单缸LPG发动机性能和工作过程（简报）

为了弄清以ZSI 100柴油机为基础开发的单缸液化石油气发动机的工作原理,以利于进一步改进,以试验和模拟计算结合的方法,研究了该机的动力性能和工作过程.通过LPG与窄气混合器参数优选、燃烧系统参数设计及点火提前角控制等技术措施,优化了单缸LPG发动机的性能.性能试验结果表明,样机在安装点火提前装置后,取得了良好的整机性能.通过放热规律模型的建立、计算结果的分析,对柴油机燃用LPG后其工作过程的进行和组织有更直观和清晰的理解,对柴油机燃用LPG的改装应用提供参考依据.     

基于光学单缸机的含水乙醇汽油直喷燃烧特性分析

含水乙醇与汽油混合能有效改善发动机的燃烧和排放性能,而混合燃料的微观火焰发展能够揭示宏观表现的机理。该研究以此为切入点,采用光学单缸发动机试验,研究了不同喷油策略下,E10W(含水乙醇体积分数为10%)、E20W(含水乙醇体积分数为20%)和E100W(含水乙醇体积分数为100%)3种含水乙醇汽油燃料的燃烧特性、火焰发展及碳烟生成特性。结果表明:正常喷油时,缸压峰值、放热率、火焰传播速度随含水乙醇比例的上升逐渐增大,其中E100W相比E10W缸压峰值增加10%,燃烧相位提前2°CA,火焰传播速度增加15%,燃烧持续期缩短,E100W的循环变动相比E10W下降了20%;推迟喷油后,燃烧相位相比正常喷油时大幅提前,燃烧循环变动增大。火焰发展过程表明,火焰亮度在火焰充满燃烧室以后达到最大,前锋面向燃油湿壁量较高一侧偏置,池火燃烧剧烈区域黄褐色火焰较多,碳烟生成量较高。推迟喷油后缸内火焰分区现象明显,燃烧不均匀现象加剧,池火燃烧明显增多,含水乙醇的添加使火焰传播更均匀,剧烈燃烧池火区域减少,碳烟相对含量可降低90%。因此,缸内直喷汽油机燃用含水乙醇与汽油的混合燃料,可以有效改善发动机燃烧特性,加快火焰传播速度,减少碳烟生成量,对提升直喷汽油机性能和改善颗粒物排放有较好的作用。     

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。     

引导喷射燃烧改善单缸柴油机性能的研究

针对单缸柴油发动机保有量大，应用范围广，而又普遍存在油耗、排污相对偏高的问题，结合单缸柴油机结构特点，在不改变原机结构的前提下，增设一套燃油喷射系统，增设的燃油喷射系统与原燃油供给系统配合，用机械控制方式代替高压电控喷射系统，实现引导喷射，促进柴油和空气的混合，提高混合气形成质量，改善燃烧过程，从而改善柴油机经济性和排放。试验结果表明，增设一套燃油喷射系统实现引导喷射，对节能、控制排放特别是噪音有效果。采用两个喷油泵分别向一个喷油器供油，实现引导喷射，对单缸柴油机有一定的适用性和推广价值，同时也为进一步研     

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。     

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...     

提高柴油机燃烧过程仿真计算精度的标定方法

为提高柴油机燃烧过程仿真计算精度,该文提出了新的仿真模型标定方法:首先对仿真计算的喷雾液相贯穿距、总的喷雾贯穿距(含气相)和喷雾形态进行试验验证;然后基于喷雾过程标定结果,选择合适的燃烧模型,对仿真计算的缸压和放热率曲线进行试验验证。按照上述方法应用Fire软件研究了WAVE破碎模型、Dukowicz蒸发模型和ECFM-3Z燃烧模型相关参数对计算结果的影响,分别利用喷雾自由射流和单缸柴油机试验结果标定了喷雾和燃烧模型,并与仅利用缸压和放热率曲线标定仿真模型的传统方法进行了比较。结果表明:仅利用缸压和放热率曲线标定仿真模型的方法不能保证喷雾过程模拟的准确性,后续燃烧、排放模拟的准确性亦不能保证;采用新提出的仿真模型标定方法,能准确模拟单次和分段喷射条件下柴油机的缸内喷雾和燃烧过程,拓宽了应用范围,提高了仿真计算精度。     

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。     

单缸柴油机一体式净化消声器设计与性能试验

为了通过机外净化的方式降低柴油机排放,基于单缸柴油机的工作特点,融合一体式净化消声器的设计要求,研制了一种单缸柴油机用一体式净化消声器。通过数值模拟与试验相结合的方法,对设计的一体式净化消声器的催化性能、声学性能、空气动力性能以及结构性能展开研究,提高催化器转化效率和使用寿命,同时满足消声作用。整机性能试验表明:安装优化后的一体式净化消声器,整机噪声略小于原机消声器,整机八工况排放CO、HC、PM分别为0.94、0.46、0.40 g/k W·h,相比于仅采用机内净化的样机分别降低了85.4%,70.5%,28.6%,劣化试验后柴油机排放满足非道路柴油机国Ⅲ要求;一体式净化消声器采用优化结构,与原结构相比,由于排气气流均匀流经催化器,CO、HC和PM的转化效率分别提高了21.0%、25.8%和7.0%。该研究可为单缸柴油机的机外净化研究提供参考。     

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。     

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。     

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。     

小缸径涡流室柴油机用喷油嘴的研究

该文分析了目前国产涡流室柴油机的机型现状，通过理论计算分析指出用一种结构参数的喷油嘴不能满足不同气缸工作容积涡流室柴油机的匹配要求，提出为优化柴油机动力性、经济性、排放、噪声及可靠性等综合性能，喷油过程必须有合理的喷油持续期，应根据柴油机循环喷油量的大小选用不同结构参数和流量的喷油嘴进行匹配试验。文中分析了针阀流通面积、针阀运动的泵吸容积、压力室容积的大小与柴油机循环喷油量的关系，以及它们对喷油过程和柴油机性能的影响。结合国内生产实际情况，给出了一个轴针式喷油嘴系列设计方案，并用试制样品初步进行了试验，试验结果表明柴油机的燃油消耗率、排气烟度明显降低，性能得到了优化提高。     

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.     

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。