基于EGR技术的国Ⅳ重型柴油机燃烧系统开发

在一台电控重型柴油机上进行了基于EGR技术的燃烧系统开发研究,组建了基于WGT增压器的电控高压EGR系统,研究了燃烧室、喷油器、增压器、EGR率及喷油参数等对柴油机性能和排放的影响,确定了最终的重型柴油机国IV燃烧系统优化方案.结果表明:通过优化匹配燃烧室和增压器并采用孔径较小的多孔喷油器能显著改善柴油机NOx和烟度之间的折衷关系;小负荷时,推迟喷油可以使NOx在降低较多的情况下烟度略有下降;随着EGR率增加,提高喷油压力与推迟喷油相结合,可以同时降低大负荷的NOx和烟度排放,并能改善燃油经济性.ESC循环测试结果表明,通过对燃烧系统、EGR和喷油控制参数的综合优化,在不采用后处理器的情况下,柴油机各气体排放(NOx、HC和CO)及微粒(PM)均达到国Ⅳ排放标准,十三工况加权油耗率与原机基本相当.     

新型相继增压系统对船用柴油机性能影响的研究

将传统定涡轮相继增压系统的主增压器替换为可变截面涡轮增压器（Variable geometry turbocharger,VGT）,完成VGT相继增压（VGT-Sequential Turbo Charging,STC-VGT）系统改造及其开度控制装置设计。通过试验,研究0%、10%、25%、40%、55%、70%、85%和100%八个不同开度对STC-VGT增压柴油机分别以1/2TC运行的性能影响。结果表明：STC-VGT系统1TC运行时,相比原机,动力性改善明显,NOx排放量升高,Soot排放量降低,同时,随着负荷的增加,燃油消耗率均呈现先降低后升高的趋势;以2TC运行,当VGT开度大于70%时,动力性整体相比原机有所下降,最大降幅约为1.16MPa,NOx排放量降低,Soot排放上升,燃油消耗率整体高于原机。之后,建立多目标灰色决策模型,通过主客观赋权的方法计算得出1/2TC各研究负荷所对应的最佳VGT开度,并根据燃油经济性最优原则确定STC-VGT系统1/2TC切换点为50%Pe0、切换开度为0%。最后,对STC-VGT系统性能进行评估,其结果表明：该系统以各负荷最佳VGT开度运行时,燃油经济性整体优于原机,且10%Pe0≤Pe<80%Pe0时,也优于传统定涡轮相继增压;同时Soot排放性能整体优于原机和传统定涡轮相继增压,但NOx排放与之相反。因此,柴油机采用STC-VGT系统动力性、经济性和Soot排放性均得到有效提升,但NOx排放性能有所下降。     

某柴油机低温燃烧性能的试验研究

如何同时降低NOx和碳烟排放是柴油机有害排放物控制的难点和重点。通过台架试验方法,采用EGR和燃油推迟喷射措施对试验柴油机进行了低温燃烧性能研究,试验表明:由于试验柴油机的EGR率有限,单纯的调节EGR阀并不能实现试验柴油机的低温燃烧,在小负荷工况下引入EGR可以降低试验柴油机的油耗率;单纯的推迟喷油,都出现了NOx和烟度同时降低的低温燃烧现象,但是推迟喷油使得油耗率上升,经济性下降。采用EGR全开+推迟喷油的方式在1 800r/min 30 N·m时获得了比原机更低的油耗率、NOx和烟度排放,循环波动率变化较小。但随着负荷的增加,虽然可以实现NOx和烟度同时降低,但是试验柴油机的经济性下降。     

EGR率对高压共轨柴油机燃烧性能影响的多维仿真

为了预测不同废气再循环(exhaust gas recirculaction,EGR)率对某型高压共轨柴油机性能的影响,采用AVL FIRE软件建立了该柴油机缸内的多维仿真模型,并与试验结果进行对比,验证了模型的正确性;对样机采用不同的EGR率进行缸内模拟计算,分析研究了不同EGR率对柴油机缸内燃烧过程参数及排放(NOx和Soot)的影响。结果表明:随着EGR率从0.00增加到0.20,柴油机缸内燃烧速率减小,爆压和最高温度分别下降了4.0%和3.9%,累计放热量下降了3.5%,滞燃期增加了0.9℃A,同时缸内NOx排放生成区域明显减少,但Soot排放生成区域明显增加。     

EGR冷却温度对重型柴油机性能及排放的影响

以一台配有废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)冷却系统和可变几何截面涡轮增压器的高压共轨重型柴油机作为研究对象,进行了EGR冷却温度对柴油机性能及排放影响的台架试验研究。结果表明:随着EGR冷却温度降低,柴油机燃油消耗率、烟度和NOx排放均持续降低。而EGR冷却温度每降低1℃,柴油机燃油消耗率、烟度和NOx排放在不同转速、负荷下降幅差异明显。燃油消耗率在中等转速、低负荷工况降幅最大,NOx排放和烟度在高转速、低负荷工况下降幅最大;在考虑到EGR冷却系统消耗的能量后,可以通过计算得到理论燃油消耗率。在兼顾燃油消耗率和排放性的原则下得到了各工况下EGR相对最优冷却温度,而所得到的相对最优EGR冷却温度正是各个试验工况下理论燃油消耗率最低的温度。     

高/低压EGR对两级增压柴油机性能和排放影响的试验研究

在一台两级增压高压共轨柴油机上,进行了高压废气再循环(HP-EGR)和低压废气再循环(LP-EGR)对柴油机燃烧、性能和排放影响的试验研究。研究结果表明:随EGR率增加,LP-EGR的高低压级压气机的压比和流量变化较小,而HP-EGR的高压级和低压级压气机都由中心高效区向低效区和流量减小的方向偏移,并快速靠近喘震线;低负荷时,HP-EGR的滞燃期延长,预混合燃烧比例较高,燃烧持续期缩短,更好地改善了NOx排放与油耗率和碳烟排放之间此消彼长的关系;低速高负荷时,随EGR率增加,相对HP-EGR,LP-EGR能提高两级增压系统的效率和做功能力,明显提高氧燃当量比,同时显著改善NOx排放与油耗率和碳烟排放之间此消彼长的关系;中高转速高负荷时,随EGR率增加,HP-EGR的进排气压差逐渐下降并越加低于LP-EGR,使得泵气损失明显减少,NOx排放与油耗率和碳烟排放之间此消彼长的关系好于LP-EGR。     

电动增压器不同布置方式对涡轮增压器的影响

通过仿真软件对某型废气涡轮增压柴油机进行建模,在原机模型基础上分别在涡轮压气机前端和后端加装电动增压器,分析增压柴油机满负荷和25%负荷工况下,电动增压器前置和后置对于涡轮增压器稳态性能的影响以及增压柴油机1800 r/min时,通过时间3 s,使柴油机负荷从25%提升至满负荷的瞬态工况下,电动增压器对涡轮增压器瞬态响应的影响。通过研究表明:稳态时,涡轮增压器压比和效率随柴油机负荷降低而下降,加装电动增压器能够提升进气流量和涡轮增压器压比以及涡轮增压器效率;瞬态时,设定工况下,电动增压器有助于改善增压柴油机涡轮增压器瞬态进气流量、压比、效率以及涡轮压气机转速响应差的问题。     

不同EGR循环方式对重型柴油机燃烧与排放特性的影响

针对一台共轨重型柴油机,从提升废气再循环(exhaust gas recycling,EGR)循环能力的角度研究了基于二级增压系统的高压EGR(HP-EGR)、低压EGR(LP-EGR)及基于LP-EGR的高、低级涡轮间废气能量分配对柴油机燃烧过程、性能和排放的影响规律。研究结果表明:与HP-EGR相比,LP-EGR受转速和负荷的影响减小,能够显著提升EGR的循环能力,使柴油机在更宽广的EGR率区域内运行,并将氮氧化物(NOx)降至更低水平;采用HPEGR时,涡前压力随EGR率增加呈线性下降,但LP-EGR的涡前压力与进气压力变化较小,同时在低速中、高负荷时获得较高的空燃比,并显著改善NOx排放与有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)和NOx与碳烟排放的平衡关系;在中、高转速高负荷时,HPEGR进/排气压差随EGR率增加逐渐下降并更加低于LP-EGR,NOx-BSFC的平衡关系显著改善;而LP-EGR通过适当增大废气旁通阀开度能有效降低BSFC,同时对NOx-碳烟的平衡关系影响较小,但低转速高负荷时应采用关闭旁通阀的控制策略。     

EGR技术降低低速二冲程柴油机NOx排放的计算研究

针对国产化二冲程低速柴油机HHM 6S350设计了高压EGR方案,通过仿真计算研究了EGR对柴油机油耗和NOx排放的影响。结果表明:EGR能有效降低NOx排放,在选定的EGR方案下全负荷工况加权排放达到TierⅢ排放标准,但是油耗增加较多。研究了提前喷油对6S350在高EGR率时的影响。结果表明:油耗随喷油提前而降低,但NOx排放上升。受最高气缸压力的限制,设置25%、50%、75%、100%负荷下喷油始角分别较原机提前6、6、7、4℃A,全负荷NOx加权排放为2.98(g·(k W·h)-1),符合TierⅢ排放要求,而加权油耗仅上升2.1%。     

基于多脉冲喷射、可变增压以及推迟进气门关闭定时技术的混合燃烧控制策略

针对重载柴油机实现高效清洁燃烧进行了燃烧控制策略的研究.实验在一台拥有高压共轨系统、废气再循环系统、可变增压系统以及推迟进气门关闭定时系统的单缸实验发动机上进行.实验结果表明,当平均指示压力低于1.1 MPa时可以采用高EGR率的低温燃烧策略.其中,基于不同负荷工况高效清洁燃烧,需要配合进气增压、推迟进气门关闭定时技术以及不同的喷油模式.在低负荷工况下,单次早喷模式及高EGR率可以实现高的热效率以及低的NOx与碳烟排放.在中负荷工况下,采用多脉冲喷射模式及高EGR率协同作用,在降低化学反应速率的同时增强了混合,避免了因为局部不均匀而导致的碳烟排放过高.高的增压度提高了缸内充量密度,有效降低了NOx、碳烟、CO及HC排放,提高了热效率.研究结果还显示,在推迟进气门关闭定时系统的帮助下,采用多脉冲喷射以及高的增压压力,可以在保持高的热效率的同时进一步降低NOx以及碳烟排放.     

EGR/生物柴油燃烧过程数值模拟研究

利用CFD耦合化学动力学机理建立柴油机生物柴油燃烧化学反应动力学模型,研究了EGR对生物柴油燃烧和排放特性的影响,结果表明:随着EGR率的增加,着火时刻逐步滞后,缸内平均温度峰值下降,缸内平均压力峰值先升高后降低。在高当量比(0.6)和高EGR率时,EGR对生物柴油燃烧的影响程度变大。EGR率为55%时,对于当量比为0.43的工况,NOx排放降低了91%;当量比为0.6的工况,NOx排放降低了98.3%。Soot生成量随EGR率增加快速增加。增加当量比,EGR对Soot的影响加剧。     

EGR对非标柴油/二甲醚混合燃料发动机性能与排放的影响

开展了增压柴油机燃用D50非标柴油/二甲醚混合燃料时采用EGR技术对发动机动力性、燃烧和排放性能影响的试验研究。试验结果表明:EGR技术可以有效降低混合燃料发动机的NOx排放。随着EGR率的增加,NOx排放改善明显;对动力性的影响相对复杂:中低负荷下,燃烧室内氧浓度较大,对燃烧和排放性能影响较小;高负荷时,废气引入导致燃烧室局部缺氧严重,烟度、HC和CO排放恶化。     

甲醇和EGR降低柴油机NO_x和碳烟排放的试验研究

在4100QBZL增压中冷柴油机上进行了M15甲醇柴油的试验研究。在维持原机动力性的基础上,研究了不同EGR率对柴油机燃用M15甲醇柴油时的动力性、经济性、燃烧特性、NOx和碳烟排放的影响。结果表明:甲醇可以同时降低柴油机的NOx和碳烟排放,但造成柴油机动力性下降,经济性变差。增加9.5%的供油量后,柴油机可以维持原机的动力性,碳烟排放较低,但NOx排放量大幅度上升。采用EGR系统后,随着EGR率的增加,最高缸压、最大放热率和缸内温度逐渐降低,所对应的曲轴转角后移,NOx排放大幅度降低,烟度有不同程度的恶化。在维持动力性和经济性的基础上选择合适的EGR率可以使柴油机的NOx排放和烟度排放均低于燃用0#柴油。     

轻型柴油机EGR与喷油正时的协同性能研究

以一台高压共轨轻型柴油机为样机,研究废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)和喷油正时协同作用对发动机燃烧特性、燃油消耗率、氮氧化物(NOx)和HC排放的影响。研究结果表明:随着EGR率增大,缸内最大压力有所下降,瞬时放热率峰值有所减小。随着喷油提前角增加,缸内最大压力增大,瞬时放热率峰值先增大后减小。EGR率与缸内最大压力降幅、瞬时放热率峰值降幅均具有较好的线性关系。随着EGR率的增大和喷油提前角的减小,NOx排放降低,燃油耗增加,而且存在一个最佳的EGR率和喷油提前角的组合区域使HC排放达到最低。为了实现降低NOx排放的同时有效控制燃油消耗率和避免HC排放升高,低负荷时选择高EGR率并结合大喷油提前角的控制策略;中等负荷时选择适中EGR率结合适中喷油提前角的控制策略。     

富氧燃烧对柴油机工作特性影响的试验研究

在一台增压柴油机上进行了富氧进气的试验研究,并在此基础上采用EGR技术,研究不同进气氧浓度下EGR率对柴油机排放特性的影响,以期改善柴油机NOx和碳烟的权衡关系。研究表明:富氧进气柴油机在同一进气氧浓度下,其有效燃油消耗率随着负荷的增加而明显减小;同一负荷时有效燃油消耗率随着氧浓度的升高而稍有降低。在富氧燃烧的基础上,引入EGR可以实现柴油机的烟度和NOx排放的同时降低,其关键是在一定的工况点匹配与之相适合的EGR率。当2 200 r/min全负荷工况下,进气氧浓度21%与EGR率20%组合、氧浓度22%与EGR率50%组合,烟度和NOx排放降低比例分别达到20.0%和14.8%、6.7%和19.2%。     

EGR对柴油机超多喷孔预混合燃烧影响的研究(下)

为了在柴油机上实现预混合燃烧同时降低NOx和烟度(soot)排放,本研究采用大量废气再循环(EGR)在一台车用六缸柴油机上进行试验研究.大量EGR可以降低NOx排放,但会引起soot排放的增加,为了消除这一不利后果,采用具有大流通面积的超多喷孔油嘴,并结合使用电控高压共轨燃油喷射系统实现高压喷射,缩短喷射持续期从而实现预混合燃烧,降低soot排放.对EGR如何影响柴油机超多喷孔预混合燃烧性能进行了试验研究,选定4个试验工况,通过改变EGR率来测试柴油机性能.结果显示在高EGR率,并结合超多喷孔油嘴,以及合适的喷射压力、喷油始点下.有利于柴油机实现预混合燃烧,达到同时降低NOx和soot排放的目的.     

重型柴油机高压EGR系统管路设计仿真研究

采用一维发动机工作过程计算软件GT-Power,建立了2种不同管路布置的高压EGR系统仿真模型,模拟研究了其对柴油机性能和排放的影响。研究结果表明:隔开取气的高压EGR系统对排气脉冲能量利用较好,可以提高废气再循环的引入能力(特别是在实现EGR比较困难的低转速大负荷工况),并改善NOx排放和燃油消耗率之间的折中关系;相对单级增压,二级增压采用隔开取气布置的高压EGR系统对性能和排放的改善效果减弱;通过优化二级增压隔开取气方式的EGR管路结构尺寸后,能够进一步改善柴油机的性能和排放。     

EGR对柴油机超多喷孔预混合燃烧影响的研究(上)

为了在柴油机上实现预混合燃烧同时降低NOx和烟度(soot)排放,本研究采用大量废气再循环(EGR)在一台车用六缸柴油机上进行试验研究.大量EGR可以降低NOx排放,但会引起soot排放的增加,为了消除这一不利后果,采用具有大流通面积的超多喷孔油嘴,并结合使用电控高压共轨燃油喷射系统实现高压喷射,缩短喷射持续期从而实现预混合燃烧,降低soot排放.对EGR如何影响柴油机超多喷孔预混合燃烧性能进行了试验研究,选定4个试验工况,通过改变EGR率来测试柴油机性能.结果显示在高EGR率,并结合超多喷孔油嘴,以及合适的喷射压力、喷油始点下,有利于柴油机实现预混合燃烧,达到同时降低NOx和soot排放的目的.     

EGR/EGC技术结合系统降低柴油机排放的研究

对柴油机的排放尾气NOx，CO，HC和PM等进行全面分析，探索设计了一套由EGR（废气再循环技术）和EGC（发动机机外废气净化技术）结合的系统，EGR技术可以有效降低NOx的排放，机外废气净化技术技术可以在有效除去PM的同时降低HC，CO的排放，该系统能在较宽的转速和负荷范围内有效降低废气排放，解决同时降低NOx与PM排放的矛盾，废气排放全面降低。     

VGT与米勒循环对生物柴油排放的优化

为了降低生物柴油在低速时NOx排放的同时不引起其他性能的恶化,我们以4JB1型柴油机为对象建立一维仿真模#型,将可变截面涡轮增压器和米勒循环相结合,对体积比为30%的地沟油生物柴油0柴油混合燃料在低转速下的排放进行优化并提出控制策略。结果表明:100%负荷下利用遗传算法对NOx、Soot排放和BSFC分别进行单目标优化后分别降低了28.34%、84.89%和1.15%。通过双目标优化的Pareto解集发现,BSFC和NOx比排放更容易同时实现优化。最后经过多目标优化,在100%和50%负荷时,米勒度分别为M98和M85,VGT阀门开度分别为0.25和0.16时目标函数达到最小,NOx分别比优化前降低了23.17%和8.2%,虽然Soot排放有所上升,但与燃用纯柴油的Soot排放相当。