2004 Mack MD11柴油机燃用氢-柴油混合燃料的排放特性

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。该文对2004 Mack MD11柴油机燃用不同比例(最高氢气比例达7%)的氢气与柴油组成的混合燃料的CO、CO2、HC、排放特性进行了研究。结果表明:在各种负荷下,氢气和柴油的混合燃料有助于降低CO、CO2和HC的比排放。随氢气添加量增加(或添加超过一定量以后),CO、CO2和HC各自排放量随着负荷降低的规律不尽相同,在低负荷下排放量的降低更为显著一些。如在10%负荷下,CO排放量减少50%以上;CO2量减少60%以上;HC排放量减少40%以上。     

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%。     

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。     

二叔丁基过氧化物对生物柴油燃烧过程及排放的影响

采用十六烷值改进剂二叔丁基过氧化物(Di-tert-butyl peroxide,DTBP)对生物柴油的着火性能进行改进。通过柴油机台架试验,测量了标定转速2900r/min、不同负荷时柴油机的气缸压力和排放污染物,考察了DTBP不同添加比对生物柴油燃烧过程及排放的影响。研究结果表明,随着DTBP添加比例的增加,着火延迟期及缸内最高爆发压力均有所降低,DTBP添加比例为0.75%时,滞燃期缩短1.2°CA左右,燃烧持续期缩短3°CA左右,缸内最高爆发压力降低2.5%;添加DTBP后,HC、CO、NOx排放均有所改善,DTBP添加比例为0.25%时,排放降低最多:HC排放降低42.7%,CO排放降低13.9%,NOx排放降低15.7%,随着DTBP添加比的增加,排放略有升高,但对碳烟排放影响不大。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

增压中冷柴油机EGR系统文丘里管的设计与试验

针对柴油机在低速、大负荷工况下引入EGR（exhaust gas recirculation）气体困难的实际情况,该文采用在中冷器后安装一个文丘里管的方法提高对EGR的引射能力。通过计算初步确定了文丘里管的喉口直径,并设计了3种不同结构尺寸的文丘里管,进行了相关试验。试验结果表明,随着发动机转速的提高,气体流量增加,文丘里管的降压作用增强;EGR阀前与文丘里管喉口的压差随着发动机转速先减小后增加,在1 100到1 600 r/min转速范围内,该压差为负值,不利于引入EGR气体;在2 200 r/min时,随着发动机负荷的增加,EGR阀前压力始终大于文丘里管前压力,即使没有文丘里管,发动机也可以顺利引入EGR,但二者压差随着负荷的增加而减小,导致高负荷时EGR率降低;文丘里管的降压作用随发动机负荷的增加而增加,EGR引射能力随负荷的变化不明显;在试验负荷范围内,文丘里管前后的压力损失始终大于5 kPa;在2 200 r/min时,3种喉口直径的文丘里管的EGR引射能力随着负荷的增加均有增强的趋势,但直径较小的文丘里管EGR阀前与喉口压差较大,容易实现较高的EGR率;但在1 600 r/min时,3种文丘里管的EGR引射能力均随着负荷的增加而减小;当扭矩超过470 N·m时,随着文丘里管喉口直径的增加,EGR阀前与文丘里管喉口压差逐渐降低,引入EGR气体的难度逐渐增加。研究结果可为增压中冷柴油机废气再循环系统文丘里管的设计和应用提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。