含水乙醇汽油直喷发动机燃烧与碳烟排放特性

为了深入分析含水乙醇对汽油直喷（Gasoline Direct Injection,GDI）发动机性能的影响,利用CONVERGE软件,结合耦合含水乙醇汽油燃烧机理和碳烟模型,进行了三维模拟,从微观角度研究了GDI发动机结合废气再循环（Exhaust Gas Recirculation,EGR）技术燃用含水乙醇汽油时的燃烧及碳烟生成与排放特性。结果表明：含水乙醇掺混比的增大有助于加快火焰传播速度,进一步缩短燃烧持续期。碳烟前驱物（PAHs）控制碳烟的成核和生长,含水乙醇汽油的含氧特性及高活性的OH可以抑制碳烟生成,与E0（含水乙醇体积分数为0）相比,E20W（含水乙醇体积分数为20%）的碳烟前驱物苯、萘、菲、芘的质量峰值分别降低了60.0%、54.5%、73.3%、52.4%,碳烟质量峰值降低了63.6%,碳烟数量密度峰值下降了40.0%。EGR的引入使燃烧效率降低,PAHs 和碳烟生成质量升高,碳烟数量密度降低,含水乙醇的添加能改善EGR环境中的燃烧效率,降低未燃HC和碳烟生成量。相比纯汽油,含水乙醇汽油结合EGR技术,弱化了EGR对燃烧和碳烟排放的负面影响。因此,EGR结合含水乙醇汽油能够改善发动机燃烧特性,降低发动机的碳烟等污染物排放,对提升GDI发动机性能和改善颗粒物排放有较好的作用。     

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     

电控低压喷射小型汽油机燃烧与排放特性分析

以168F汽油机为样机,采用自主开发的通用小型汽油机低压电控燃油喷射系统,按照美国EPA排放试验循环工况,对35 kPa、70 kPa和0.3 MPa喷射压力下发动机燃烧特性与排放特性进行试验研究。得出小型汽油机采用不同喷射压力喷油,可通过喷油脉宽控制使各工况点过量空气系数无明显差异,能实现以低排放为目标开环控制的电控低压喷射并能优化汽油机的综合性能。降低喷射压力,发动机标定工况缸内最大爆发压力略有降低,最大爆发压力对应曲轴转角推迟。随着喷射压力降低,燃烧持续期略有增加,缸内最高燃烧温度下降,CO排放值几乎保持不变,HC排放值呈上升趋势,NOX排放值则呈下降趋势,有效燃油消耗率略有增加。用喷油压力分别为35 kPa、70 kPa和0.3 MPa喷油,CO比排放分别为259.9、258.5和258.3 g/(kW·h);HC+NOX比排放分别为7.41、7.35和6.99 g/(kW·h)。相对于使用化油器供油的原机而言,电控样机整机动力性不变,排放和经济性能明显提高。采用35kPa 的低压电控喷射系统小型汽油机能满足美国 EPAⅢ排放法规限值要求,起动性能、运转稳定性明显改善,能降低整机电控系统的成本,可推动整个通用小型汽油机行业电控化发展。     

基于热重法的干清猪粪直接燃烧特性分析

为了研究猪粪直接燃烧供能的可行性,该文测定了干清粪方式收集的玉米-豆粕日粮型猪粪的含水率、纤维素、半纤维素和木质素含量以及发热量;采用热重法测定了猪粪的热重曲线(thermogravimetric curves,TG curves)、微分热重曲线(diffenrential thermogravimetric curves,DTG curves),分析了猪粪的可燃性指数、燃烧稳定性指数、综合燃烧特性指数。结果表明:新鲜猪粪含水率在74.28%~76.75%;高位发热量为16.72~17.65 MJ/kg,低位发热量为14.24~15.34 MJ/kg;热重分析表明猪粪可燃性指数为(1.552~1.652)×10-5 mg/(min·℃2),燃烧稳定性指数为(1.393~1.466)×10-6 mg/(min·℃2),综合燃烧特性指数为(6.480~7.305)×10-9 mg2/(min2·℃3)。猪粪球能在锅炉内良好燃烧,呈现明显的挥发分燃烧状态。研究的结果为猪粪直接燃烧供能提供了依据和参考。     

生物柴油常温常压下燃烧碳烟微粒的理化及团聚特性

在常温常压下分别燃烧生物柴油和0#柴油获得生物柴油碳烟微粒(biodiesel soot,BDS)和0#柴油碳烟微粒(diesel soot,DS)。采用旋转黏度计考察了BDS和DS在液体石蜡(liquid paraffin,LP)中的团聚特性,借助场发射透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱、傅立叶红外光谱仪、X-射线光电子能谱、元素分析仪、Zeta电位仪和光学法接触角/界面张力仪等分析了BDS和DS的形貌、成分、结构及团聚机理。结果表明,BDS和DS均是由大量的近球形一次颗粒组成的链状团聚体,BDS一次颗粒的直径小于DS,BDS的石墨化程度高于DS;和DS相比,BDS的C元素含量高,O、H、N、S元素含量低,2种碳烟均含C-C、C-O-C和C-OH等官能团。此外,DS还含有C=O官能团。BDS和DS在LP中均会发生团聚,但BDS对LP黏度的影响大于DS。其团聚机理为,与DS相比,BDS表面能高、亲油性弱,致使BDS在LP中容易团聚。研究结果为生物柴油在内燃机中广泛使用提供试验依据,为解决BDS在润滑油中的分散问题打下基础。     

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。     

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.     

点燃式发动机燃烧稳定性的非线性动力学分析

为了揭示点燃式发动机燃用汽油、液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)和压缩天然气(compressed natural gas,CNG)时,循环变动的动力学本质。采用非线性动力学的方法,围绕燃烧过程的稳定性开展了研究。分析了最大爆发压力的循环变动系数,对缸内压力的时间序列进行了3维相空间的重构,采用庞加莱截面法简化了重构的相空间轨迹,分析了平均有效压力(indicated mean effective pressure,IMEP)的循环变动规律,围绕返回映射开展了研究。结果表明,缸内压力的相空间轨迹具有一定的混沌特性,燃烧初始阶段结构相对紧密;燃用汽油时,轨迹分布密集,燃用LPG和CNG时,轨迹逐渐发散,燃烧稳定性下降;庞加莱映射降低了相空间结构的复杂性,LPG和CNG燃烧时散点发散,燃烧参数随机性增强;汽油燃烧时,平均指示压力的循环变动较小,LPG和CNG燃烧时,循环变动逐渐增大,燃烧随机性增强。发动机燃烧过程具有混沌特性,燃用LPG和CNG时稳定性下降。通过论文的研究揭示了点燃式发动机燃烧过程循环变动的产生原因,为改善发动机的燃烧稳定性提供了理论依据。     

La2Cu(1-x)FexO4氧化去除柴油机碳烟微粒的试验分析

制备的La2Cu(1-x)FexO4(x=0、0.1、0.2、0.3)系列催化剂与碳烟微粒紧密接触后,置于固定床连续流动反应系统,进行氧化碳烟活性评价的模拟试验,研究发现La2Cu0.9Fe0.1O4具有较好将其氧化的反应活性,这与H2-TPR试验结论相一致,且由TG-DTA试验表明模拟试验测试的数据具有可靠性。在堇青石和SiC载体上涂敷催化剂后进行程序升温试验,表明在200℃～350℃温度区间内2种材料载体对氧化碳烟微粒的活性相近。通过发动机台架试验验证了La2Cu0.9Fe0.1O4能有效氧化柴油机排放的碳烟微粒,且对工作过程进行了模拟计算,计算结果与试验结果具有一致性,表明通过数学模型能较好地描述催化氧化柴油机排放的碳烟微粒。     

基于废气成分分析和支持向量机的发动机故障诊断

为了实现发动机故障的快速实时诊断,提出了一种基于废气成分分析和支持向量机的发动机故障诊断方法。该方法首先运用NHA500废气分析仪采集发动机典型故障状态下的HC、CO、CO2、O2、NOX等废气参数值,接着对采集到的数据进行规范化处理,提取特征向量作为学习样本,然后用于设计训练基于支持向量机的多元分类器,进行故障类型识别。试验结果表明,采用纠错编码的支持向量机分类方法比神经网络具有更好的抗干扰性和更强的分类能力,在小样本的情况下故障诊断正确率达98.5%,能有效描述废气成分变化和故障状态之间的复杂关系。     

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。     

不同喷油定时乙醇/柴油RCCI低负荷燃烧与排放特性

在总循环能量与乙醇能量替代比不变的条件下,研究了不同柴油喷油定时（start of injection, SOI）下乙醇/柴油活性控制压燃（reactivity controlled compression ignition, RCCI）六缸增压柴油机低负荷的燃烧与排放特性。结果表明,随着SOI的提前,RCCI冷焰反应相位提前,高温放热的瞬时放热率峰值先增大后减小,滞燃期逐渐增大,缸内燃烧温度逐渐增加,燃烧重心先提前后推迟。传统燃烧模式（conventional combustion mode, CCM）与RCCI的燃烧特性差异随着SOI的提前而增大。与CCM相比,RCCI的NOx排放的减少量随着SOI的提前而增加,HC与CO排放的增加量随着SOI的提前而减少。随着SOI的提前,粗态（>273.8～1 000 nm）颗粒物质量分数从84.09%减小到32.87%。聚集态（>13.3～273.8 nm）颗粒物质量分数从15.88%增加到66.36%。与CCM相比,RCCI的颗粒物排放的数量浓度较少,尤其是核态颗粒物;但RCCI颗粒物排放质量浓度较高。     

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。     

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。     

基于数值模拟的汽油机扫气过程优化

采用流体动力学模型对二冲程汽油机扫气过程进行三维瞬态数值模拟,讨论气缸内主要结构参数对扫气过程的影响,以达到优化扫气过程的目的。分析发现,扫气口开启角度、排气口开启角度和扫气口圆周角对充量系数影响较大,随着这3个量的增加,充量系数下降,扫气效果变差,导致功率下降;同时随着排气口开启角度的增加,逃逸比迅速减小,有利于排放。在三维瞬态分析的基础上提出优化方案：扫气口开启角度为123.1°CA,排气口开启角度为112.1°CA,扫气口圆周角为72.5°。试验结果表明改进方案功率增加了22.4%,HC排放降低了55.1%。应用数值模拟,可以有效地优化汽油机的扫气过程。     

共轨柴油机缸内喷雾与燃烧动态可视化试验

为研究电控高压共轨柴油机缸内喷雾与燃烧,以某高压共轨柴油机为样机设计了一种多功能动态可视化试验装置,采集了共轨柴油机缸内动态燃烧过程图像。在此基础上,对柴油机进气道进行改进,利用工业纯度的氮气替代新鲜空气,使柴油机在单缸不着火的条件下,实时采集缸内多次动态喷雾图像。研究表明:利用该装置可以清晰、真实地观察到电控高压共轨柴油机预喷、主喷与后喷的多次喷油时间、喷雾锥角和雾化情况。预喷发生在-25°曲轴转角时,持续期约5°曲轴转角,喷油量较少,雾化不明显;主喷发生在-10°曲轴转角时,持续时间约10°曲轴转角,喷油量大,贯穿力强,可以清晰地观察到缸内明显的油束和喷雾锥角,喷雾以直线形式向活塞顶"ω"型底部扩展;后喷发生在8°曲轴转角时,持续时间较短,喷油量较少,但由于较高的缸内温度使燃油雾化效果明显。在着火时,可以实时观测不同工况下缸内着火、火焰中心形成以及火焰传播过程。缸内着火初始,燃油离散不充分,只有部分燃油和空气混合,即所谓的预混合着火部分(-15°~-4°曲轴转角)。在上止点附近,随着空气的流动使得火焰迅速扩散而充满整个燃烧室。对比额定工况下缸内燃烧图像,怠速工况下着火时刻推迟约5°曲轴转角,火焰占有面积较小,亮度较低。该研究为合理组织电控共轨柴油机缸内喷雾与燃烧提供大量的缸内信息与试验测量手段,可以对柴油机缸内喷雾与燃烧模拟计算结果进行试验验证。     

柴油机催化型颗粒捕集器喷油助燃再生特征

针对在用车辆的排放升级改造,以及满足非道路移动源四阶段排放标准限制要求,该文基于自主开发的喷油助燃主动再生系统,开展了加装DPF(diesel particulate filter)和不同CDPF(catalyzed diesel particulate filter)后处理器的发动机外特性试验和喷油助燃主动再生燃烧试验。结果表明:催化剂负载量为530g/m~3的CDPF,对外特性下发动机的动力性和经济性影响较小,并为碳烟再生提供了充足的NO_2组分,因而其最大排气压差比DPF低8.8kPa。630℃时无二次供气的CDPF其再生效率高达96.4%,载体最高温度比DPF低31℃;采用二次供气速率1.25L/s、时长180s,继续供气速率0.625 L/s、时长420 s的再生方案,600℃时CDPF的再生效率为83.2%,载体最高温度比无二次供气时降低了64℃;进行停机再生与怠速再生时,催化剂负载量为530 g/m~3的CDPF具有更好的再生特性,其停机再生效率为76.4%,怠速再生效率达到88.5%。本研究对开发安全、高效的主动再生系统具有借鉴意义,并可为催化条件下的主动再生策略研究提供数据支撑。