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。     

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。     

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。     

TCD燃烧系统对柴油机燃烧和排放性能改善效果的试验研究

为探究道依茨TCD2015柴油机上配备的导流燃烧系统(简称TCD燃烧系统,T表示涡轮增压器,Turbocharger,C表示进气中冷,Charge air cooling,D为柴油颗粒捕集器,Diesel particle filter)对改善柴油机燃烧性能和降低污染物排放的效果,采用单缸机试验对TCD燃烧系统在不同转速、负荷和过量空气系数下的燃烧和排放性能进行研究。试验结果表明不同工况下TCD燃烧系统燃油消耗率和Soot排放量均低于传统ω燃烧系统,燃油消耗率最大降幅为7.01%,Soot排放量最大降幅为86.67%,且低过量空气系数(1.2～1.6)下TCD燃烧系统仍具有较好的性能。为揭示TCD燃烧系统改善油气混合促进燃烧的机理,采用AVL Fire软件建立了柴油机性能仿真模型。计算结果表明,TCD燃烧系统的环状凸起结构将燃油导向内外两室,从而促进了缸内燃油发展过程,燃油当量比大于4的浓混合气区域燃油质量比例相比ω燃烧系统降幅最大为9.75%,活塞下移时TCD燃烧系统内油束撞击浅盘侧壁形成撞壁射流扩大了燃油扩散面积,从而改善了缸内油气混合质量,燃油当量比小于1的均匀混合气区域燃油质量比例相比ω燃烧系统降幅最大为7.45%,因此TCD燃烧系统能够有效改善柴油机的燃烧和排放性能,可应用于柴油机高负荷和低过量空气系数工况综合性能提升。研究结果可为柴油机燃烧系统开发和改进提供参考。     

2004 Mack MD11柴油机燃料加氢后NOx与微粒排放特性

为了降低柴油机的排放,氢作为柴油机燃料的研究正在引起研究者的关注。该文进行了在2004 Mack MD11柴油机中添加不同比例氢气(最高氢气比例达7%)与柴油形成混合燃料的NOx、微粒(PM,particulate matter)排放特性研究。研究表明:负荷工况不同,添加氢气对NOx排放特性的影响不同;随着添加氢的增加,有NO转化为NO2现象;NOx排放很大程度还与发动机可变截面涡轮增压系统(VGT,variable-geometry gas turbine)和废气再循环系统(EGR,exhaust gas recirculation)工作状况有关;添加氢气后即使在大、全负荷下,NOx排放量也没有明显增加。这主要归因于2004 Mack MD11采取了EGR,并且随着负荷增加,EGR率也在增加。在各种负荷工况下,添加氢气对降低PM排放量的作用明显,PM排放量减小率一般达50%以上,最高达75%。     

柴油机瞬态VNT开度优化研究

瞬态工况下,可变喷嘴涡轮增压器(Variable Nozzle Turbocharger,VNT)开度的调节对柴油机增压压力、扭矩响应及污染物排放具有较大影响.为优化瞬态工况下VNT开度,实现瞬态工况下柴油机与VNT的协调控制,该研究以配备VNT的高压共轨柴油机为对象,通过台架试验研究了不同转速下负荷1、3和5 s从0...     

单缸直喷柴油机燃烧LPG的改装设计及燃烧过程研究

针对中国单缸柴油机使用广泛和国家对内河江湖等水质污染治理要求，以ZS1100直喷柴油机为基础，通过优选燃料供给系统的LPG与空气混合器参数，燃烧系统设计参数和点火系统点火能量、点火提前角优化控制等技术措施，在不改变原柴油机螺旋进气道等零部件结构的情况下，开发了1100单缸LPG发动机。性能试验和燃烧过程分析表明：单缸LPG发动机综合性能优良，可代替单缸柴油机作为湖泊旅游船机、内河与湖泊作业、运输船舶的配套动力，可减少柴油机在使用维修保养过程中燃油滴漏对水质的污染，且发动机噪声降低、黑烟排放减少，改善了人们     

高性能低排放小型非道路柴油机的开发

以某小型非道路单缸直喷式柴油机为研究对象,综合运用CAE与CFD优化设计技术,从燃烧系统多参数优化匹配与机械系统改进设计2个方面入手,进行高性能低排放小型非道路柴油机开发。利用Hydism与Fire等多维模拟软件,对燃油供给系统参数、燃烧室与进气涡流参数进行虚拟协同优化,分析三者对燃烧过程与排放性能的影响,并确定了优化方案;同时利用有限元分析软件,对机体、缸盖及活塞等机械系统进行改进设计,提高整机的刚度强度及可靠性,有效降低机油耗。试验结果表明:最终优化方案与原机相比,燃油经济性与排放性能得到有效改善,CO、HC+NOx、PM排放分别减少了49%、58%、74%,燃油耗降低了6.9%,机油耗降低了59%,可满足EPA非道路柴油机第Ⅳ阶段法规限值,为高性能小型非道路柴油机开发提供了参考。     

农业机械污染排放控制技术的现状与展望

农业机械作为一种重要的非道路机械类型,其主要动力源为柴油机,而柴油机固有的燃烧方式会导致其颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)等污染物排放严重,开展农业机械污染排放控制技术的研究对人体健康和环境保护均具有重要意义。该文从农业机械排放法规、降低农业机械污染排放的单项技术路线、满足更高排放限值要求的组合技术路线3个方面进行阐述。农业机械排放法规分析了欧盟、美国和中国法规对排放限值和测试循环的要求以及各国法规的差异。中国目前正在实施的农业机械国III排放标准,与欧盟的Stage IV和美国Tier IV标准相比,排放限值相对宽松;欧盟农业机械排放法规的NRSC测试循环主要包括8工况循环和5工况循环,而中国和美国规定,19 k W以下的非恒定转速的农业机械柴油机也可使用6工况循环进行测试;欧盟和中国规定污染物测量的最终结果为冷启动循环结果的10%和热启动循环结果的90%的加权,而美国将冷启动循环结果的比例调低至5%。单项技术路线对油品技术、机内净化技术和机外排气后处理技术进行了介绍。其中,油品技术包括提升燃油和润滑油品质、采用替代燃料等;机内净化技术包括农业机械柴油机本体优化设计、增压及增压中冷、燃油喷射优化和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)等;机外排气后处理技术包括柴油机氧化催化转化技术(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油机颗粒捕集技术(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原技术(selective catalytic reduction,SCR)等。组合技术路线总结了满足国III和国IV阶段以及国外最新排放标准的技术路线。"优化燃烧+SCR"技术路线的柴油机比采用"EGR+DPF/CDPF"技术路线的柴油机节省5%~7%的油耗,若扣除尿素消耗,前者仍有一定节油优势;模块构建和单体式后处理系统等先进的农业机械污染排放控制技术是满足Stage IV/Tier IV和Stage V的重要技术路线。最后,针对农业机械污染排放控制技术研究,进行了总结和展望。为满足未来国IV排放标准,加装机外排气后处理催化器已经成为一种重要手段;开发低成本、高净化效率的集成式机外排气后处理催化器,是未来农业机械污染排放控制的重要研究方向。     

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。     

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。     

废气再循环改善生物柴油发电机的经济性和排放性

在单缸风冷四冲程柴油发电机上,采用0、16%、28%EGR(exhaust gas recirculation,废气再循环)率,分别以柴油和生物柴油为燃料进行了试验,测试并分析了经济性,NOx、HC、CO和烟度的排放性能。研究表明:生物柴油油耗高于柴油,在0、16%和28%EGR率时,生物柴油的体积油耗平均高出柴油约9%、10%和17%;与无废气再循环相比,16%和28%EGR率时,燃用柴油平均可减少NOx约17%和35%,燃用生物柴油平均可减少NOx约10%和24%,生物柴油的NOx排放量高于柴油平均约6.5%和17%;燃用柴油时随EGR率增大,HC的排放量增大,16%和28%EGR率时,生物柴油的HC排放低于柴油平均约6%和28.5%;28%EGR率时,生物柴油CO排放量低于柴油,平均降低约24%;随EGR率增大,生物柴油的烟度增大,燃用生物柴油在小负荷和中负荷时烟度高于柴油。     

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.     

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。     

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。     

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。