不同增压系统对重型柴油机性能和排放影响的试验研究

在一台电控高压共轨重型柴油机上,基于高压冷却废气再循环(EGR),对比研究了带废气放气阀式单级固定涡轮截面增压器(WGT)、单级可变涡轮截面增压器(VGT)、二级固定涡轮截面增压器(WGT-FGT)和二级可变涡轮截面增压器(VGT-FGT)四种增压方式对柴油机性能与排放的影响。结果表明:可变截面相对固定截面增压系统(VGT相对WGT,VGT-FGT相对WGT-FGT),能显著提高涡前与进气压差,实现更高EGR率和更低的NO_x排放,同时能够提高进气充量,从而改善燃烧过程。随着NO_x比排放的降低,四种增压方式的油耗都呈现上升趋势,并且VGT-FGT、VGT、WGT-FGT和WGT的燃油消耗率依次升高。当NO_x原始排放控制在5.0g/(kW·h)左右,采用WGT-FGT时燃油消耗率相对WGT获得一定改善(与VGT和VGT-FGT相当),碳烟排放与VGT-FGT接近,明显优于WGT。随NO_x排放降低,可变截面增压系统相对固定截面增压系统逐渐表现出优势:当NO_x原始排放控制在3.5g/(kW·h)左右,VGT可以获得与VGT-FGT接近的燃油经济性和碳烟排放;当NO_x原始排放更低(2.8g/(kW·h)以下),VGT-FGT降低油耗和碳烟排放的优势更加明显。     

ABB增压系统应对未来发展措施

介绍了ABB公司针对大功率发动机的发展需求,不断发展其增压器技术的情况,具体体现在以下几方面:在单级高压比A100-L系列增压器基础上,进一步扩大容积流量以满足更大功率的覆盖范围;用于低速机的新一代A200-L系列增压器,通过高压比调节方式可替代可变几何涡轮优化部分负荷;ABB两级增压系统的配置及两级增压系统在柴油机和气体机应用的典型案例;分析了两级增压系统潜能,两级增压系统结合可变气门正时技术,可显著降低NOx排放和燃油效率,提高发动机瞬态特性。     

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。     

基于EGR的国Ⅳ重型柴油机技术路线探讨

在一台高压共轨重型柴油机上进行基于EGR技术的排放试验,对比研究了5个不同功率段(升功率分别为23.9、25.5、28.2、29.8和30.7kW/L)柴油机匹配单级增压和二级增压的性能与排放特性,探寻了采用EGR满足不同升功率柴油机的国-Ⅳ技术路线。试验结果表明:随功率段增加,二级增压比单级增压能显著改善中低转速全负荷时NOx与BSFC和碳烟之间的平衡关系,单级增压受EGR引入能力较弱和涡前温度较高双重限制,高功率段中低转速全负荷的NOx比排放难以降低到国-Ⅳ限值以下。ESC测试循环表明:碳烟和CO加权比排放随功率段降低而下降,但HC加权比排放随功率段降低而增加;在中小功率段(23.9、25.5和28.2kW/L),单级增压和二级增压NOx和碳烟加权比排放相当,2种增压方式都能在无后处理情况下使各项排放指标均满足国-Ⅳ排放法规,但单级增压的加权BSFC低于二级增压;随升功率增加,在高功率段(29.8和30.7kW/L),单级增压仅采用EGR技术难以实现国-Ⅳ的重型柴油机排放控制,而采用二级增压耦合EGR仍能在无后处理或简单后处理条件下使各项排放指标达到国-Ⅳ法规要求。     

二级增压重型柴油机排放和燃烧特性的试验研究

在一台电控高压共轨柴油机上进行二级增压优化匹配,并以单级增压作为对比基准,分析了不同工况下二级增压柴油机的性能、排放与燃烧特性,研究了进气温度对其的影响。试验结果表明:相对单级增压,柴油机二级增压后低速外特性扭矩达到1 170N.m,烟度与燃油经济性改善幅度分别为99.3%和13.4%;二级增压能够提高EGR的引入能力,减小进气节流损失,并可显著改善中低转速、高负荷时NOx与烟度和燃油消耗率之间的平衡关系;在压气机特性图中二级增压柴油机的运行线远离喘振边界线;在各个工况下,进气温度升高使NOx比排放快速增加,导致柴油机NOx与烟度之间的平衡关系变差。     

基于可变高增压方式的航空活塞发动机变海拔工作特性仿真研究

以一台直列四冲程压燃式航空活塞发动机为研究机型,通过GT-Power构建一维热力学模型,首先对比研究了不同海拔下固定截面增压（fixed geometry turbocharger, FGT）、可变几何截面增压（variable geometry turbocharger, VGT）和两级可变几何截面增压（twin-variable geometry turbocharger, TVGT）对发动机性能的影响;然后基于搭建的TVGT增压系统,探究了高、低压级VGT叶片开度对发动机变海拔条件下工作特性的影响。结果表明：在不同海拔和转速工况下,发动机匹配TVGT增压系统后,其海拔适应性更佳。针对TVGT系统,在不同海拔下,当高压级VGT叶片开度位于0.2~0.4范围内,低压级VGT叶片开度位于0.6~0.8范围内时可以获得较高的动力性及经济性。通过对高、低压级VGT叶片开度的优化,在巡航工况转速3 397 r/min时可在6 000 m海拔下实现106.8%的功率恢复目标,可满足发动机对高海拔工作运行的功率恢复要求。     

基于不同增压系统共轨柴油机变海拔工作特性模拟

以两级增压共轨重型柴油机为研究机型,采用GT-Power构建了其一维热力学仿真模型,对比模拟了柴油机采用两级增压(2,TC)和单级增压(1,TC)的变海拔(0、2和4,km)工作特性.结果表明:1,TC压气机效率在发动机低速和高速时随海拔升高而降低.对于2,TC,低压级压气机效率在发动机低速时随海拔升高而降低,而高压级效率随发动机转速增加呈先升后降,且在0海拔下高转速时显著减小;相比1,TC,2,TC在高海拔下低速时的排气损失率显著降低,但传热与摩擦损失率增大,同时泵气损失随转速增大逐渐高于1,TC;随EGR率增大,1,TC压气机效率呈先升后降,且随海拔升高而降低.2,TC低压级效率随EGR率增大而快速降低,而高压级效率呈先升后降,并在低EGR率时随海拔升高而增大;随EGR率增加,2,TC传热损失逐渐高于1,TC,但能显著降低高海拔时排气损失率和改善NO_x-BSFC之间trade-off关系.     

采用EGR的重型柴油机低速高负荷性能与排放特性

以低速高负荷为研究工况,重点研究增压系统、进气温度、废气再循环(EGR)方式和喷油控制策略对采用EGR技术的重型共轨柴油机性能与排放特性的影响.研究表明:合理减小单级增压器的涡轮有效流通面积与压气机流量范围或采用两级增压系统都能有效提升EGR循环能力,同时改善NOx-燃油消耗率(BSFC)和NOx-碳烟(soot)的trade-off关系;随进气温度升高,EGR率的提升和NOx的降低逐渐受到涡前温度过高限制,但降低进气温度能同时显著改善NOx-soot和NOx-BSFC的trade-off关系;相比高压EGR,采用低压EGR能有效增强废气循环能力与增压系统做功能力,显著改善NOx-soot和NOxBSFC的trade-off关系并将NOx降至更低水平;降低喷油压力与推迟喷油定时相结合能在实现等NOx时降低soot.经主-后喷间隔角度和后喷油量优化,采用主喷加后喷射的多次喷射策略能进一步降低soot.     

供油策略与EGR联合控制对恒转速突加载响应性能和排放的影响

以一台高压级为可变几何截面的增压器(VGT)的两级涡轮增压重型柴油机为研究对象,研究负荷烟度试验(ELR)测试循环中恒转速突加载的瞬态过程中喷油系统及EGR的控制策略对响应性能和排放的影响.发现单次喷射的转矩响应时间比两次喷射缩短26.1%,但两次喷射模式的烟度峰值比单次喷射降低了33.3%,NOx峰值降低了21.9%.两次喷射的主喷和后喷燃油比例确定时,主喷最终定时提前2°,CA,将缩短42.6%的转矩响应时间;而后喷定时提前3,°,CA,将引起烟度峰值增大91.7%.此外,基于转矩响应及排放的需求,开发了EGR阀晚开的控制策略,EGR阀开启时刻过早和过晚都将引起转矩响应的恶化,EGR阀开启过早将会产生过高的烟度峰值,EGR阀开启过晚将产生大量的NOx排放.故合理匹配喷油系统和EGR阀控制策略是实现恒转速突加载过程高转矩响应和低排放的重要技术手段之一.     

直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声控制研究

开展多缸柴油机瞬态工况燃烧噪声的控制研究。分别在四缸自然吸气发动机、增压发动机、引入EGR发动机和高压共轨发动机上开展了不同负荷工况下的瞬态与稳态工况的燃烧噪声测试分析,开展了增压、EGR和喷射策略对燃烧噪声控制研究。增压对瞬态工况的燃烧噪声有一定的抑制作用,增压对恒转速增转矩瞬态工况燃烧噪声的控制效果要好于对恒转矩增转速工况。瞬态工况引入适当的EGR有助于燃烧噪声的降低,EGR控制瞬态工况燃烧噪声的关键是能够实时对EGR率进行调节。相对于稳态工况,瞬态工况下应取较大的预喷量和与主预喷间隔,并得到试验的验证。     

涡轮增压柴油机变截面涡轮与单向阀废气再循环系统的计算研究

随着排放法规日趋严格,要求增大废气再循环系统ＥＧＲ率的调节范围,简单的ＥＧＲ系统难以满足要求。研究了变截面涡轮及排气节流阀配合单向阀的几种ＥＧＲ系统,并对变截面涡轮和排气节流阀在单向阀ＥＧＲ系统中的应用效果作了分析比较。     

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。     

基于Simulink在不同排气背压下VGT增压系统控制策略

为了改善柴油机在高背压环境条件下进排气流速降低、涡前排温、缸内最高燃烧压力和油耗升高等问题,采用Simulink软件,基于柴油机数学模型建立某型号柴油机零维仿真模型和可变截面涡轮(variable geometry turbine,VGT)增压系统仿真模型,并根据试验结果对模型进行校核.利用所建立的仿真模型模拟在不同排...     

Influence of high rates of supplemental cooled EGR on NOx and PM emissions of an automotive HSDI diesel engine using an LP EGR loop

Previous experimental studies on diesel engine have demonstrated the potential of exhaust gas recirculation (EGR) as an in‐cylinder NO_x control method. Although an increase in EGR at constant boost pressure (substitution EGR) is accompanied with an increase in particulate matter (PM) emissions in the conventional diesel high‐temperature combustion (HTC), the recirculation of exhaust gases supplementary to air inlet gas (supplemental EGR) by increasing the boost pressure has been suggested as a way to reduce NO_x emissions while limiting the negative impact of EGR on PM emissions. In the present work, a low‐pressure (LP) EGR loop is implemented on a standard 2.0 l automotive high‐speed direct injection (HSDI) turbocharged diesel engine to study the influence of high rates of supplemental cooled EGR on NO_x and PM emissions. Contrary to initial high‐pressure (HP) EGR loop, the gas flow through the turbine is unchanged while varying the EGR rate. Thus, by closing the variable geometry turbine (VGT) vanes, higher boost pressure can be reached, allowing the use of high rates of supplemental EGR. Furthermore, recirculated exhaust gases are cooled under 50°C and water vapour is condensed and taken off from the recirculated gases. An increase in the boost pressure at a given inlet temperature and dilution ratio (DR) results in most cases an increase in NO_x emissions and a decrease in PM emissions. The result of NO_x–PM trade‐off, while varying the EGR rate at fixed inlet temperature and boost pressure depends on the operating point: it deteriorates at low load conditions, but improves at higher loads. Further improvement can be obtained by increasing the injection pressure. A decrease by approximately 50% of NO_x emissions while maintaining PM emission level, and brake specific fuel consumption can be obtained with supplemental cooled EGR owing to an LP EGR loop, compared with the initial engine configuration (HP moderately cooled EGR). Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

高/低压EGR对汽油机和增压器影响的试验研究

在一款涡轮增压汽油缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)汽油机上进行了高压(HP)废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)和低压(LP)EGR对发动机和增压器性能影响的试验研究。分别对比了HP EGR和LP EGR系统在外特性和部分负荷工况对发动机燃烧、油耗、进排气的影响及增压器相应的工况变化,并分析了出现这些变化的原因。结果表明,汽油机EGR系统能够优化缸内燃烧,减少泵气损失,从而降低油耗。低压EGR系统在部分负荷工况热效率比高压EGR更高,主要原因为低压EGR系统的涡轮增压器可利用的尾气能量更多,且进入发动机的废气温度较低,能进一步优化缸内燃烧。     

涡轮增压柴油机EGR—VGT协调控制器的设计与仿真

针对柴油机废气再循环（EGR）和可变几何截面涡轮增压器（VGT）控制回路存在的强烈耦合作用,讨论了EGR—VGT的协调控制问题。根据不同控制器对排放的影响,基于平均值模型,通过对被控对象的控制特性分析,选择与排放密切相关的氧气／燃油比和EGR率作为反馈变量,建立了EGR—VGT协调控制器。在MATLAB／Simulink环境下,通过仿真验证了所建立的控制器的瞬态控制效果。结果表明,被控变量能够很好地跟踪其目标值,未出现明显的超调,稳态误差控制在5％以内,瞬态响应时间小于1S。     

基于VGT的EGR对电控柴油机影响的试验研究

在一台电控共轨柴油机上,进行了基于可变涡轮截面增压器(VGT)控制的废气再循环(EGR)对柴油机燃烧、性能和排放影响的试验研究.系统研究了VGT开度、EGR率和喷油参数对柴油机性能和排放的影响.研究表明,采用基于VGT控制的EGR系统,调整VGT叶片位置,可以改变EGR率,实现最高43.2%的EGR率,从而有效地降低NOx;在调整优化喷油参数后,柴油机的排放有了很大的改善,烟度有较大幅度的降低,经过优化,气体排放可满足国Ⅳ排放法规的要求,十三工况加权当量比油耗比原国Ⅲ柴油机降低了4.2%,但是,采用EGR方案缸内最大爆发压力明显增大.     

废气再循环率及点火时刻对天然气发动机燃烧和排温的影响

基于一台当量比燃烧的天然气发动机,采用三维燃烧分析与发动机一维热力学计算相结合的方式开展了废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)率及点火时刻对缸内燃烧过程和发动机排温的影响研究。研究结果表明:随着EGR率的增加,燃烧相位后移,燃烧持续期延长,放热率峰值减小,最大压升率、缸内最高燃烧压力和最高平均燃烧温度均降低,再循环废气的稀释作用和热容效应能够抑制混合气的燃烧。随着点火时刻的提前,燃烧重心(CA50)前移,燃烧持续期缩短,最大压升率、缸内压力和放热率峰值均增大。排温随EGR率的增大和点火时刻的提前而降低。保持空气和燃气进气量不变,EGR率增大至23%,点火时刻提前至-18°能够将原机标定功率提升7.4 kW,有效燃料消耗率降低4 g/(kW·h)。当空气和燃气进气量增加11.6%,EGR率大于19%,点火时刻早于-10.5°时,可将原机标定功率提升36 kW并且将排温控制在760℃以内。     

进气压力对汽油低温压燃的影响

在一台装有电液可变气门的单缸柴油机上,通过改变进气压力,研究了不同喷油正时和内部废气再循环(EGR)率下汽油压燃的燃烧特性和排放特性,并对实现汽油燃料高效清洁稳定低温燃烧(如平均指示压力循环波动系数5%,NOx排放低于0.4g/(kW·h),烟度低于0.1FSN,CO和HC排放尽可能低)的控制区间进行了探索研究。内部EGR通过排气门两次开启实现,发动机转速和循环喷油量分别固定为1 500r/min和28mg。研究结果表明,基于燃油早喷、较低内部EGR率和适量进气压力(0.12MPa)的协同控制可以使辛烷值为93的汽油在平均指示压力约为0.47MPa的工况下实现高效清洁燃烧。     

Cycle-by-cycle variations in a spark ignition engine fueled with natural gas–hydrogen blends combined with EGR

Study of cycle-by-cycle variations in a spark ignition engine fueled with natural gas–hydrogen blends combined with exhaust gas recirculation (EGR) was conducted. The effects of EGR ratio and hydrogen fraction on engine cycle-by-cycle variations are analyzed. The results show that the cylinder peak pressure, the maximum rate of pressure rise and the indicated mean effective pressure decrease and cycle-by-cycle variations increase with the increase of EGR ratio. Interdependency between the above parameters and their corresponding crank angles of cylinder peak pressure is decreased with the increase of EGR ratio. For a given EGR ratio, combustion stability is promoted and cycle-by-cycle variations are decreased with the increase of hydrogen fraction in the fuel blends. Non-linear relationship is presented between the indicated mean effective pressure and EGR ratio. Slight influence of EGR ratio on indicated mean effective pressure is observed at low EGR ratios while large influence of EGR ratio on indicated mean effective pressure is demonstrated at high EGR ratios. The high test engine speed has lower cycle-by-cycle variations due to the enhancement of air flow turbulence and swirls in the cylinder. Increasing hydrogen fraction can maintain low cycle-by-cycle variations at high EGR ratios.