颗粒物的排放性能可达到欧洲5号标准瞬态测试循环(european transient cycle,ETC)中的排放要求。因此,可变压缩比技术可以有效改善直喷柴油机的燃油经济性,提高排放性能。     

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.     

柴油机分卷流燃烧系统燃烧和排放性能试验研究

为了提高柴油机燃烧室的油气混合性能、降低燃油消耗率和碳烟排放,该文提出了柴油机分卷流燃烧系统。利用单缸机试验系统和仿真计算分析了分卷流燃烧系统在不同工况下的燃烧和排放性能。单缸机试验结果表明:在各试验工况下,分卷流燃烧系统燃油消耗率均比双卷流燃烧系统低,油耗最大降幅为5.41%,碳烟排放最大降幅为20.48%。仿真计算表明分卷流燃烧系统当量比为0.66到2区间内的燃油比例较高,当量比大于2的燃油比例较低,分卷流燃烧系统缸内当量比分布均匀,因而油耗降低,热效率提高,碳烟生成较少。分卷流燃烧系统对于推动柴油机节能减排有着重要的意义。     

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。