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。     

柴油机进气掺混甲醇重整气燃烧过程及排放特性

以某型四缸柴油机为研究对象,采用数值模拟计算的方法,研究了柴油机进气掺混甲醇重整气的燃烧过程中,以及重整气掺混比和喷油正时对缸内压力、燃烧放热过程、Soot和NOx排放的影响。结果表明：与原机相比,掺烧甲醇重整气和氢气后,缸内压力、温度和放热率峰值均有所升高,Soot排放大幅降低,NOX排放升高且滞燃期和燃烧持续期缩短;掺烧氢气及甲醇重整气均有助于改善缸内燃烧,提高燃烧等容度,提升热效率;掺烧甲醇重整气后缸内压力、燃烧温度和放热率峰值较低于柴油机掺烧氢气,Soot排放降低28.5%,NOX排放升高16.9%。随着重整气掺混比的提升,缸内压力、燃烧温度和放热率峰值均进一步提升,滞燃期和燃烧持续期进一步减少,燃烧速度加快,燃烧持续期缩短,等容度燃烧加强。通过喷油正时的推迟,柴油机掺烧甲醇重整气后缸内燃烧重心后移,后燃比重增加,燃烧等容度下降,Soot排放和NOX排放降低,柴油机功率降低。     

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。     

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。     

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。     

燃油稀释低黏度机油对柴油机缸套活塞环润滑性能的影响

为研究燃油稀释低黏度润滑油对缸套活塞环润滑性能的影响,该研究以农用柴油机为研究对象,基于燃油湿壁现象考察了燃油稀释低黏度润滑油对混合液的黏度变化影响。试验结果显示,随着燃油稀释率增大,混合液的动力黏度呈现先急剧下降后缓慢下降的变化规律,稀释率从0增加到10%,动力黏度降幅达44.9%,表明少量柴油稀释低黏度润滑油将导致黏度迅速降低。通过构建缸套-活塞环润滑摩擦理论模型,采用数值计算方法探究了燃油湿壁效应对缸套-活塞环摩擦性能的影响机理。模拟计算结果显示,随稀释率的增加,缸套-活塞环之间的油膜厚度变薄,流体动压润滑区间不断缩小,而混合润滑区间不断扩大,导致摩擦副表面微凸体接触增多,特别是在压缩行程上止点附近,缸套-活塞环的摩擦力随着稀释率增加而增大;而缸套-活塞环摩擦副的循环摩擦损失随稀释率增大呈现先降低后升高的趋势,稀释率为10%时摩擦损失最小。通过搭建发动机测试台架进行倒拖试验发现,当稀释率从0增大到30%时倒拖转矩呈现先减小后增大的趋势,且当稀释率为10%时倒拖转矩最小,验证了不同燃油稀释率下倒拖转矩变化与模拟计算结果的一致性。在发动机中应用低黏度润滑油,应控制其稀释率低于20%,以保持必要的润滑作用。研究结果可为为低黏度润滑油的推广应用提供指导。