燃料理化特性对柴油机低温燃烧过程及排放特性的影响

在一台单缸柴油机上,通过柴油掺混20%的正庚烷、正庚烷与异辛烷混合物以及异辛烷与40%正庚烷(体积分数),研究燃料组分、沸点和十六烷值等理化特性对柴油机传统燃烧和低温燃烧影响机理.结果表明,不同十六烷值燃料在高比例EGR下对滞燃期影响更显著;随掺混燃料十六烷值降低,碳烟排放降低;在20%掺混比下混合燃料沸点、黏度等物理特性和燃料组分等化学特性改变对燃烧和碳烟排放影响较小.与20%正庚烷掺混相比,低沸点、低黏度燃料在更高掺混比(40%)下对碳烟排放的降低作用变得明显.大比例EGR低温燃烧下,THC排放明显升高,其中甲烷占总碳氢比例达60%;NO2对整体NOx排放影响很小.在20%掺混比下,燃料理化特性的改变对THC、不同成分HC、CO和NOx排放影响很小;在40%正庚烷掺混比例下,芳香烃排放降低,NOx及NO2排放较柴油升高.     

燃料理化特性对柴油机燃烧和排放影响

将燃料理化特性参数依次分离,研究不同燃料特性在宽广废气再循环(EGR)范围内对柴油机燃烧和排放的影响规律.结果表明:试验选用的国Ⅳ柴油燃料,成份的改变如芳烃和硫含量降低对燃烧和NO_x、THC、CO及碳烟排放影响作用很小.燃料沸点和黏度降低,预混放热峰值增大,碳烟排放降低;负荷增大后对碳烟降低作用减小.燃料沸点和黏度在中、低比例EGR率下对气体排放影响很小,在高比例EGR率下低沸点、低黏度燃料THC和CO排放较高.十六烷值是决定燃烧放热时刻的最重要参数,不同十六烷值燃料在高比例EGR率下对滞燃期影响更显著.十六烷值和含氧是降低碳烟两个决定性因素,孰重孰轻视燃料特性而定,不同十六烷值燃料的气体排放差异很小,只在低EGR率下随十六烷值降低,NO_x排放略有升高.正丁醇分子结构较甲醇、乙醇、丁酸甲酯和2,5-二甲基呋喃(DMF)能更有效降低碳烟.     

正丁醇燃料特性对柴油机低温燃烧影响的机理

在一台单缸柴油机上,将20%体积分数的正庚烷、异辛烷和正丁醇分别与柴油进行掺混燃烧,研究了正丁醇沸点、燃料组分、十六烷值和含氧特性等理化特性对柴油机低温燃烧(LTC)的影响机理.结果表明,十六烷值是影响LTC燃烧特性的主导参数,柴油+正庚烷和柴油+异辛烷的燃烧特性分别与纯柴油和柴油+正丁醇接近.碳烟排放上,柴油+正庚烷与纯柴油差别很小,表明在20%掺混条件下,物理特性和燃料组分对LTC碳烟排放影响较小;柴油+异辛烷的碳烟排放较纯柴油降低明显,表明十六烷值是影响LTC碳烟排放的重要因素;柴油+正丁醇的碳烟排放比柴油+异辛烷有较大降低,表明正丁醇含氧特性对改善LTC碳烟排放具有重要作用.燃料理化特性对NOx、CO和HC等气体污染物排放影响较小.     

正丁醇和异丁醇对柴油机燃烧与排放特性的影响

通过一台V6发动机研究了柴油中掺混正丁醇和异丁醇在不同转速、不同EGR率和喷油时刻下对燃烧与排放性能的影响.结果表明:正丁醇-柴油燃料比异丁醇-柴油混合燃料着火滞燃期短,异丁醇缸内峰值压力和预混放热率比正丁醇高.柴油中掺混正丁醇和异丁醇可以明显降低碳烟排放,使得碳烟随着EGR率变化变得平缓.同时掺混正丁醇对碳烟降低的效果更明显,而且掺混丁醇对NOx排放影响不大,一氧化碳与碳氢排放保持在较低水平.最后柴油机燃用丁醇可以达到同时降低碳烟和NOx的效果.     

DMF/柴油和汽油/柴油混合燃料对柴油机燃烧和排放特性的影响

在一台共轨柴油机上,通过向柴油分别掺混30%体积比的2,5-二甲基呋喃(DMF)和汽油,研究了含氧燃料和低十六烷值燃料对柴油机燃烧过程和排放特性的影响机理。研究结果表明:D30的滞燃期最长,G30次之,纯柴油最短,表明十六烷值是影响着火滞燃期的关键因素。混合燃料的挥发性、硫和芳香烃含量对碳烟排放影响较小,扩展的着火延迟期和增加的燃料氧(原子氧)是降低低温燃烧过程中碳烟生成的两个关键因素。柴油掺混DMF,通过采用中等强度EGR率(低于40%),能显著扩展低排放区域(NOx排放0.4g/(kW·h),碳烟排放0.01g/(kW·h))并保持较好的燃油经济性。相比汽油/柴油混合燃料,DMF/柴油混合燃料对碳烟的降低效果更显著,表明DMF作为一种低十六烷值的新型生物质含氧燃料,其与柴油混合后的理化特性更适合于柴油机低温燃烧的排放控制。多次喷射试验表明:在柴油中掺混DMF或汽油,喷油控制策略对碳烟生成影响减小。综合来看,石化柴油与低十六烷值含氧燃料混合,通过燃料改性与中等强度EGR率(低于40%)耦合并合理控制CA50,是在简化喷油控制策略下实现现代柴油机高效、清洁低温燃烧的一项有效技术途径。     

EHN添加对柴油-正丁醇混合燃料燃烧和排放特性的影响

在柴油-正丁醇混合燃料(正丁醇体积含量为40%)中添加了2%的硝酸异辛脂(EHN),并与柴油、柴油-正丁醇燃料做了燃烧和排放特性的对比。研究结果表明:EHN的添加可缩短滞燃期,降低缸内最高燃烧压力,燃烧噪声与纯柴油达到同一水平。在高废气再循环(EGR)率下,NOx排放增加,NO2所占比例升高。和纯柴油相比,碳烟排放峰值降低了80%,即EHN添加解决了低十六烷值含氧燃料在压燃发动机上的燃烧噪声和碳烟排放这一新的矛盾。EHN添加对CO和THC排放影响的规律相似,高EGR率时CO和THC排放都增加,且CH4比例急剧升高。     

正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响

在一台改造的单缸柴油机上,研究了柴油中掺入正丁醇燃料在不同EGR率、进气压力下对燃烧、性能和排放的影响.结果表明,柴油中添加正丁醇燃料使着火滞燃期延长,缸内最大爆发压力和燃烧温度下降,低温燃烧"失火"的EGR率降低,指示油耗减少,燃油经济性改善;正丁醇可明显降低碳烟排放,使烟度随EGR率变化趋势更加"平坦",烟度峰值对应的EGR率,变低,正丁醇比例越高,烟度越低;正丁醇对气体排放的影响与进气压力有关,正丁醇可以有效降低NOx排放,进气压力越大,正丁醇降低NOx的效果越明显;进气压力为0.15 MPa时,正丁醇比例越大,CO排放越低,但进气压力为0.24 MPa时,B20燃料CO排放最高;正丁醇对THC排放影响不大,但B20燃料在高EGR率条件下,其THC排放明显增大.因此,柴油燃料添加正丁醇是降低低温燃烧烟度和NOx排放,改善低温燃烧性能的有效途径.     

汽油、正丁醇掺混柴油对部分预混压燃的燃烧和排放影响

通过一台高压共轨重型柴油机,使用汽油/柴油和正丁醇/柴油掺混燃料,掺混比例为40%、60%和80%(体积分数),研究了平均有效压力(BMEP)为0.48 MPa和0.95 MPa工况下汽油和正丁醇燃料掺混对柴油部分预混压燃(PPCI)模式的燃烧和排放影响.结果表明:随着汽油和正丁醇掺混比例的提高,滞燃期明显延长,更大程度地将喷油与燃烧过程分离,实现高比例预混燃烧.在BMEP为0.48 MPa工况下,各比例掺混燃料均易实现高比例预混燃烧,掺混比例为40%结合EGR即可满足欧Ⅵ排放限值,而掺混比例为80%时燃烧则受到压力升高率极限和燃烧效率恶化的约束.随BMEP升至0.95 MPa,各燃料滞燃期缩短、预混燃烧比例明显降低,掺混比例为40%和60%时,各掺混燃料均呈明显的扩散燃烧过程.相比于汽油,正丁醇掺混燃料在较低掺混比例可获得更低的有效燃油消耗率(BSFC)和soot排放,正丁醇以高掺混比例(80%)结合中等EGR率实现了87%的预混燃烧比例,NOx以及颗粒物排放分别为0.4 g/(kW·h)和0.001 5 g/(kW·h).     

柴油机燃用新型戊醇混合燃料的燃烧和排放特性

戊醇是一种能量密度较高的新一代生物质燃料,与低碳醇相比,具有与柴油更好的互溶性和较高的十六烷值.在一台单缸柴油机上研究对比了不同喷油时刻下3种不同掺混比例的戊醇、生物柴油和柴油混合燃料的燃烧和排放特性.结果表明:与柴油相比,添加戊醇后,混合燃料的最高放热率升高,燃烧持续期缩短,热效率提高.戊醇混合燃料的碳烟排放显著降低,其中戊醇-生物柴油-柴油混合燃料的碳烟排放降低效果最佳,最高降幅为85.7%;且NOx排放下降,最大减少了11.2%,即采用戊醇混合燃料可实现碳烟和NOx排放的同时降低.     

宽馏分燃料对柴油机低温燃烧影响的试验研究

通过将汽油和柴油掺混配制成不同比例的宽馏分燃料,在一台单缸柴油机上进行宽馏分燃料对柴油机低温燃烧影响的试验研究.结果表明,十六烷值是影响柴油机低温燃烧的主要因素,挥发性对燃烧特性影响相对较小;较高汽油比例的宽馏分燃料由于十六烷值降低更明显、滞燃期延长,可以较明显改善低温燃烧的碳烟排放.在汽油比例较高时,由于挥发性提高较明显,能够对碳烟排放起到一定的改善作用.在宽馏分燃料中随着汽油比例的增加,燃烧速度加快,指示热效率略有提高.宽馏分燃料对NOx、CO和THC排放的影响比较小,在高EGR率条件下可以实现超低NOx排放,但此时CO与THC排放问题有待解决,并且汽油比例较高的宽馏分燃料THC排放更高.     

柴油、柴油-正丁醇和柴油-DMF燃烧及排放特性试验研究

通过对纯柴油、40%正丁醇(B40)和40%2,5二甲基呋喃(DMF,D40)三种燃料燃烧和排放特性对比,研究了燃料特性对柴油机性能和排放的影响。研究结果表明:D40滞燃期最长,燃烧速率最快,最大压力升高率最高,三种燃料在较低EGR率下指示热效率差别较小;随EGR率变大,NO所占比例先降低后升高,NO_2所占比例先升高后降低,含氧燃料的加入会增加NO_2比例;滞燃期是影响碳烟排放的最主要因素,在整个EGR率区间,D40几乎可实现碳烟的零排放;三种燃料的THC排放差别较小,但B40和D40可降低CH_4和HCHO比例。     

喷油参数对丁醇/柴油混合燃料燃烧及排放影响

针对高压共轨柴油机,研究了不同喷油压力和主预喷间隔角度下,正丁醇/柴油混合燃料对压燃式发动机燃烧及颗粒物排放的影响规律.结果表明:柴油中掺混正丁醇后,滞燃期延长,预混合燃烧量增加,燃烧持续期缩短,碳烟及颗粒物排放大幅降低,微粒粒径减小,核态微粒比例增加,NO_x排放变化不大.喷油压力由80MPa提高至100MPa,混合燃料消光烟度明显降低,继续提高喷油压力不但对碳烟排放降低作用减弱,还会进一步造成NO_x排放增加,同时核态微粒数量明显增加.主预喷间隔角度过小会造成主预喷燃油燃烧重叠,使碳烟排放增加,随主预喷间隔角度增加,总微粒、积聚态微粒数量浓度明显降低,核态微粒比例增加,当主预喷间隔角度增大到20°CA后,继续增大主预喷间隔角度对碳烟排放降低作用不明显.     

后喷射策略下生物柴油对发动机燃烧和排放影响的数值模拟

以正庚烷-癸酸甲酯(MD)-癸烯酸甲酯(MD9D)简化机理为基础,构建了生物柴油(大豆生物柴油SME)-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理。在单次喷射和主-后喷射两种喷油方式下,将大豆生物柴油、纯柴油以30∶70和70∶30体积比掺混,将该化学反应机理与CFD计算软件耦合,研究后喷策略下生物柴油-柴油混合燃料的低温燃烧特性和排放特性。数值计算结果表明:随着SME掺混比例增加,缸内燃烧温度峰值逐渐降低,缸内燃烧放热主要受OH自由基与燃料的脱氢反应速率影响,反应速率随温度升高而增大;NO_x排放随掺混比例增加而逐渐降低,NO_x排放主要受温度影响;单次喷射下,掺混比例越高,碳烟排放量越低;后喷射下,碳烟生成量受C_2H_2影响,随掺混比例增加而逐渐降低,OH在碳烟氧化过程中起主要作用,碳烟最终排放量受掺混比例影响不大。     

生物柴油/DMF混合燃料对柴油机低温燃烧的影响

在生物柴油中分别掺入体积分数20%和50%,的2,5-二甲基呋喃(DMF)组成DMF20和DMF50混合燃料,在一台单缸柴油机上对柴油、生物柴油和生物柴油/DMF混合燃料开展低温燃烧试验研究.结果表明,生物柴油和柴油燃烧特性相近,生物柴油含氧特性在一定程度上可以改善低温燃烧的碳烟排放;增大生物柴油中DMF掺混比例,混合燃料十六烷值降低,滞燃期延长,燃烧速率加快,预混放热峰值升高,最大压力升高率增大,DMF50即使在高负荷下也呈现典型的预混单峰放热.在低负荷时,掺混燃料热效率并没有优势,随负荷增大,掺混燃料在热效率方面逐渐表现出优势,特别是DMF50在高负荷时优势明显,指示热效率提高到46.5%(此时柴油和生物柴油分别为43%和43.3%).掺混DMF对碳烟改善明显,在高负荷、低温燃烧、低氧浓度条件下DMF50仍可基本实现无碳烟排放,同时提高DMF掺混比例对改善高负荷低温燃烧的CO和HC排放作用显著.     

正丁醚/柴油混合燃料在单缸柴油机中的燃烧与排放特性研究

基于一台单缸压燃式发动机,研究了正丁醚（di-n-butyl ether, DnBE）/柴油混合燃料的燃烧与排放特性,并与纯柴油的试验结果进行了对比。分别采用平均指示有效压力（indicated mean effective pressure, IMEP）即发动机负荷0.55 MPa、0.65 MPa、0.75 MPa,废气再循环（exhaust gas recirculation, EGR）率0%、15%、30%,喷油正时上止点后-15°、-10°、-5°、0°及正丁醚掺混体积比20%、40%,综合评估了正丁醚/柴油混合燃料在不同发动机运行工况下的特性。台架试验结果表明：相比于纯柴油,正丁醚的添加使得缸内压力上升相位及放热开始时刻提前,并且在30% EGR率工况下更加明显。在所有测试工况下,正丁醚/柴油混合燃料的预混燃烧比例均小于纯柴油,且第一阶段放热率峰值更低。由于十六烷值的差异,40%正丁醚/柴油混合燃料的着火延迟时间与燃烧持续期更短且燃烧重心更早,表明其具有更快的燃烧速率。试验发现大比例正丁醚/柴油混合燃料的燃烧等容度更高,指示热效率高于纯柴油。此外,添加正丁醚后尾气中的NO_x与碳烟排放都会降低,而提高EGR率或推迟喷油均能有效减少NO_x的生成。综合而言,添加正丁醚可以有效缓解柴油机中NO_x排放、碳烟排放与指示热效率之间的权衡关系。     

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.     

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.     

正丁醇/柴油发动机燃烧排放特性及喷油、燃烧室形状影响

针对某型号直喷柴油机,建立了该柴油机中单缸完整燃烧室及气道三维模型,使用三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)分析软件CONVERGE对其进行模拟计算,研究了正丁醇掺混比例对柴油机燃烧排放的影响。结果表明:随着正丁醇掺混比例的提高,峰值缸压、滞燃期和燃烧速度均呈递增趋势,碳烟及CO排放量逐渐减少,NO_x排放量小幅增加。为了进一步改善缸内燃烧情况和降低污染物排放,对正丁醇掺混时喷油策略、燃烧室几何形状的综合影响进行了研究,结果表明:掺混时多次喷油及采用合适的燃烧室模型可以有效改善掺混后缸内油气混合情况,增加缸内湍动能强度,进一步降低碳烟排放量。与纯柴油工况对比,掺混并采用多次喷油策略后碳烟排放明显下降,且通过掺混能够有效简化喷油策略,但弱化了燃烧室形状对碳烟排放量的影响。     

柴油机燃用混合替代燃料的燃烧与排放特性

将生物柴油和F-T柴油(F-T diesel)进行掺混,并将其混合燃料应用于4100QBZL柴油机上.在未对原机做任何改动的情况下,研究了该机燃用不同体积配比混合燃料时的燃烧特性及NOx和碳烟排放性能.研究表明,与0#柴油相比,该机的预混燃烧放热峰值降低、扩散燃烧放热峰值升高、燃烧更柔和;NOx排放随着生物柴油掺混比例的增大而升高;碳烟排放显著下降,较0#柴油的降低幅度高达37%;低比例的混合燃料对NOx排放和碳烟排放的trade-off关系有明显改善.生物柴油与F-T柴油混合燃料宜在较低的生物柴油掺混比例范围内使用.     

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。