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)。     

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（Cycle Energy,CE）下喷油定时（Start of 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1 700 J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13.65 g/(kW•h),IP对NOx排放的影响程度增加,使NOx的排放增加约3 g/(kW•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。     

乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究

在YZ4DB3柴油机上,通过测量燃用乙醇/柴油混合燃料的示功图和排放污染物,分析了燃烧过程与排放污染物的变化规律。结果表明,随着乙醇掺混比例的增加,乙醇/柴油混合燃料的滞燃期延长,燃烧终点提前,燃烧持续期缩短。小负荷时,与柴油相比,E10和E20的最大爆发压力分别下降了0.2、0.4MPa,扩散燃烧放热率峰值升高;全负荷时,与柴油相比,乙醇/柴油混合燃料的最大爆发压力变化不大,预混燃烧放热率峰值升高。与燃用柴油相比,掺混乙醇能明显降低烟度,NOx排放变化不大;HC和CO排放随着乙醇掺混比例的增加而升高,小负荷时较明显。乙醇/柴油混合燃料的燃料消耗率与燃用柴油的燃油消耗率基本相同。     

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。     

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。     

喷油定时对燃用生物柴油发动机经济性与排放的影响

为研究黄连木籽生物柴油对发动机性能的影响,在一台YTR3105直喷式柴油机上进行了不同喷油定时下燃用黄连木籽生物柴油-柴油混合燃料时的经济性及排放特性试验。结果表明：在相同工况下,4种燃料的最经济喷油定时几乎相同,即最大扭矩工况为上止点前110CA左右,标定工况为上止点前120CA左右。CO和碳烟排放随喷油定时的增大有先降低又升高的趋势。随喷油定时的增大,THC排放降低,而NOX排放大幅增加。CO、THC及碳烟排放均随生物柴油掺混比的增加而降低;B10、B20的NOX排放比柴油低,而B30的NOX排放与柴油相当。最经济喷油定时与燃料类型无关,生物柴油混合比例对发动机的排放影响较大。     

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。     

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。     

纳米燃油添加剂CeO2提高柴油燃烧效率减少排放

研制新型高效燃油添加剂已成为控制发动机燃烧与排放的重要课题,纳米CeO2颗粒因其独特物理化学性质使其在催化燃烧和尾气净化领域具有独特的作用.通过向柴油中添加微量纳米CeO2颗粒,配制成质量分数为50 mg/L和100 mg/L的CeO2-柴油混合燃料,标记为D50C和D100C,以柴油(Diesel)为参照,并在186FA柴油机上对比研究了这3种燃料的燃烧与排放性能.结果表明:通过加入表面活性剂CTAB和超声处理物理化学方法可使纳米CeO2颗粒稳定悬浮于柴油中.标定转速全负荷下发动机燃用D50C和D100C后缸内压力峰值、压升率峰值和放热率峰值都有略微增加的趋势,而其对应的曲轴转角相应提前,滞燃期分别相应缩短1 o和2o曲轴转角.发动机燃油D50C和D100C后燃油消耗率略有降低,有效热效率有所增加.纳米CeO2颗粒添加至柴油中4种常规污染物都有不同程度的降低,且随其添加量增加越发明显.相比于纯柴油,标定转速全负荷下,D50C和D100C的比油耗分别降低约1.6%和2.3%,有效热效率分别增加约1.7%和2.3%.D50C和D100C的CO、HC、NOx和烟度排放平均分别降低3.4%和6.5%、15.1%和18.4%、2.4%和5.4%、4.0%和7.8%.D50C和D100C混合燃料的成本分别比柴油上升约0.8%和1.6%.综合来看,微量添加纳米CeO2颗粒可在略微增加燃油价格的前提下,即可实现发动机的高效燃烧与节能减排,因而是一种性能优良的燃油添加剂.     

生物油/柴油乳化燃料的燃烧特性

为了研究生物油/柴油乳化燃料的燃烧特性,利用非离子表面活性剂复配,对热解生物油/柴油混合液进行了乳化,测量了乳化燃料的密度、热值、动力黏度及pH值。在SD1110型柴油机台架上进行4种不同配比的生物油/柴油乳化燃料的发动机台架试验,得出了柴油机燃用生物油/柴油乳化燃料和纯柴油的负荷特性和排放特性曲线,并且对乳化燃料和纯柴油的排放特性进行了对比。研究结果表明：生物油体积分数为20%的乳化燃料当量油耗率最低,乳化燃料CO的排放高于柴油的排放,且生物油含量越高CO排放越大,而乳化燃料的NO及碳烟的排放则优于纯柴油的排放。由于生物油/柴油乳化燃料的理化特性与柴油接近,可以作为普通柴油机的燃油使用。     

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。     

小功率非道路用柴油机动力、经济及排放特性

为提高小功率非道路用柴油机的动力性、经济性、降低有害物排放,开展了柴油机缸内燃烧过程的试验研究。该文以非道路用N490直喷柴油机为样机,通过对燃料喷射系统参数优化,提高喷油压力和优化喷油特性;通过对配气定时调整,提高柴油机常用转速下的充量系数;通过对燃烧室结构的优化设计,改善缸内油气混合。柴油机经优化后,性能得到大幅提升,柴油机在标定工况、最大扭矩工况燃油消耗率分别下降了3.0%、2.43%,不透光烟度分别减少了14.6%、10%;整机的CO、NO_x+HC、颗粒(PM)与原机相比分别下降了34.7%、21.5%、34.9%,排放达到了非道路国三排放标准限值要求。通过对燃料喷射系统、进气系统与燃烧室的优化匹配,完全可以在降低有害物排放的同时,提高柴油机的经济性。试验研究可为提升非道路用柴油机性能并满足国三排放法规提供技术参考。     

引燃柴油量及喷射间隔对直喷天然气发动机排放的影响

为优化直喷天然气发动机的喷射策略,在一台六缸电控直喷天然气发动机上,用试验方法研究了引燃柴油量及柴油/天然气喷射间隔对发动机HC、CO和NO_x排放的影响。试验结果表明:喷射间隔一定时,HC排放随引燃柴油喷射量的增加而降低;在引燃柴油喷射量为4.0 mg时,HC排放随喷射间隔的增加而增加;引燃柴油喷射量在6.0~11.5 mg范围内,HC排放在喷射间隔从0.5 ms变化到1.1 ms时,变化较小;喷射间隔增加到1.4 ms时,HC排放升高趋势明显。CO排放随引燃柴油喷射量的变化规律为先降低后升高;在不同的柴油喷射量下增加喷射间隔,CO排放均降低。NO_x排放随引燃柴油喷射量的增加先降低后升高;在喷射间隔为0.5 ms时,NO_x排放相对较小,在喷射间隔为1.4 ms时,NO_x排放最高。增加引燃柴油喷射量有利于HC的减排,对CO排放的影响较小,但会导致NO_x排放的恶化;增加喷射间隔会促使HC和NO_x排放的升高,但CO排放有所降低。     

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。     

甲醇-调合生物柴油燃烧及排放微粒粒径分布特性试验

为了探究调合生物柴油掺烧甲醇对柴油机燃烧特性及微粒粒径分布的影响,该文利用燃烧分析仪及EEPS 3090型微粒粒径测试系统研究了柴油机燃用甲醇-调合生物柴油微乳化燃料的燃烧过程及微粒数量浓度分布特性。试验结果表明,与燃用调合生物柴油相比,柴油机掺烧甲醇后缸内燃烧压力、压力升高率以及放热率曲线均后移,压力升高率峰值及放热率峰值均增加;当柴油机处于低负荷时,排气中的微粒粒径均处于6~22 nm之间,呈现核态;在高负荷时,微粒粒径处于6~275 nm之间,主要呈现积聚态,且数量浓度呈单峰正态分布。随着甲醇添加比例的增加,核态微粒比例上升,积聚态微粒比例下降,且排气中微粒的总数下降。研究结果为甲醇-生物柴油混合燃料的燃烧及微粒排放控制提供了参考。