基于废气再循环的丁醇/柴油混合燃料的燃烧特性

在单缸柴油机上研究了柴油掺烧体积分数为40%的丁醇(即B40混合燃料)在不同废气再循环(EGR)和喷油时刻下的燃烧特性.结果表明,在1,400,r/min、平均指示压力为1,MPa时,EGR率增加到某一"拐点"值,最大燃烧压力和指示热效率迅速降低,HC和CO排放明显升高;与纯柴油相比,B40混合燃料"拐点"对应的EGR率更小在"拐点"前的EGR率正常变化范围内,B40混合燃料的最大燃烧压力和压力升高率高于纯柴油,滞燃期更长,放热速率更快,NOx排放略高,而指示热效率稍低于纯柴油.喷油过早,会导致压力升高率显著增大,EGR率正常变化范围变窄;喷油过迟,会造成燃烧重心推迟,指示热效率下降,"拐点"对应的EGR率显著变小.采用适当的喷油时刻,结合中等比例的EGR率,保证燃烧重心在上止点后7°CA附近,可以实现高效低污染的丁醇-柴油混合燃料燃烧.     

燃烧参数对汽油/柴油双燃料HPCC性能和排放影响的试验

在一台改造的单缸柴油机上,转速为1,500,r/min、平均指标压力为0.9,MPa工况进行了不同参数对汽油/柴油双燃料高比例预混合低温燃烧(HPCC)方式燃烧和排放性能影响的试验研究.结果表明,调整EGR率和汽油比例可实现HPCC燃烧过程优化,在保持发动机高燃油经济性的前提下使NOx和碳烟(Soot)排放大幅降低;进气压力对Soot的影响不明显,但进气压力过低将限制汽油比例的提高,NOx排放偏高,进气压力过高使燃烧效率和热效率降低;提高柴油喷油压力,滞燃期延长,最大压升率及最大爆发压力降低;提高喷油压力可同时降低NOx和Soot排放,但喷油压力对燃烧效率、指示油耗、HC和CO排放影响不大.在HPCC燃烧中,通过优化EGR率、汽油比例、进气压力和柴油喷油压力,在不使用后处理器的前提下可使NOx和Soot排放分别低于0.4,g/(kW.h)和0.003,g/(kW.h),并保持较高的热效率,但HC和CO排放偏高,需要采用有较高转换效率的氧化后处理器加以解决.     

喷油策略对自由活塞直线发动机燃烧过程的影响

研究不同喷油策略对自由活塞发动机燃烧排放性能的影响,探索了适合自由活塞发动机柴油燃烧系统的喷油策略。基于AVL FIRE仿真平台,搭建三维动网格计算模型,通过台架试验数据,对试验喷油策略为矩形的缸压数据进行标定,验证了模型的准确性。然后对4种不同曲线形状喷油策略(普通三角形、等腰三角形、矩形和梯形)下的发动机燃烧放热及排放性能进行了仿真计算。研究结果表明:压缩上止点前采用矩形喷油策略缸内油气混合速率最快,压缩上止点后采用等腰三角形喷油策略更有利于油气混合;等腰三角形喷油策略下发动机峰值燃烧压力最大,最接近上止点,而且指示热效率最大,达到0.371;等腰三角形喷油策略下,缸内峰值燃烧压力和温度最大,NO排放最高而碳烟排放最低。     

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.     

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.     

基于Taguchi方法的多段预混压燃发动机喷油策略优化

在一台4缸柴油机上使用一种低辛烷值G80混合燃料(汽油和柴油的体积比为80∶20)进行了多段预混压燃(MPCI)模式的研究.通过Taguchi试验设计方法和方差分析,解析了喷油时刻、喷油比例等变量对燃烧和排放性能的影响,结果表明:指示燃油消耗率和NO_x排放主要受次喷时刻影响,碳烟排放主要受首喷时刻影响.基于上述结果,协同优化喷油时刻和喷油比例,实现了低于原柴油机的NO_x、碳烟排放和指示燃油消耗率.通过能量利用分析,发现低传热损失和低排气损失是G80压燃发动机获得高指示热效率的主要原因.     

关于高EGR率下的柴油机燃烧及排放的研究

通过试验研究了柴油机在高EGR率下,喷油定时、喷油压力对其燃烧及排放的影响.结果表明:不论是提前还是延迟喷油定时,增加着火延迟,都会减少碳烟排放量,而且喷油定时的提前有保持热效率和防止发动机失火等优点 .在所有的喷油压力下,混合气中氧含量达到9%～10%时,可以实现无烟燃烧.     

喷油定时对柴油机超多喷孔预混合燃烧影响研究

柴油机低温预混合燃烧能够同时大幅度降低NOx和碳烟(soot)排放,本研究采用大量废气再循环(EGR)实现低温燃烧来降低NOx排放,采用超多喷孔喷油嘴并结合高压喷射来缩短喷油持续期,实现预混合燃烧从而降低soot排放,主要对喷油定时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,通过改变喷油定时来测试柴油机性能,结果显示随着喷油始点从上止点前向后推迟,各工况的NOx和soot排放都有不同程度的同时下降,有别于传统燃烧方式,但HC,CO,比油耗(BSFC)有所升高。     

喷射参数对柴油机预混燃烧和排放的影响

采用试验和数值模拟方法研究了中、小负荷下,喷油模式和喷油定时对柴油机预混燃烧和排放的影响.结果表明:小负荷(平均指示压力约为0.45,MPa)、单次喷油模式及喷油定时为35°,CA BTDC时,油束的撞壁位置将形成的混合气分为燃烧室上方和活塞凹坑两部分,可充分利用整个气缸内的空气形成均质混合气,此时的NOx排放最低.平均指示压力(IMEP)约为0.7,MPa时,采用单次喷油模式,喷油量增多,喷油持续期延长,混合时间缩短,碳烟、CO和UHC排放急剧升高;在混合时间和混合空间的共同作用下,喷油定时为35°,CA BTDC时获得最佳折中排放.IMEP约为0.7,MPa时,与单次喷油模式相比,采用多次喷油模式,将喷油量分为4个脉冲喷入缸内,增加了每个脉冲的混合时间,并且改善了燃氧混合空间,形成更均质的混合气,大幅降低了碳烟、CO和UHC排放;喷射定时为80、65、50和35°,,CA BTDC时获得最佳排放.     

高压缩比汽油压燃低负荷燃烧优化控制策略试验研究

基于6缸柴油发动机的汽油压燃发动机试验台架,系统研究了喷油策略对采用高压缩比燃烧室的汽油压燃低负荷燃烧和排放特性的影响。结果表明：提高压缩比可有效改善汽油压燃低负荷燃烧稳定性、燃烧效率和指示热效率,同时降低CO和HC排放,但存在最大压力升高率过大的问题。采用两次喷射策略可有效控制最大压力升高率;预喷油量为3 mg、喷射间隔为10°时可将最大压力升高率从1.174 MPa/（°）降低为0.380 MPa/（°）,压力循环波动率为0.97%,同时获得较高的指示热效率和较低的排放。采用高压缩比耦合优化喷油策略,可在平均有效压力为0.2 MPa工况下实现高效稳定燃烧,有效改善汽油压燃在低负荷下燃烧稳定性差的问题。     

掺混比例和喷射定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响

在一台电控共轨发动机上,试验研究了乙醇掺混比例和喷射定时对二甲醚-乙醇混合燃料燃烧及排放的影响。结果表明:随乙醇比例的增加,滞燃期延长,燃烧持续期缩短,最大压力升高率上升。随喷射推迟,滞燃期延长,燃烧相位延后,燃烧持续期在纯二甲醚时延长,而在掺混乙醇时则先延长后缩短,最大压力升高率先下降后上升。掺混乙醇和推迟喷射使预混燃烧比例增加。随喷射推迟,混合燃料的排气温度升高,喷射推迟到上止点后,排气温度随乙醇比例的增加而升高,排气温度高,则废气能量高,增压器增压比大,进气流量大,导致缸内压缩压力升高。在上止点前喷射时,掺混乙醇能使HC和CO排放保持在较低范围的同时,一定程度降低NO_x排放,掺混15%的乙醇较纯二甲醚最大降低约11%NO_x排放。随推迟喷射,NO_x排放降低,最大降幅达52%,在过分推迟燃料喷射时,因热效率低,循环喷射量增加,含15%乙醇混合燃料的NO_x排放会高于纯二甲醚。HC和CO排放随喷射推迟而升高,且升高幅度增大。     

预喷正时对柴油机燃烧与排放影响的试验研究

通过台架试验,分析对比柴油机各参数随预喷正时的变化,研究多次喷射预喷正时对柴油机燃烧和排放性能的影响。试验表明,预喷正时决定缸内燃烧的放热始点和放热率,影响缸内的燃烧温度、爆发压力、NOx排放和碳烟的生成,预喷正时为20°时,爆发压力最大;预喷正时为35°时,热效率最高,油耗率和烟度最低;预喷正时为45°时,NOx排放最小。综合分析选择预喷正时40°作为折中优化方案,降低发动机油耗和NOx、碳烟排放,同时提高发动机的热效率。     

高密度-低温柴油机燃烧理论与技术的研究与进展

本文以节能和超低排放为目标,先后开展了"早喷"预混压燃燃烧,稀扩散燃烧和复合燃烧等理论与技术的研究.阐述了其基本技术路线、优势和局限性.在此基础上.作者课题组提出了柴油机燃烧过程混合和化学时间尺度控制及燃烧路径控制概念,最终形成了高密度.低温燃烧理论,并在实验发动机上通过燃烧电子控制技术的创新实现了在欧V排放水平上柴油机高热效率和简化或取消后处理器的目标.     

预喷策略对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

通过一台6缸直喷、高压共轨柴油机改装成的柴油引燃天然气发动机.试验研究预喷正时和预喷油量对燃烧参数和性能参数的影响,结果表明:相对单次喷射,较晚的预喷正时(30°CA BTDC)能提高发动机有效热效率(BTE),降低HC、CO排放,但NOx排放恶化,而较早的预喷正时(60°CA BTDC)能够在提高发动机BTE的同时,降低HC、CO排放,并且NOx排放基本保持不变;当预喷正时为60°CA BTDC,预喷油量适当增多(3~5 mg/cyc)能进一步提高发动机BTE,降低HC、CO和NOx排放;预喷油量进一步增加(6~7 mg/cyc),NOx排放恶化,并且由于着火相位波动导致燃烧稳定性变差.改善双燃料发动机燃烧和排放特性一方面要增加预喷柴油在可燃混合气中的分布,增大柴油与可燃混合气混合的时间,改善混合气的活性,进而提高燃烧速率;另一方面要强化主喷柴油喷射对着火相位的控制,防止着火相位不一致而恶化燃烧稳定性.     

Emission and performance estimation in hydrogen injection strategies on diesel engines

Recently, the increasing demand for energy requires the use of alternative fuels, especially in fossil fueled power systems. As a promising alternative fuel for next-generation diesel engines that utilize fossil fuel, hydrogen fuel is one step ahead due to its positive properties. In this study, the effects of hydrogen on the performance of a diesel engine have been numerically investigated with respect to different injection ratios and timings. The numerical results of the study for 25% load conditions on a single-cylinder, four-stroke diesel engine have been validated against experimental data taken from literature and good agreement has been observed for pressure results. Emission parameters such as NO_x, CO and performance parameters such as cylinder temperature, pressure, power, thermal efficiency and IMEP are presented comparatively.The results of numerical analyses show that the maximum pressure, temperature and heat release rate are observed with injection ratio of H15 and early injection timing (20° CA BTDC). Besides that, engine power, thermal efficiency and IMEP are greatly improved with increasing injection ratio and early injection timing. Although combustion chamber performance parameters improve with rising the hydrogen injection ratio, higher NO_x emissions have also been detected as a negative side effect. Furthermore, while early injection timing increases diesel engine performance, it also causes an increase in NO_x emissions. Therefore, precise determination of injection timing together with the optimum amount of hydrogen has revealed that it brings crucial improvement in engine performance and emissions.     

两次喷射对正丁醇部分预混燃烧影响的试验研究

在一台改造的单缸柴油机上进行了预主喷两次喷射策略对正丁醇部分预混燃烧影响的试验研究。研究结果表明:正丁醇燃料实现部分预混燃烧相对汽油燃料对喷射时刻较敏感,最大压力升高率高,稳定运行范围窄,但未燃碳氢、氮氧化物和碳烟排放较低;预主喷两次喷射能有效降低正丁醇部分预混燃烧最大压力升高率,随着预主喷间隔的增大,最大压力升高率先快速降低后上升,预喷射比例越大,获得最低压力升高率对应的预主喷间隔越大;通过优化预主喷两次喷射策略,能显著改善正丁醇部分预混燃烧可控性差、最大压力升高率高的问题,从而有利于实现更大工况范围内的高效燃烧。     

甲醇缸内直喷热氛围燃烧的试验研究

在单缸直喷式柴油机上进行了二甲醚(dimethyl ether,DME)气道喷射和甲醇缸内直喷的甲醇热氛围燃烧试验研究．结果表明,该燃烧方式呈现分布式放热规律,燃烧过程可分为DME低温放热、高温放热和甲醇扩散燃烧 3个阶段．随负荷的增加,实现稳定燃烧的最小DME比例减小．随DME比例减小,DME高温放热和甲醇燃烧滞后．在稳定燃烧的情况下,随DME比例的增大,燃烧效率和热效率降低,HC和NOx排放呈上升趋势,而CO排放先升高后降低．综合考虑,采用最小比例DME有利于提高其热效率、降低排放．此时热效率、HC排放与原柴油机相当, NOx降低约50％,但CO排放相对原柴油机有较大幅度的增加．     

Energy efficiency improvement strategies for a diesel engine in low‐temperature combustion

The lowered combustion temperature in diesel engines is capable of reducing nitrogen oxides and soot simultaneously, which can be implemented by the heavy use of exhaust gas recirculation (EGR) or the homogeneous charge compression ignition (HCCI) type of combustion. However, the fuel efficiency of the low‐temperature combustion (LTC) cycles is commonly compromised by the high levels of hydrocarbon and carbon monoxide emissions. More seriously, the scheduling of fuel delivery in HCCI engines has lesser leverage on the exact timing of auto‐ignition that may even occur before the compression stroke is completed, which may cause excessive efficiency reduction and combustion roughness. New LTC control strategies have been explored experimentally to achieve ultralow emissions under independently controlled EGR, intake boost, exhaust backpressure, and multi‐event fuel‐injection events. Empirical comparisons have been made between the fuel efficiencies of LTC and conventional diesel cycles. Preliminary adaptive control strategies based on cylinder pressure characteristics have been implemented to enable and stabilize the LTC when heavy EGR is applied. The impact of heat‐release phasing, duration, shaping, and splitting on the thermal efficiency has also been analyzed with engine cycle simulations. This research intends to identify the major parameters that affect diesel LTC engine thermal efficiency. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

辛烷值对均质压燃发动机燃烧特性和性能的影响

通过不同比例的正庚烷和异辛烷混合得到不同辛烷值的混合燃料，在一台单缸直喷式柴油机上研究燃料辛烷值对均质压燃发动机燃烧特性、性能和排放特性的影响．研究结果表明，燃料辛烷值增加，着火始点推迟，燃烧反应速率降低，缸内爆发压力降低．燃料辛烷值增高，均质压燃向大负荷工况拓宽，燃料辛烷值较高时，存在极限转速，辛烷值增加，极限转速降低．对于每一工况，存在一个最佳经济性的燃料辛烷值，负荷增大，最佳辛烷值增高；随着燃料辛烷值增高，发动机NO、HC和CO排放增加，尤其是HC排放增加更为明显．对于均质压燃发动机，低负荷工况适合燃用低辛烷值燃料，高负荷工况适合燃用高辛烷值燃料。     

Experimental study of stratified lean burn characteristics on a dual injection gasoline engine

Due to increasingly stringent fuel consumption and emission regulation, improving thermal efficiency and reducing particulate matter emissions are two main issues for next generation gasoline engine. Lean burn mode could greatly reduce pumping loss and decrease the fuel consumption of gasoline engines, although the burning rate is decreased by higher diluted intake air. In this study, dual injection stratified combustion mode is used to accelerate the burning rate of lean burn by increasing the fuel concentration near the spark plug. The effects of engine control parameters such as the excess air coefficient (Lambda), direct injection (DI) ratio, spark interval with DI, and DI timing on combustion, fuel consumption, gaseous emissions, and particulate emissions of a dual injection gasoline engine are studied. It is shown that the lean burn limit can be extended to Lambda= 1.8 with a low compression ratio of 10, while the fuel consumption can be obviously improved at Lambda= 1.4. There exists a spark window for dual injection stratified lean burn mode, in which the spark timing has a weak effect on combustion. With optimization of the control parameters, the brake specific fuel consumption (BSFC) decreases 9.05% more than that of original stoichiometric combustion with DI as 2 bar brake mean effective pressure (BMEP) at a 2000 r/min engine speed. The NO_x emissions before three-way catalyst (TWC) are 71.31% lower than that of the original engine while the particle number (PN) is 81.45% lower than the original engine. The dual injection stratified lean burn has a wide range of applications which can effectively reduce fuel consumption and particulate emissions. The BSFC reduction rate is higher than 5% and the PN reduction rate is more than 50% with the speed lower than 2400 r/min and the load lower than 5 bar.