喷油时刻对缸内直喷汽油机颗粒物排放的影响

缸内直喷汽油机因其良好的节能性能,近几年来成为车用汽油机研究的重点,但也带来了颗粒物排放的问题.针对一款缸内直喷发动机,采用CFD数值模拟和发动机台架试验相结合的方法,研究了不同的喷射时刻对直喷汽油机混合气形成和颗粒物排放的影响.结果表明:缸内直喷汽油喷雾碰壁形成油膜与颗粒物排放有着直接的关系;在小负荷和中等负荷工况下,喷射时刻的优化能够有效地降低颗粒物数量排放.对于典型进气侧置喷油器缸内直喷汽油机,中小负荷工况优化的喷油策略为喷射时刻在进气冲程中期(约270,°,CA BTDC).     

增压直喷汽油机燃油喷射特性对排放影响的试验研究

基于某1.5L涡轮增压直喷汽油机,搭建试验测试系统,采用试验匹配测试方法研究了喷油模式、喷油时刻、喷油比例、喷油压力等决定燃油喷射特性的关键参数对碳烟排放的影响。试验结果表明:单次喷油模式下在部分负荷时,喷油越提前,碳烟排放越多;在全负荷时,喷油越推迟,碳烟排放越多。在多次喷油模式下,随第一次喷油的推迟碳烟排放降低,随第二、三次喷油的推迟碳烟排放增加。提高喷油压力对部分负荷工况燃烧及排放改善不明显,但外特性工况碳烟排放显著下降,碳氢化合物排放总量也大幅度降低,缸内燃烧速度加快,燃烧稳定性提高,有效燃油消耗率降低约2%。     

增压直喷汽油机喷油策略对低速早燃的影响研究

试验研究了喷油策略对增压直喷汽油机低速早燃的影响。研究结果表明:低速早燃现象在发动机正常运行过程中随机且非连续的发生,发生时最高燃烧压力显著上升并引发强烈的爆震;空燃比加浓(过量空气系数0.75~0.90)可以显著地降低低速早燃的发生频率;单次喷射的喷油开始时刻过于提前(330~300°CA BTDC)或者推后(250~210°CA BTDC)都将增大低速早燃的发生频率;采用高的喷油压力(15MPa)对于低速早燃的发生频率具有抑制的趋势;当第一次喷油开始时刻较为提前(330~300°CA BTDC)时,相比单次喷射策略,二次喷射策略能够较明显地降低低速早燃的发生频率。     

喷油系统参数对重型车用增压直喷柴油机NOx排放的影响

本文针对一台重型车用增压中冷电控直喷式柴油机,试验研究了喷油系统参数如喷孔直径、喷孔锥角、喷油压力、喷油定时等对NO_x排放和排气烟度的影响,指出了通过它们的优化匹配,改善柴油机排放特性的途径。     

车用汽油机怠速排放特性研究

对车用汽油机的怠速排放特性进行了试验研究,分析了汽油机怠速排放特性与怠速转速、点火正时和化油器怠速调整状况之间的关系,指出了影响化油器式汽油机怠速排放的主要因素,并提出了降低怠速排放的一些措施。     

直喷柴油机喷油速率对燃烧及排放的影响

本文研究了预喷射及两种较小初始喷油速率的喷油模型对燃烧及排放的影响,发现初始油速率比小孔油嘴对ＮＯｘ排放的影响更大,而后期喷油速率的增加是影响烟度的一个主要原因。     

直喷柴油机喷油速率对燃烧及排放的影响

喷油速率是降低排放的一个重要因素。高压喷射结合小喷孔直径可以减少NO_x与碳烟的排放。本文研究了预喷射及两种较小初始喷油速率的喷油模型对燃烧及排放的影响,发现初始喷油速率比小喷孔油嘴对NO_x排放的影响更大,而后期喷油速率的增加是影响烟度的一个主要原因。     

点火定时对增压直喷汽油机燃用甲醇汽油混合燃料微粒排放的影响研究

在一台增压直喷(T-GDI)汽油机上,燃用甲醇体积分数分别为0%、10%、25%、100%的甲醇汽油混合燃料(依次记为M0、M10、M25、M100),进行其微粒排放特性研究,分析了点火定时对微粒排放的影响规律。试验结果表明:燃用M10、M25燃料时,增压直喷汽油机微粒数浓度主要集中在核态区域,微粒质量浓度主要集中在积聚态微粒区域;相同点火定时下,随着甲醇掺混比的增大,微粒数浓度和质量浓度均显著降低,点火定时(以上止点前曲轴转角计)为38°时,M0燃料微粒总数浓度是M100燃料的68倍,总质量浓度为49倍;对于相同燃料,随着点火定时的推迟,微粒数浓度和质量浓度均呈现明显的下降趋势,燃用M25燃料时,点火定时为38°时的微粒总数浓度是18°时的5倍,燃用M0燃料时,点火定时为38°时的微粒总质量浓度是18°时的4倍。     

喷油压力对柴油机微粒排放特性的影响

分别利用SMPS、热光碳分析仪、HRTEM和TGA测试表征了柴油机尾气颗粒粒径分布、元素碳/有机碳(EC/OC)排放、纳米结构和氧化活性等特性.试验结果表明,提高喷油压力在显著降低积聚模态粒子排放的同时,使核模态粒子显著增加;当量比分别为0.2和0.5的条件下,喷油压力由60,MPa增大至100,MPa,总碳排放分别下降了33%和21%,喷油压力变化显著影响OC1~OC4和EC1~EC3的组分构成,高当量比时,增加喷油压力有效抑制了soot-EC的生成;60,MPa时颗粒呈壳-核结构,100,MPa时颗粒呈空心结构;进一步采用TGA分析表明,高喷油压力下的空心结构颗粒的氧化活性明显高于低喷油压力下的壳-核结构颗粒.     

缸内直喷汽油机微粒捕集器结构参数仿真优化研究

缸内直喷汽油机混合气形成方式与柴油机类似,均在燃烧室内喷入燃油形成混合气。该特点决定了其尾气中存在相对较多的微粒。作为处理发动机尾气中微粒的一种有效方式,加装微粒捕集器可以明显降低整车微粒排放。本文结合发动机台架试验结果针对性地运用GT-POWER仿真软件对微粒捕集器结构参数进行仿真优化,分析了微粒捕集器载体孔隙率和微孔平均直径等参数对微粒捕集过程的影响。优化后的载体具有较高的微粒捕集效率,并且具有较低的排气背压。为深入研究微粒捕集器微粒捕集过程和产品设计开发奠定理论基础。     

乙醇添加对直喷式汽油机微粒排放的影响

在一台自然吸气式直喷式汽油机上开展了汽油添加乙醇对微粒浓度和粒径分布特性影响的研究。同时利用热重分析方法考察了乙醇汽油和汽油两种燃料生成的颗粒物碳烟的氧化活性。研究发现:添加乙醇会使得低负荷、低转速工况的微粒峰值浓度和微粒数目明显增加,主要原因是乙醇添加影响了燃油的雾化特性,导致雾化变差,缸内混合气不均匀;但是,对高速高负荷工况影响不大,随着负荷的增加,乙醇汽油微粒浓度降低,主要原因是高负荷时喷油压力高,乙醇添加对燃油雾化效果影响小,但乙醇的含氧有利于颗粒物的氧化。热重分析结果表明,乙醇汽油生成的颗粒物氧化起燃温度低于纯汽油生成的颗粒物,同时乙醇汽油生成颗粒物的氧化活化能也低于纯汽油的颗粒物。     

曲轴箱通风对GDI汽油机微粒排放的影响

缸内直喷(GDI)汽油机微粒生成是由于雾化时间短及局部混合气过浓;同时,因为机油不可避免地参与燃烧也导致微粒排放增加.曲轴箱通风中未被油气分离器分离的机油蒸气占据机油消耗量比重较大,理论上这部分机油参与燃烧所产生的颗粒物对发动机最终的微粒排放影响也相应较大.因此,笔者在国产4G75缸内直喷汽油机上使用EEPS测定不同机油消耗条件下微粒排放特性,研究不同曲轴箱通风状态下未分离机油对GDI发动机微粒排放影响规律.结果表明:未被分离的机油消耗量增加导致微粒迅速升高,尤其在怠速工况下显著影响微粒生成质量;随发动机转速逐渐升高,机油消耗量对微粒生成的影响明显降低.     

直喷汽油机多孔喷油器喷油过程的数值模拟

针对直喷汽油机多孔喷油器的喷油过程,基于通用计算流体力学三维数值模拟软件Star-CD,建立了一种燃油复合破碎模型.其中,一次雾化采用Huh-Gosman模型与KH模型竞争的方法进行模拟;分裂长度之后的二次破碎采用RT模型与一次雾化机理竞争的方法进行模拟.应用该模型,对定容弹内多孔喷油器在不同喷射压力和背压下的喷油过程进行了研究.结果表明,在喷油初期以及喷口附近,喷口内部产生的湍流对燃油雾化破碎起主导作用,此后喷口湍流的作用逐渐被气动力因素所取代.在喷射压力一定时,背压越大,以破碎液滴数计量的破碎强度越低,由气动力诱发的破碎出现越早、强度越高.在背压一定时,喷射压力越高,以破碎液滴数计量的破碎强度越高,强度的增加程度与喷油时的背压有关,由气动力诱发的破碎也随喷射压力的提高出现得更早、强度更高.     

喷油策略对直喷汽油机混合气形成影响的模拟计算北大核心CSCD

利用三维仿真软件FIRE建立直喷发动机的仿真计算模型。经过喷雾可视化试验标定,对直喷发动机的单次喷射和二次喷射进行仿真计算,得出二次喷射策略的燃油碰壁量比单次喷射降低25%,有利于混合气的形成和燃烧。进一步研究推迟二次喷射时间对混合气形成的影响发现,一定程度上推迟喷油时间后,燃油的碰壁量会有所下降,同时也会导致最终油膜量的提高,反而导致混合结果不佳。此外,若喷油过迟,碰壁量不仅不会减少,还会增加。     

二次喷射对增压直喷汽油机颗粒物排放的影响

基于某款增压直喷汽油机分别采用燃油单次喷射策略和二次喷射策略,利用DMS500颗粒分析仪对颗粒物数量浓度和粒径分布进行测试,研究不同工况下采用单次喷射和二次喷射策略后的发动机经济性和颗粒物排放的变化,选取二次喷射策略的适用工况.研究表明:当二次喷射策略运用于增压直喷发动机,二次喷射比例和二次喷射相位的合理优化能有效降低燃油消耗率和颗粒物排放;比较单次喷射和二次喷射策略,两种喷射策略颗粒物粒径分布均呈核态与积聚态的双峰分布,而在转速小于3 000 r/min、转矩大于105 N·m的工况条件下,运用二次喷射策略后燃油消耗率和颗粒物数量浓度相对于单次喷射均有明显降低,其中核态颗粒物占比增大,颗粒物平均几何粒径减小;其他工况下采用单次喷射策略的发动机经济性和排放性能更佳.     

增压直喷汽油机细小颗粒物排放特性研究

在一辆国六增压直喷、未安装颗粒捕集器的汽油车上分别采用常温(23℃)全球轻型车统一测试循环(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)、常温(23℃)RTS95和低温(0℃)实际道路排放(real drive emission,RDE)测试循环对粒径在23nm以上和10nm以上的颗粒物数量排放进行了同步测试研究,以研究增压直喷汽油车的细小颗粒物(粒径10nm～23nm)排放特性。结果表明,在常温WLTC、RTS95及低温RDE循环测试中,10nm以上颗粒物的数量排放比国六标准规定的23nm以上颗粒物分别高32.4%、30.4%和15.6%。无颗粒捕集器时,急加速、减速和怠速工况细小颗粒在总颗粒物排放中的占比明显增加;冷起动和暖机阶段细小颗粒物的排放占比很低。细小颗粒主要在车辆充分暖机和三元催化器(three-way catalyst,TWC)起燃后产生;较低的环境温度并未引起细小颗粒物的明显增加。     

进气道喷油式汽油机喷射模式对怠速工况油气混合的影响

进气道喷油式汽油机的燃油喷射模式可分为开阀喷射模式和闭阀喷射模式两类。以CV20四气门汽油机怠速工况下采用不同燃油喷射模式为例,运用三维瞬态数值模拟的方法分别计算了怠速工况下开阀喷射模式以及闭阀喷射模式的油气混合过程。计算表明该工况下采用开阀喷射方式可以提高缸内的燃油量,在此燃油喷射模式下大部分燃油直接喷入缸内并随即蒸发,对于增加缸内燃油蒸气量更为有利。     

汽油机缸内直喷喷嘴结构参数对雾化特性的影响研究

为了改进缸内直喷汽油机用电磁涡旋式喷嘴的喷雾特性,对喷嘴孔径、螺线管电阻和涡旋片等结构参数进行了优化设计,并在喷雾试验台上对燃油质量流量、喷雾发展过程、喷雾锥角、喷雾贯穿距、针阀延迟和喷雾粒径分布进行了试验验证。结果表明:优化设计后的喷嘴的质量流率大于原商用喷嘴的质量流率,而质量流率的线性度接近原商用喷嘴。在相同喷射时间5ms及喷油压力9.5MPa下,当喷嘴孔径由0.55mm增大为0.70mm时,喷雾发展过程较为快速,燃油流量增加约56%,喷雾锥角增加10°,但喷雾不稳定性也随之提高,雾化粒径增大。不同喷油压力下的喷雾锥角变化较大,靠近喷嘴的喷雾轮廓与孔口设计有关。喷油压力增大时,其质量流率会随之增大,雾化粒径分布在10μm～20μm范围内的喷雾液滴体积分数也会随之上升,从而提高雾化程度。