富氧燃烧与EGR对船用柴油机NO-碳烟排放和燃烧特性的影响

针对一台满足TierⅡ排放标准的船用柴油机,采用富氧燃烧与EGR相结合实现NO-碳烟排放同时降低并保证发动机功率没有损失,并探讨了实现TierⅢ排放标准的技术路线.AVLFire软件被用于建立仿真模型.研究表明,当单独使用富氧燃烧时,观察到较短的燃烧持续期、较高的缸内温度和指示功率,碳烟排放减少而NO排放恶化,而单独使用EGR时出现相反的趋势.研究发现,当发动机运行在1 350 r/min,75%负荷工况下,进气氧浓度为21%～24%,EGR率为0～25%时,上述范围内的4种组合可以实现低NO-碳烟排放且指示功率与原机基本持平.正如预期,通过富氧燃烧与EGR优化组合,可得到同时降低NO-碳烟排放低于原机的最佳优化区域.同时也发现,当超过15%的EGR率与较低的氧浓度结合时,可将NO排放降低至TierⅢ标准.     

高比率冷EGR与进气富氧对柴油机燃烧及排放特性的影响

对普通增压中冷柴油机,采用富氧进气与高比率冷EGR相结合的技术,实现缸内富氧燃烧。未经优化的情况下使用富氧燃烧,NO排放随氧浓度的上升而大幅增加。富氧进气与高比率冷EGR相结合,可以显著降低碳烟的排放并抑制NO的过度增长,同时保证发动机的燃烧热效率和输出功率不降低。将不同浓度的氧气、EGR废气及空气三者充分混合,冷却后引入气缸参与燃烧;调整掺氧浓度和EGR率,考察发动机在各种掺比下的燃烧及排放特性。试验结果表明:在1 600 r/min全负荷工况,进气内通入20%~30%的EGR废气及23%的氧气,可有效抑制NO及碳烟排放,并能保证发动机具有良好的动力性。     

利用含PAH的正庚烷简化机理对柴油机富氧燃烧的数值模拟

在直喷柴油机上采用氧体积分数为21%～24%的进气增氧技术,进行燃烧及排放试验.建立适用于柴油机燃烧的含PAH的正庚烷简化机理,并将其与CFD模型耦合,进行富氧燃烧的数值模拟.试验及模拟工况为发动机的最大转矩点.结果表明,随发动机进气氧体积分数的增加,燃烧始点提前,瞬时放热及最大压力出现时刻均随之提前.NO的排放随氧体积分数的增加而快速增长.碳烟的排放随氧体积分数增加而大幅下降.模拟计算结果显示,CFD与化学动力学模型的耦合比较准确地预测富氧燃烧的缸内着火时刻及燃烧状况.分析上止点后6°CA、20°CA时刻燃烧室内苯环的质量分布切片可知,与21%进气氧体积分数的空气助燃相比,24%氧体积分数的富氧燃烧对苯环的形成有明显的抑制作用.模拟计算结果与试验测量值随进气氧体积分数的变化趋势基本一致.     

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%。     

废气再循环对增压二甲醚发动机性能和排放影响的试验研究

以一台增压二甲醚发动机为研究对象,研究废气再循环(EGR)对二甲醚发动机性能和排放的影响.试验结果表明,EGR率增大,进气量减少.低负荷下,适当的EGR量会使发动机的油耗率降低.在中高负荷下,EGR的加入会导致油耗率增大,经济性恶化.随着EGR率的增加,发动机Nox排放大幅度下降,高负荷时下降幅度更大.EGR率增大,HC排放上升.EGR率在一定范围内时,EGR率对CO排放影响不大,但当EGR率超过一定范围时,EGR率增加会引起CO排放急剧加大.EGR率对二甲醚发动机的碳烟排放影响不大,碳烟排放测试值保持为零.在二甲醚发动机上采用废气再循环,没有碳烟增大的压力,确定各工况下的最佳EGR率时,只需在Nox排放和燃油经济性以及CO之间进行折中.低负荷时可以采用大的EGR率,高负荷时EGR率不宜过大.     

怠速工况发动机富氧燃烧排放及其稳定性研究

利用氧的体积分数为21%～27%的富氧空气进气,研究点燃式发动机启动后最初怠速工况排放特性和规律.试验表明,在氧的体积分数为23%～25%的低富氧程度下,CO、HC排放降低作用更加显著,同时NOx排放升高程度处于较低水平.相反,在高富氧浓度下,CO、HC排放降低程度明显减小,NOx排放大幅提高.因此,低富氧浓度在改善发动机怠速工况燃烧排放中具有重要作用和应用潜力.研究还表明,随着供气氧的体积分数的增加,压力峰值提高,相位提前,发动机循环变动减小.进气氧的体积分数对瞬时转速循环变动性影响是有限度的,23%左右的低富氧作用最为明显,随着富氧程度增加,作用逐渐减小.     

进气加湿与富氧对船用柴油机NOx-Soot排放的影响

通过一台满足TierⅡ排放标准的四冲程增压中冷船用柴油机,模拟研究了富氧燃烧结合进气加湿改善NOx-soot折衷关系的潜力,并探讨了实现TierⅢ排放标准的技术路线.本研究使用AVLFire软件建立仿真模型.结果表明:单独使用富氧燃烧时,缸内温度较高,燃烧持续期较短,soot排放减少,NOx排放恶化,而单独使用进气加湿时呈相反的趋势.当发动机运行在转速为1350 r/min、75%负荷工况下,进气氧体积分数为21%~23%、加湿率为0~100%时,可实现NOx-soot排放同时降低且低于原机.氧体积分数为21%和加湿率为100%匹配,可以实现TierⅢ排放法规.两种措施的优化组合可以获得NOx-soot排放的最佳优化区域.     

EGR和进气温度对重油燃烧过程中NO_x的影响

在8340发动机的基础上,建立燃烧室有限元模型,计算EGR和进气温度对重油燃烧过程中NOx排放的影响。结果表明,EGR能控制燃烧速度,显著降低NOx的排放,但会导致燃油消耗率及碳烟的增加;进气温度的降低,能降低油耗并且使NOx的排放性能得到很好的改善。通过耦合EGR与进气温度来达到控制NOx的排放。     

进气加湿结合废气再循环技术对高压直喷双燃料低速机燃烧及排放的影响

基于CONVERGE软件建立了高压直喷双燃料船用发动机三维仿真模型,研究了空气加湿技术和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对发动机燃烧过程及排放的影响,并通过耦合进气加湿、EGR和天然气喷射策略等技术,最终得到满足TierⅢ排放法规的可行性技术路线。结果表明,进气加湿降低NO x排放潜力较大(约55%),且对燃料经济性恶化程度较小(约1.6%);单独采用进气加湿技术难以满足TierⅢ排放标准,60%进气加湿程度结合较低程度EGR率(20%)可进一步提高降低NO x排放的潜力(78%);为降低进气加湿和EGR带来的功率损失,在20%EGR率耦合60%进气加湿氛围下,提前2°曲轴转角喷射天然气可使天然气消耗率可降低约1 g/(kW·h),同时NO x排放满足TierⅢ排放法规要求。     

喷油策略与EGR对柴油机低温燃烧影响试验研究

为研究喷油策略及废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对柴油机低温燃烧特性和排放特性的影响,在一台电控高压共轨柴油机上进行了试验研究。研究结果表明:EGR率的升高提高了进气比热容,降低了缸内最高燃烧压力及缸内平均温度,延长了滞燃期,降低了NOx排放,由于进气氧浓度及碳烟氧化速率的降低,增加了碳烟排放;中小EGR率下,提高喷油压力,加速油气混合程度,可以有效降低碳烟排放;推迟燃烧重心CA50到上止点后7°之后造成燃烧效率降低,扩散燃烧持续期延长,导致碳烟排放升高。     

富氧进气与水乳化柴油的掺烧试验及数值模拟

在直喷柴油机上采用体积分数21％、22％、23％和24％的进气增氧技术,燃用纯柴油与30％水乳化柴油进行燃烧及排放试验.采用CFD软件与正庚烷简化模型耦合进行数值模拟.试验结果表明,燃用纯柴油时,随进气氧体积分数的增加,燃烧始点提前;在使用30％水乳化柴油时,着火延迟加大,但其依然遵循随掺入的氧体积分数增大着火时刻提前的规律,NO和烟度的排放低于燃用纯柴油的情况.模拟计算显示:CFD与动力学模型的耦合可以较为准确地预测富氧燃烧的缸内着火时刻及燃烧状况.分析上止点后2° CA时刻燃烧室温度场切片可知,燃用30％水乳化柴油使缸内温度下降,即使掺入体积分数24％的O2,NO生成也低于燃用纯柴油、空气助燃的情况,实现富氧条件下相对于原机的低温燃烧,减少了污染物的排放.     

CA498车用柴油机EGR的试验研究

进行了不同工况下EGP率对发动机排放和性能影响的试验研究。在试验中按ECE R49十三工况法研究了有EGR时NOx和微粒的变化规律，并对柴油机性能进行了分析。在综合考虑EGR对各工况的排放及性能影响的基础上，确定十三工况中应进行EGR的工况及相应的最佳EGR率。     

喷油策略耦合EGR对柴油机燃烧过程与CDPF再生性能的影响

以匹配了可变截面几何增压系统(VGT)的D19高压共轨柴油机为研究机型,采用GT-Power和AVL FIRE构建了一维热力学整机模型和催化型微粒捕集器(CDPF)三维仿真模型,针对3 000r/min、50%负荷工况,研究了喷油策略耦合废气再循环(EGR)对燃烧过程和CDPF再生性能的影响。研究表明:随主喷定时提前,有效燃油消耗率(BSFC)先降后升,排气温度降低,排气流量与氧浓度变化则较小,排气中一氧化氮(NO)增加,CDPF再生速率逐渐降低,颗粒物残余量、压降与CDPF出口端二氧化氮(NO_2)同时增加;随EGR率增大,BSFC和排气温度升高,排气流量、排气氧浓度、排气中NO浓度则同时降低。在主喷定时较晚时,随EGR率增大,CDPF再生速率先升后降,颗粒物残余量先降低后略升高;而在主喷定时较早时,随EGR率的增大,CDPF再生速率降低,颗粒物残余量增多。在主喷定时较晚时,提高喷油压力使BSFC和排气温度明显降低;而在主喷定时较早时,提高喷油压力导致BSFC反而快速增加。此外,随喷油压力提高,排气流量与氧浓度变化较小,排气中NO浓度增加,CDPF再生速率逐渐减小,颗粒物残余量、压降和CDPF出口端NO_2排放同时升高。总体上,相比喷油压力,主喷定时对CDPF再生过程影响更大。     

Simulation of combustion in spark-ignition engine fuelled with natural gas-hydrogen blends combined with EGR

A numerical simulation of the influence of different hydrogen fractions, excess air ratios and EGR mass fractions in a spark-ignition engine was conducted. Good agreement between the calculated and measured incylinder pressure traces as well as pollutant formation trends was obtained. The simulation results show that NO concentration has an exponential relationship with temperature and increases sharply as hydrogen is added. EGR introduction strongly influences the gas temperature and NO concentration in the cylinder. The difference in temperature will lead to even greater difference in NO concentration. Thus, EGR can effectively decrease NO concentration. NO concentration reaches its peak value at the excess air ratio of 1.1 regardless of EGR mass fraction. The study shows that natural gas-hydrogen blend combined with EGR can realize a stable combustion and low NO emission in a spark-ignition engine.     

LPG点燃式发动机冷起动首循环进气富氧试验研究

基于循环控制,详细研究了LPG点燃式发动机冷起动首循环进气富氧的燃烧及排放特性。试验在一台电控LPG进气喷射单缸风冷四冲程125 mL发动机上进行,采用膜式富氧方法实现富氧进气燃烧。研究表明:当过量空气系数大于0．7时,富氧进气燃烧缸压峰值与空气相比增加不显著,此后随混合气加浓,富氧进气燃烧缸压峰值开始明显大于常规空气进气燃烧;过量空气系数在0．4～0．876时,富氧进气燃烧与常规空气进气燃烧相比,HC排放没有较大降低,在此范围之外,富氧显著降低HC排放;过量空气系数在0．4～0．7,富氧与空气相比CO显著降低;富氧进气燃烧,使得首循环NO排放大幅增加;计算放热率发现,富氧燃烧速度比常规空气进气燃烧更快,放热更集中。     

A comparison between EGR and lean-burn strategies employed in a natural gas SI engine using a two-zone combustion model

Exhaust gas recirculation (EGR) strategy has been recently employed in natural gas SI engines as an alternative to lean burn technique in order to satisfy the increasingly stringent emission standards. However, the effect of EGR on some of engine performance parameters compared to lean burn is not yet quite certain. In the current study, the effect of both EGR and lean burn on natural gas SI engine performance was compared at similar operating conditions. This was achieved numerically by developing a computer simulation of the four-stroke spark-ignition natural gas engine. A two-zone combustion model was developed to simulate the in-cylinder conditions during combustion. A kinetic model based on the extended Zeldovich mechanism was also developed in order to predict NO emission. The combustion model was validated using experimental data and a good agreement between the results was found. It was demonstrated that adding EGR to the stoichiometric inlet charge at constant inlet pressure of 130 kPa decreased power more rapidly than excess air; however, the power loss was recovered by increasing the inlet pressure from 130 kPa at zero dilution to 150 kPa at 20% EGR dilution. The engine fuel consumption increased by 10% when 20% EGR dilution was added at inlet pressure of 150 kPa compared to using 20% air dilution at 130 kPa. However, it was found that EGR dilution strategy is capable of producing extremely lower NO emission than lean burn technique. NO emission was reduced by about 70% when the inlet charge was diluted at a rate of 20% using EGR instead of excess air.