PRF50燃料低温重整产物对中等负荷下发动机燃烧及排放特性影响的研究

采用试验的方法,利用重整器和发动机台架研究了正庚烷和异辛烷体积比1∶1的PRF50燃料在不同重整温度下的低温重整产物及其对压燃发动机中等负荷下燃烧和排放特性的影响。研究结果表明,PRF50燃料在450K～750K的重整温度下低温反应放热量较少,重整器内温度基本不变。重整产物中的轻烃分子对发动机燃烧具有促进作用,可以使燃料重心(CA50)提前,而产物中的CO、CO_2对燃烧具有抑制作用;随着重整温度的提升,重整产物促进作用逐渐增强,达到最高值后逐渐减弱;在相同喷油时刻下,随着重整温度的增加,指示热效率先逐渐升高后降低,最多提高2%。     

基于RANS和LES的汽油、柴油及其掺混燃料压燃燃烧特性数值模拟研究

研究中首先采用RANS和LES两种湍流模型对汽油、柴油及汽柴油掺混燃料的喷雾进行了气液相贯穿距的标定。基于标定好的喷雾模型,采用RANS与LES对3种燃料在发动机中的燃烧过程开展了数值模拟研究。通过对比RANS与LES对部分预混燃烧数值模拟的差异,揭示了两种湍流模型对缸内流动、燃料输运及燃烧过程的影响机理。结果表明,RANS与LES都能够对柴油及掺混燃料的燃烧过程实现较好的预测,其中LES对汽油部分预混燃烧中滞燃期及放热规律的预测与试验更为接近。同时,LES对3种燃料NOx排放的计算结果都与试验更加接近,这与燃料在缸内放热的位置密切相关。     

PODE_n对汽油压燃燃烧过程与排放的影响

针对汽油压燃(GCI)在不同负荷存在的问题,将具有高含氧量、高十六烷值的燃料聚甲氧基二甲醚(PODE_n)与汽油掺混,其中PODE_n体积分数为20%,以优化汽油的燃料特性,掺混燃料简称为G80P20.在转速为1660,r/min、平均有效压力(BMEP)分别为1.43、0.95和0.48,MPa的3个负荷下,研究了PODE_n对GCI燃烧与排放特性的影响.结果表明:在大负荷工况下,掺混体积分数为20%,的PODE_n能同时显著改善GCI的碳烟(soot)排放和压力升高率,随着喷油压力的增加,两者的改善程度增加;在喷油压力为120,MPa下,两者降低幅度分别达到68%,和51%,,其NOx和soot排放可在无后处理情况下达到国Ⅴ排放水平;在中等负荷工况下,汽油的燃烧可控性随喷油压力的增加而显著降低,而G80P20的燃烧可控性基本不受喷油压力的影响,且达到与柴油基本相当的水平;在小负荷工况下,G80P20能显著改善GCI的燃烧效率,降低HC和CO排放,循环波动率(COV)从5%,降至2%,,提高了燃烧稳定性.     

基于燃烧室与增压器匹配的柴油机热效率优化设计及仿真研究

以某重型柴油机为研究对象,采用仿真计算的方法探究了基于缸内燃烧系统和空气系统优化使发动机最低油耗区间匹配不同使用工况,提出满足发动机不同应用场景需求的匹配方案。研究结果表明:采用压缩比为19.5的燃烧室,缸内混合气过稀区减少,燃烧放热速率加快,热效率提高;通过合理匹配增压器和燃烧室可以实现柴油机最低油耗区间与目标工况区间的匹配。以优化低转速中低负荷工况油耗为目标,采用压缩比为19.5的燃烧室,同时采用较小的涡轮当量流通截面积,可以使最低油耗区匹配低转速中低负荷工况,低转速中负荷油耗改善3.1%。以优化中转速中高负荷油耗为目标,采用压缩比为18.5的燃烧室,结合增压器的优化匹配,可以使最低油耗区匹配中转速中高负荷工况,中转速中负荷油耗改善1.6%。以优化高转速高负荷油耗为目标,通过提高最高燃烧压力,采用压缩比为21.5的燃烧室,同时采用较大的涡轮当量流通截面积,高转速高负荷油耗可改善4.2%。     

基于外特性前馈和模糊控制反馈的发动机冷却系统控制策略研究

在GT-SUITE中建立了一维重型柴油机瞬态冷却系统仿真模型,并对冷却系统控制策略的开发方法和控制效果进行了研究。以降低冷却系统附件最小功耗及提高冷却液温度控制精度为目标,分别设计了脉谱前馈与模糊控制、变论域模糊控制、变论域模糊控制加水泵比例积分控制3种控制策略,并在全球统一瞬态试验循环工况下进行发动机台架工况与整车车辆运行工况的仿真计算对比。研究结果表明:相比模糊控制,反馈采用变论域模糊控制能使发动机出口冷却液温度振幅减少37.6%,温度处于±0.5℃区间内的时间增加39.98%,且附件总能耗降低8.58%,冷却性能得到明显改善;额外采用水泵比例积分控制能使发动机出口冷却液温度振幅进一步减少16.1%,温度处于±0.5℃区间内的时间增加15.26%,但附件总能耗相比提高10.3%,提高温控精度但牺牲了附件的功耗。脉谱前馈与变论域模糊控制在温控精度与功耗优化方面整体表现最优,整车运行环境下温控精度相比模糊控制提高49.28%,同时功耗降低8.68%。     

直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究

基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,基于不同的燃油总量、直喷汽油量、预混汽油油量和汽柴油喷射时刻等参数,展开了缸内直喷汽油对反应活性控制压燃(RCCI)燃烧模式高负荷拓展影响的研究。结果表明:进气压力及柴油喷射时刻会影响缸内浓度分层进而影响燃烧过程,而汽油喷射时刻影响不明显;在汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略下,增加缸内直喷汽油量可以进一步增强缸内的混合气浓度分层,延长燃烧持续期,降低缸内的最高燃烧压力和压力升高率,实现更低的燃烧温度。仿真计算结果显示:若保证碳烟和NOx排放在限值内且油耗有所降低,可将平均有效指示压力(IMEP)拓展至1.6MPa;将IMEP拓展到1.7MPa后,增加汽油的预混比例并不能提高IMEP,但对排放略有改善,相应的压力升高率和燃烧压力提高。     

汽油替代物组分对缸内直喷和进气道喷射汽车性能影响的试验研究

采用3种研究法辛烷值相同的汽油替代物在一辆缸内直喷(gasoline direction injection,GDI)和进气道喷射(port fuel injection,PFI)汽车上研究了不同汽油替代物组分对整车性能的影响。试验结果表明:相比异辛烷,添加甲苯会导致CO_2排放升高,而添加二异丁烯会降低CO_2排放,甲苯和二异丁烯均使体积油耗降低。添加二异丁烯和甲苯使GDI汽车的CO排放升高并使THC排放降低,使PFI汽车新欧洲驾驶循环(new European drive cycle,NEDC)前100s的瞬态CO和THC排放升高。二异丁烯会使NOx排放降低而甲苯会导致NOx排放升高。在颗粒排放方面,添加甲苯使GDI汽车排放的颗粒物质量(particle mass,PM)和数量(particle number,PN)增加,添加二异丁烯会降低GDI汽车PM和PN排放;添加甲苯和二异丁烯会降低PFI汽车的PM排放,但会导致其PN增加。在加速性能方面,二异丁烯和甲苯的加入会缩短GDI汽车的加速时间,而甲苯会使PFI汽车的加速时间增加。     

预燃室火焰射流对双燃料着火燃烧过程的模拟研究

基于计算流体力学(CFD)程序耦合动力学机理,研究了一台大型低速二冲程船用柴油机改装的柴油-天然气双燃料发动机预燃室系统的布置方案对射流火焰发展过程的影响,以及由此对缸内流动、燃烧和有害污染物氮氧化物(NO_x)生成历程的影响。结果表明:预燃室方案造成射流火焰对撞会对碰撞区域及周围流场产生较大扰动,同时在碰撞区域形成富燃区,抑制该区域内NO_x的生成;射流火焰不碰撞则会增大其贯穿距离,实现更大空间范围的多点着火,放热更集中,同时会因较高的温度使NO_x排放上升;此外射流火焰与缸盖、活塞和缸套等壁面接触会显著降低其流动速度和燃烧温度,造成燃烧效率下降,缸内湍动能减小,在实际应用中应尽可能避免。     

提高重型柴油机低速高负荷热效率的试验研究

为了改善重型柴油机低速高负荷的燃油经济性,在一台两级可变截面涡轮增压重型柴油机上开展了空气系统与喷油参数优化策略研究。试验结果表明:对于缸内最高燃烧压力受限工况,获得最低有效燃油消耗率(BSFC)的可变截面涡轮增压器(VGT)关度应该使泵吸功基本为零;选取合适的喷油压力可提高机械效率,在改善燃油经济性的同时使NO_x排放有一定降低,而碳烟排放也能保持在较低水平。基于该优化策略,研究了缸内最高燃烧压力限值对不同工况点燃油经济性的影响,进而研究了提高缸内最高燃烧压力对改善燃油经济性的潜力。结果表明:随着转速与负荷的升高,提高最高燃烧压力限值对燃油经济性的改善作用更加明显;但缸内最高燃烧压力提高到一定程度以后,其对燃油经济性的改善作用逐渐减小。     

灵活缸重整模式下低温重整产物对压燃式发动机燃烧和排放影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究了第一参比燃料(PRF50)的低温重整过程及其产物对压燃式发动机燃烧和排放特性的影响。研究结果表明,PRF50燃料的低温重整区域随当量比的增加而增大,初始温度和压力的选择范围变化有限,并且PRF50燃料发生低温反应的触发界线开始向较高的初始进气温度方向移动;初始进气温度和当量比对重整过程的影响要大于初始压力的影响;PRF50燃料的低温重整产物均可使PRF50燃料均质充量压燃的燃烧相位提前,且重整产物的加入改善了发动机有害排放中一氧化碳、未燃碳氢和氮氧化物的排放,指示热效率也可提高约3.0%。