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).     

喷油正时和压力对混合燃料燃烧影响的试验

在一台4缸柴油机上对比研究喷油策略对柴油/汽油/正丁醇混合燃料燃烧和排放特性的影响.试验中发动机转速固定为1,600,r/min,使用的4种燃料为纯柴油(D100)、柴油/汽油混合燃料(D70G,30)、柴油/正丁醇混合燃料(D70B30)和柴油/汽油/正丁醇混合燃料(D70B15G15).结果显示:与D100相比,3种混合燃料的soot排放大幅降低,其中D70B30最低.汽油或正丁醇的混入导致缸内压力峰值、放热率峰值和最大压力升高率(MPRR)增大,滞燃期延长,主燃烧放热时刻(CA,50)推迟,燃油经济性恶化.然而,CO排放升高,喷油时刻提前,可以明显削弱这一现象.D100与混合燃料的NOx排放之间基本没有差异.并且,混合燃料的soot排放对喷油策略的敏感程度远低于D100.但推迟喷油能够大幅度抵消掺混汽油或正丁醇所引起的MPRR升高趋势.此外,喷油压力对soot排放的影响大于喷油正时.     

直喷汽油对HPCC大负荷工况影响的数值模拟

利用三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,对燃油预混比例、汽油喷射时刻、柴油喷射时刻和柴油喷射量4个参数进行优化,系统研究了缸内直喷汽油对高比例预混燃烧(HPCC)大负荷工况的影响.结果表明:汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略可以增强缸内的混合气浓度分层;采用该喷油策略计算得到的平均指示有效压力(IMEP)和压力升高率分别为1.350,MPa、0.520,MPa/(°)CA,相比于基准工况的1.346,MPa和0.893,MPa/(°)CA,在保证IMEP不变的前提下,压力升高率和NOx排放分别降低了41%,和46%,,soot排放略有升高.采用汽油混合喷射结合柴油缸内直喷是控制压力升高率和拓展HPCC运行负荷上限的有效措施之一.     

加氢催化生物柴油对GCI发动机燃烧与排放影响

汽油压燃(GCI)发动机具有较高的热效率及较低的排放,但使用商用高辛烷值汽油存在低负荷工况下着火困难、燃烧稳定性差的难题.将高十六烷值的加氢催化生物柴油(HCB)按照不同体积比例添加到95号汽油中,通过一台共轨单缸柴油机,研究在小负荷工况下加氢催化生物柴油体积分数对发动机燃烧与排放特性的影响.结果表明:随着加氢催化生物柴油体积分数的增加,燃料的着火性能显著改善,有效降低燃烧爆压.同时,不同活性燃料的掺混比例应与运行工况匹配才能获得较为合适的燃烧相位,进而提高发动机性能.排放方面,掺混燃料在降低颗粒物排放方面有着巨大的潜力,随着生物柴油体积分数的增加,虽然颗粒物排放有所增加,但可以有效地降低CO及未燃碳氢化合物(UHC)排放.掺混燃料中生物柴油掺混比例对NO_x排放的影响在不同负荷下表现出不同的趋势.     

掺混比例和喷油压力对柴油/正丁醇低温燃烧的影响

将正丁醇、正庚烷分别与柴油以20∶80和40∶60体积比掺混,在100、130,MPa两个喷油压力下进行柴油机直喷燃烧试验,研究喷油压力和掺混比例对柴油/正丁醇低温燃烧特性和碳烟排放的影响,结果表明:提高喷油压力能够改善柴油/正丁醇掺混燃料高比例EGR燃烧相位滞后问题,在更大EGR率范围实现高效燃烧.随喷油压力提高,十六烷值和含氧对降低碳烟的作用增强,沸点等其他特性作用变小.提高掺混比例,正丁醇对燃烧的影响更明显,燃烧放热始点明显推迟、燃烧反应速度加快,在一定的EGR率范围内热效率提高.掺混比例从20%提高到40%,各燃料特性对碳烟排放的降低作用都显著增大,沸点等其他特性作用成为降低碳烟排放的重要因素,十六烷值的作用更加显著.     

内部EGR和燃料辛烷值对小负荷低温燃烧的影响

将不同比例的正庚烷和异辛烷掺混得到3种不同辛烷值的混合燃料PRF70、PRF80和PRF90,在单缸直喷柴油机上研究了燃料辛烷值和基于排气门两次开启的内部EGR策略对高辛烷值燃料小负荷低温燃烧的影响.结果表明,小负荷工况(平均指示压力小于0.3,MPa)下,适当增大内部EGR率能提高缸内温度,改善高辛烷值燃料的燃烧稳定性和HC、CO排放,但内部EGR率过大时由于废气的稀释作用增强,对高辛烷值燃料小负荷燃烧带来不利影响;燃料辛烷值对高辛烷值燃料的燃烧有影响,随着辛烷值增大,着火始点推迟,放热速率降低,HC和CO排放升高,燃烧稳定性下降.通过采用合适的喷油时刻、内部EGR策略结合辛烷值优化能够实现高辛烷值燃料在小负荷工况的稳定燃烧.     

高压缩比汽油压燃低负荷燃烧优化控制策略试验研究

基于6缸柴油发动机的汽油压燃发动机试验台架,系统研究了喷油策略对采用高压缩比燃烧室的汽油压燃低负荷燃烧和排放特性的影响。结果表明：提高压缩比可有效改善汽油压燃低负荷燃烧稳定性、燃烧效率和指示热效率,同时降低CO和HC排放,但存在最大压力升高率过大的问题。采用两次喷射策略可有效控制最大压力升高率;预喷油量为3 mg、喷射间隔为10°时可将最大压力升高率从1.174 MPa/（°）降低为0.380 MPa/（°）,压力循环波动率为0.97%,同时获得较高的指示热效率和较低的排放。采用高压缩比耦合优化喷油策略,可在平均有效压力为0.2 MPa工况下实现高效稳定燃烧,有效改善汽油压燃在低负荷下燃烧稳定性差的问题。     

柴油燃料特性对重型柴油机燃烧和排放影响的试验

在一台电控高压共轨重型柴油机上,选择5种不同十六烷值(CN)柴油(CN为29、40、44、53和62)进行欧洲稳态测试循环(ESC)测试.结果表明:在25%,负荷下,燃烧放热始点随十六烷值降低而推迟,最大爆发压力和最大压升率明显增大;负荷增大后,十六烷值对放热始点影响变小,在75%,和100%,负荷下,只有CN为29的燃料放热时刻推迟,其余4种燃料缸内压力和放热规律受十六烷值影响很小.随十六烷值降低,有效燃油消耗率增大,但不同燃料有效热效率差异很小,因而低十六烷值燃料较高的燃油消耗是由其较低的热值造成的.随十六烷值降低,NO_x、soot、HC和CO排放增大,在小负荷工况,十六烷值变化对排放影响更显著.ESC十三工况加权结果表明,CN从62减到29,有效燃油消耗率增加5.6%,,NO_x排放增加23%,,soot排放增加300%,,HC和CO排放增加50%,.     

汽油低温压燃小负荷控制策略

在一台装有电液可变气门的单缸柴油机上,基于喷油正时、内部废气再循环(EGR)和喷油压力的协同控制,对小负荷工况下汽油燃料直喷压燃模式的燃烧特性和排放特性进行了试验研究,并对实现汽油燃料高效清洁稳定低温压燃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1,500,r/min和28,mg.研究结果表明,基于燃油早喷、较低内部EGR率和较高喷油压力的协同控制可以使汽油在平均指示压力约为0.46,MPa工况下实现高效清洁燃烧.     

汽油压燃小负荷燃烧过程优化

利用三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟方法,系统研究了内部EGR和喷油策略的耦合控制对汽油压燃(GCI)燃烧模式小负荷燃烧的影响.结果表明:采用排气门两次开启策略引入内部EGR后,缸内温度得到显著提高;在平均指示压力p_i为0.32,MPa的工况下,与单次喷射相比,采用两次喷射可以有效控制缸内混合气分布,提升缸内混合气浓区和高温区的一致性,进而显著提高燃烧效率和指示热效率;随着负荷降低,燃烧效率和指示热效率有所下降,需要提高内部EGR率和进气压力以保持较好的燃烧特性;在pi约为0.22,MPa的工况下,单次喷射的燃烧效率较两次喷射更高,即随着GCI负荷的降低,喷油策略应由两次喷射变为单次喷射以控制缸内混合气分布,从而使燃烧得到改善.     

PODE_n-天然气双燃料的燃烧和排放特性研究

天然气双燃料模式与火花点火模式相比,可以获得更高的热效率,但存在小负荷工况下总碳氢化合物(THC)、CO排放较高,大负荷工况下燃烧粗暴、天然气替代率不足等问题.聚甲氧基二甲醚(PODE_n)是一种高十六烷值、高含氧质量分数的煤基燃料,笔者尝试用其替代柴油引燃天然气,以改善柴油引燃天然气燃烧不完全的问题.结果表明:PODE_n引燃天然气可以使THC、CO排放明显降低,获得较高的热效率,同时可以获得较低的颗粒物(PM)和NO_x排放,证明PODE_n是一种更加适用于天然气双燃料燃烧模式的引燃燃料.     

PODE_n/柴油对重型柴油机燃烧与排放的试验

针对一台多缸重型柴油机,围绕进气和燃油喷射系统,研究了可变截面涡轮增压器(VGT)、燃油喷射参数(燃油喷射压力、喷油器流量)对聚甲氧基二甲醚(PODE_n)/柴油混合燃料低温燃烧方式的影响.结果表明:PODE_n/柴油混合燃料可以改善燃烧,降低排放.随着负荷的增加,VGT开度逐渐增大,在进气量充足的情况下,增加VGT开度有助于改善燃油消耗率.综合排放和有效热效率的影响,B25、B50和B100对应的最佳VGT开度分别为50%,、55%,和60%,.提高燃油喷射压力可以降低排放,但过高的燃油喷射压力会导致燃油消耗率升高,B25、B50和B100工况的最佳燃油喷射压力分别为140、160和175,MPa.提高喷油器流量可以缩短燃油喷射持续期和燃烧持续期,提高扩散燃烧速率,排放和有效热效率同时得到改善.     

氧体积分数对低十六烷值混合燃料燃烧特性影响

在一台转速为1 600,r/min、喷油量为21,mg/cyc的4缸增压直喷式柴油机上,进行不同进气氧体积分数对正丁醇/汽油/柴油混合燃料低温燃烧方式燃烧和排放性能影响的试验.结果表明:对于纯柴油和掺混30%,汽油、30%,正丁醇和15%,正丁醇+15%,汽油的混合燃料,降低进气氧体积分数,缸内压力和缸内平均温度迅速下降,放热率始点推迟,滞燃期延长,当量燃油消耗率增加,NO_x排放大幅降低,CO排放增加.在进气氧体积分数较高(大于19%,)时,碳烟(soot)排放变化较小,进一步降低进气氧体积分数,soot排放急剧增加.在相同的进气氧体积分数下,掺混30%,汽油、15%,正丁醇+15%,汽油和30%,正丁醇的混合燃料与纯柴油相比,放热率峰值依次升高,滞燃期依次延长,NO_x排放无明显变化,CO排放增加,而soot排放大幅度降低.     

添加EHN对宽馏分燃料燃烧和排放特性的影响

宽馏分燃料在中、高负荷能够明显降低柴油机碳烟(soot)排放,保持较高的热效率,但在低负荷存在燃烧稳定性差的问题.硝酸异辛酯(EHN)能够有效提高燃料的着火性.笔者提出向宽馏分燃料中添加EHN的方式来改善其着火性,并对比了3种添加比例下燃料的燃烧和排放特性.结果表明:向含有50%,(体积分数)汽油的宽馏分燃料(GD,50)中添加EHN能够提高燃料的十六烷值,缩短滞燃期,低负荷工况的循环变动率显著降低,燃烧稳定性得到改善.添加EHN后,GD,50燃料的总碳氢(THC)和CO排放显著降低,NOx有所升高,在供油量为11.4,mg/cyc和12.9,mg/cyc两个中等负荷工况下对碳烟排放的影响不大.添加EHN能够显著提高GD,50燃料的指示热效率.     

进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验

通过一台改装的单缸直喷式柴油机,在不同进气温度条件下实现汽油直喷压燃(GCI)燃烧方式的燃烧特性、工况范围以及排放特性的试验.结果表明:在进气温度为323 K时,汽油GCI燃烧方式即可实现稳定运转,燃烧表现为单阶段放热,整体放热集中,燃烧持续期短;在保持过量空气系数一定、发动机正常运转条件下,随着进气温度提高,着火时刻提前,最高爆发压力和峰值放热率均升高,指示热效率提高,HC和CO排放降低,NO排放升高;同一进气温度下,随着过量空气系数的增大,缸内混合气变稀,平均指示压力减小,指示热效率减小,CO排放先升高后降低,HC排放显著增大,NO排放减小;进气温度对汽油GCI燃烧方式正常工况范围影响很大,随着进气温度升高,负荷上限和下限均明显下降,表明进气温度是向小负荷范围拓展的重要边界条件.     

喷油定时对汽/柴油混合燃料燃烧影响的可视化研究

通过一台光学发动机,利用高速摄影技术,对纯柴油和汽油体积掺混比为60%汽/柴油混合燃料(G 60)在不同喷油定时下进行了燃烧特性试验.结果表明:G 0和G 60燃料均呈单峰放热规律;与纯柴油相比,G 60燃料最高燃烧压力pmax对喷油定时变化更为敏感.随着喷油定时提前,纯柴油和G 60燃料的滞燃期呈线性增大,着火时刻逐渐提前,着火点分布于视窗边沿,G 60燃烧图像中高亮火焰面积逐渐减少,柴油扩散燃烧比例降低,累计放热量为5%(CA 5)至累计放热量为50%(CA 50)对应燃烧持续期逐渐缩短.相对于柴油,G 60燃料滞燃期延长,着火时刻滞后,在稀燃状况下,CA 5至CA 50的燃烧持续期延长.     

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。     

喷射策略对GCI大负荷拓展影响的数值模拟

针对重型发动机汽油压燃(GCI)燃烧模式,采用计算流体动力学(CFD)模拟的方法开展了喷射策略对GCI大负荷拓展影响的研究.在气道喷射结合缸内单次喷射策略下,通过优化EGR率、进气压力、喷射压力和喷射正时等燃烧边界条件,当喷油量为110 mg/cyc时,相对未优化工况,可以将平均指示压力(IMEP)从1.868 MPa...     

汽油/柴油双燃料低温燃烧过程和排放的试验

在转速为1,900,r/min、平均指示压力为0.8,MPa的工况下,通过一台单缸高压共轨柴油机进行了不同参数对汽油/柴油双燃料低温燃烧过程影响的试验,结果表明:在给定的试验工况及边界条件下,通过调整汽油和柴油的混合比例、EGR率、柴油喷射压力及喷射正时,可以实现燃烧过程的控制和优化,发动机热效率显著提升,氮氧化物(NOx)和碳烟(soot)排放大幅降低.在汽油比例为90%,、EGR率为40%,的条件下,发动机热效率随柴油喷射压力的升高有所改善,HC排放呈降低趋势,soot排放则一直保持极低水平,但NOx排放升高.在此基础上进一步对柴油喷射正时进行了试验,结果表明:柴油喷射正时对该工况下的低温燃烧过程有明显影响,若柴油喷射靠近上止点,其燃烧过程受柴油传统扩散燃烧影响;若喷射正时过于提前,其燃烧过程受预混燃烧控制.通过优化第二次柴油喷射正时,发动机指示热效率达到了53.2%,.     

内部废气再循环对低负荷火花辅助汽油压燃影响试验研究

在一台装有电液可变气门的单缸发动机上研究了内部废气再循环（internal exhaust gas recirculation, iEGR）对火花辅助汽油压燃（spark-assisted gasoline compression ignition, SAGCI）的影响,并对SAGCI+iEGR、SAGCI（无iEGR）、汽油压燃（gasoline compression ignition, GCI）结合iEGR(GCI+iEGR)3种策略进行了对比。结果表明,随着iEGR率的升高,SAGCI策略自燃燃烧速度加快,稳定燃烧的喷油和点火区域变宽,CO和碳氢化合物总量（total hydrocarbon, THC）排放得到有效改善,但传热损失增加,热效率降低。比较SAGCI+iEGR、SAGCI、GCI+iEGR策略发现,三者均能将低负荷稳定燃烧的界限拓展至循环喷油量15 mg(0.15 MPa平均指示压力),其中SAGCI+iEGR策略能降低进气条件的限制,同时避免高iEGR率的后燃现象,在循环喷油量15 mg的负荷下有最高38.5%的指示热效率,并且排放效果能有效改善。为达到最高热效率...