冷EGR温度对车用柴油机排放影响的试验

为了得到冷却的废气再循环（EGR）技术对车用柴油机排放性能的影响,通过工况试验法研究了各工况下EGR温度对柴油机氮氧化物、碳氢化物、碳氧化物和烟度的排放量以及油耗率的影响,并由此得出柴油机各工况下的最佳EGR温度。试验表明,与热EGR相比,冷EGR能够明显降低氮氧化物和烟度的排放,同时能够降低油耗率,提高柴油机的经济性,效果良好。     

内部废气再循环柴油机燃烧过程分析及排放性能试验

为了探索小型非道路柴油机采用内部废气再循环技术改善其排放性能的有效途径,该文提出了一种在进气凸轮上增加预进气凸轮实现柴油机内部废气再循环(internal exhaust gas recirculation,IEGR)的方案。通过拍摄柴油机燃烧过程中的火焰图片、测试缸内压力、计算燃烧放热率、火焰温度场、碳烟浓度分布场以及有害污染物的排放测试,对比分析了实施内部废气再循环前后,小型非道路柴油机燃烧过程及排放性能的变化趋势。结果表明:1 760 r/min、50%负荷工况下,引入IEGR后由燃烧放热引起的第二压力峰值由5.49下降到5.43 MP,燃烧放热始点推迟了0.5℃A,瞬时放热率峰值由85.7下降到82.4 J/deg;缸内燃烧火焰平均温度降低,高温强辐射区域面积占有率峰值由30下降到10‰以内,而表征碳烟浓度的KL因子平均值的峰值由原机的40.5上升到67.4,且高浓度区域的比例显著增加。1 760 r/min转速,引入IEGR后各负荷工况下的NOx排放均有所降低,而碳烟排放则呈现增加的趋势;结合供油提前角的协同优化,可以实现部分负荷工况下有效燃油消耗率、NOx及碳烟排放的同时降低,具有以实现整机性能优化的潜力。该研究工作为内部废弃再循环技术在小型非道路柴油机上的应用提供了参考。     

废气再循技术对正丁醇/柴油燃烧颗粒结构及分形特征的影响

为深入了解添加含氧燃料和废气再循环技术(exhaust gas recirculation,EGR)共同作用对颗粒结构及分形特征的影响,运用颗粒分级采样装置采集了EGR率分别为0、10%、20%时,柴油机燃用正丁醇质量百分比为10%的正丁醇/柴油混合燃料(N10)的燃烧颗粒(N10EGR0、N10EGR10%、N10EGR20%),通过电镜试验和图像处理技术,开展了不同EGR率对正丁醇/柴油燃烧颗粒的影响研究,分析了颗粒群的微观结构、平均粒径、分形维数,基本碳粒子的层面间距、微晶尺寸等物理结构参数的变化规律,结果表明,N10EGR0、N10EGR10%、N10EGR20%燃烧颗粒群整体呈现团簇状结构,颗粒粒径范围主要集中在30~70 nm之间,呈正态单峰分布;随着EGR率的增加,粒径范围向大粒径方向移动,平均粒径逐渐增大,N10EGR20%与N10EGR0相比,平均粒径增大约为19%;计盒维数逐渐减小,表明颗粒间的团簇程度逐渐减弱。不同EGR条件下的基本碳粒子结构相似,呈指纹状球形碳层结构,随EGR率的增加,基本碳粒子的内核碳层排列无序性和外壳石墨晶体结构无规则性增强,平均层面间距和弯曲度逐渐增大,微晶尺寸逐渐减小。该研究为含氧燃料与EGR共同作用对颗粒的形成机理以及降低柴油机颗粒排放的措施提供理论参考。     

VNT与EGR耦合对不同气压下燃用含氧燃料柴油机性能的影响

将废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)、可变喷嘴涡轮增压器(variable nozzle turbocharger,VNT)与含氧燃料掺烧技术结合,可拓宽EGR的适用工况,提高空燃比,既有助于解决氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)与微粒(particulate matter,PM)排放的矛盾,也有利于减小海拔上升导致的柴油机性能恶化的程度。选择EGR与VNT耦合的高压共轨柴油机作为研究机型,将生物柴油和生物乙醇按一定比例与柴油混合成生物乙醇柴油(biodiesel-ethanol-diesel,BED)燃料,利用大气模拟系统,在100和80 k Pa的环境下,试验研究VNT与EGR对含氧燃料柴油机动力性、经济性、排放特性的影响规律。结果表明:含氧燃料柴油机的动力性和经济性随着VNT开度和EGR率的增大以及大气压力的降低而变差,在大气压力为80 k Pa、转速为2 200 r/min工况下,VNT开度从22%增大到28%扭矩平均降低3.8 N·m,比油耗平均增加4.2 g/(k W·h),EGR率每增大5%扭矩平均降低0.8 N·m,比油耗平均增加1.5 g/(k W·h),大气压力从100降低至80 k Pa时扭矩平均降低3.4 N·m,比油耗平均增加4.9 g/(k W·h);VNT开度从22%增大到28%时NOx平均减小15%,EGR率每增大5%时NOx排放平均降低12%,大气压力从80增大到100 k Pa时NOx排放平均增加11%;VNT开度从22%增大到28%烟度的平均增幅为175.3%,EGR率每增大5%烟度的平均增幅为331.9%,大气压力从100降低至80 k Pa时烟度的平均增幅为96.6%。     

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。     

可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能

针对一台废气旁通阀式（wastegate,WG）增压柴油机,提出可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbine,VNT）+文丘里管废气再循环系统（venturi exhaust gas recirculation,vEGR）的 VNT-vEGR 系统设计,并进行匹配优化。搭建了发动机台架试验系统,在保证原机经济性与颗粒物（particulate matter,PM）排放性能基本不变的前提下,对氮氧化物（NOx）排放进行重点优化。研究结果表明：优化后的 VNT+vEGR 柴油机的欧洲稳态测试循环（European steady state cycle,ESC）试验加权的有效燃油消耗率、NOx 排放和 PM 排放分别为229.4、3.53和0.055 g/(kW·h),相比于原 WG 柴油机的变化率分别为0.04%、?48.2%和14.6%,油耗和 PM 排放略有升高,而 NOx 排放大幅降低,且动力性整体提高约5%～10%。匹配新系统的柴油机能够满足现行的排放法规并具有满足未来排放法规的潜力。该研究为改善柴油机的排放性能提供了参考。     

小型非道路柴油机排气管内颗粒的粒径分布与氧化特性

为了深入了解柴油机颗粒在排气管内的变化过程,分析柴油机颗粒粒径分布和氧化特性的变化趋势,采用废气排放颗粒物粒径谱仪(engine exhaust particle Sizer,EEPS),测量了柴油机沿排气气流运动方向,不同位置的颗粒粒径,研究了不同位置颗粒粒径的分布规律;应用热重/差热同步分析仪,分析了沿排气气流方向不同位置颗粒的表观活化能、着火温度、燃尽特性指数等特征参数的变化规律。结果表明:沿柴油机排气气流方向,核态颗粒数量减小,聚集态颗粒数量增加;聚集态颗粒的粒径增大。热重试验结果表明:沿柴油机排气气流方向,在SOF挥发阶段和soot氧化过程中,颗粒失质量速率增加,失质量峰值对应温度降低;颗粒中H2O质量由1.3%增加到2.46%,SOF质量由38.21%增加到42.05%,soot质量由57.84%减少到52.24%,灰分质量由3.01%增加到3.25%;颗粒的指前因子由7.93×1012减小到4.67×1012,反应活化能由157.3降低到127.9,着火温度由546℃降低到501℃,降低了约8.2%,燃烧特性指数由8.16×10-9增加到1.62×10-8,燃尽特性指数上升了14.5%。该研究是对颗粒衍化机理的完善,可为颗粒捕集器的优化设计提供参考。     

柴油机燃烧茶籽油废气排放试验（英）

植物能源已成为农用柴油机燃料的重要能源,在茶籽油作为S195型柴油机燃料进行的燃烧特性试验研究基础上,将茶籽油经过均质脱脂处理后在柴油机上作排放试验,进行了烟度、HC、NOx和CO的测定,并采用电子显微镜扫描测定废气碳粒的显微结构。结果表明：在柴油机结构基本不改变的情况下,柴油机燃烧经过技术处理的茶籽油或茶、柴混溶油是可行的,其柴油机燃烧茶籽油的燃烧性能好,排放优于柴油,燃烧室和喷油嘴的积炭减少,提高了柴油发动机燃烧质量。     

基于小角散射的柴油机排气颗粒的孔隙结构分析

为进一步降低柴油机的颗粒排放。针对柴油机的排气颗粒,采用热重分析和同步辐射X射线小角散射的方法,分析了颗粒在氧化过程中的内部特征、孔隙结构参数以及孔隙数量和尺寸分布等随氧化温度的变化规律。结果表明,随着氧化温度的升高,颗粒中电子密度差逐渐增大,颗粒之间的统计平均距离增大,颗粒尺寸逐渐减小;颗粒孔隙分布分维数、截面平均孔径、回转半径以及轴向长度均有明显增加;颗粒孔隙的结构紧密程度下降,随着氧化温度升高,小尺寸孔隙数量逐渐减少,大尺寸孔隙逐渐增加,100℃时的颗粒孔隙尺寸主要分布在6~7 nm,200℃是的颗粒孔隙尺寸主要分布在8~9 nm,400℃的颗粒孔隙尺寸主要分布在12~13 nm,总体上孔隙的尺寸和数量呈上升趋势。利用同步辐射X射线小角散射的方法,掌握颗粒氧化过程中孔隙结构的变化规律,对于丰富颗粒的测量方法提供了借鉴,为完善颗粒的氧化机理提供了相关基础数据。     

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。     

柴油机排放颗粒物中石墨烯结构分析

为了了解不同粒径的柴油机排放颗粒物中石墨烯结构,利用激光拉曼光谱仪和软X射线谱学显微光束线站分析了不同粒径的柴油机排放颗粒物中石墨烯结构和碳原子价态信息。结果表明,排放颗粒的D1峰(由无序石墨烯边缘和基底碳原子的A1g对称振动而产生的)与D2峰(无序石墨烯表面碳原子的E2g对称振动)的相对强度在3.34~4.01之间,石墨烯缺陷类型主要为边缘缺陷。随着排放颗粒粒径的增加,D1峰的半高宽分别增加了2.8和6.7 cm-1,化学异相性增加;D1峰与G峰(是理想石墨烯晶格E2g对称振动引起的)的相对强度分别降低了14.67%和27.17%,石墨化程度提高;D3峰(代表排放颗粒中的无定形碳,主要包括有机成分、碎片和官能团)的相对强度R3分别降低了13.73%和39.22%,无定形碳含量降低。石墨烯晶格内部C-C键长与粒径关系不大,晶格内部C-C键长约为0.142 nm;随着排放颗粒粒径的增加,石墨烯微晶尺寸分别增加了约0.412和0.821 nm,相邻石墨烯间距降低,排放颗粒活性增加;脂肪族C=C化学键、脂肪族C-H和羧基C=O化学键含量降低,"石墨烯性"C=C、酚类C-OH和酮类C=O化学键含量增加。该研究可为不同粒径柴油机排放颗粒形成机理的完善和排放颗粒净化装置的优化提供参考。     

重型柴油机颗粒物分布规律的试验研究

为了同时控制车用重型柴油机的颗粒物排放质量和数目,该文对稳态工况及瞬态工况下柴油机排放颗粒物分布规律进行了试验研究。试验结果表明:在稳态工况下,随着负荷的增加或者转速的提高,积聚态及核态颗粒物数目浓度、中位直径(count median diameter,CMD)、表面积和质量均呈现增大趋势,且峰值向大粒径方向偏移。在本研究中,稳态工况全工况总颗粒物数目浓度为1.5×10~6~4.5×10~6个/cm~3,积聚态颗粒物数目浓度为2×10~6~1×10~7个/cm~3,而核态颗粒物数目浓度为1×10~7~3×10~7个/cm~3,在总颗粒物数目浓度中占比为65%~96%。全工况当量比均小于0.7,在中低转速,当量比对颗粒物分布影响较为明显,在高转速尤其是大负荷条件下,当量比的影响减弱。在瞬态工况下,颗粒物数目浓度出现了与颗粒物质量类似的排放尖峰现象,浓度峰值达到2×108~7×108个/cm~3,比其对应的稳态工况出现的浓度峰值高出1个数量级。而且排放尖峰现象中,积聚态颗粒物数目浓度占主要部分,其峰值浓度比稳态工况要高出2个数量级,此时排放尖峰现象中核态颗粒物数目浓度也出现明显增长。排放尖峰现象对应的粒径主要集中在积聚态颗粒物的50~200 nm范围和核态颗粒物的6~8 nm及20~50 nm范围。这主要是因为当量比在瞬态过程出现了超过临界当量比0.8的情况。研究结果对重型柴油机颗粒物排放控制以及生成机理有重要指导意义,并可为排放后处理器的匹配计算提供数据支持。     

进气成分对柴油机燃烧特性的影响

为了研究进气成分对柴油机着火和燃烧过程的影响,在一台视窗上置式柴油机可视化实验装置上,用高速摄像机记录了油门全开时不同进气成分下柴油机燃烧过程的火焰照片,应用三基色法计算了燃烧温度场,结合示功图和放热率曲线分析了不同进气成分对柴油机燃烧特性的影响。结果表明:当进气成分不同时,缸内着火时刻、燃烧持续期、最大爆发压力和最大放热率均发生相应改变;同时,进气成分的改变对缸内最高温度和平均温度的影响较大;另外,进气同时加入2%H2和10%CO2可以在氧体积分数减少的情况下改善燃烧,有利于降低柴油机有害排放物的生成。研究结果为实现柴油机高效、低污染燃烧提供一种新的方法。