两次喷射对正丁醇部分预混燃烧影响的试验研究

在一台改造的单缸柴油机上进行了预主喷两次喷射策略对正丁醇部分预混燃烧影响的试验研究。研究结果表明:正丁醇燃料实现部分预混燃烧相对汽油燃料对喷射时刻较敏感,最大压力升高率高,稳定运行范围窄,但未燃碳氢、氮氧化物和碳烟排放较低;预主喷两次喷射能有效降低正丁醇部分预混燃烧最大压力升高率,随着预主喷间隔的增大,最大压力升高率先快速降低后上升,预喷射比例越大,获得最低压力升高率对应的预主喷间隔越大;通过优化预主喷两次喷射策略,能显著改善正丁醇部分预混燃烧可控性差、最大压力升高率高的问题,从而有利于实现更大工况范围内的高效燃烧。     

喷射参数对二甲醚PPCCI发动机燃烧与排放特性的影响

在一台6缸增压电控共轨二甲醚发动机上进行试验,研究了预喷时刻、预喷燃料量、喷射压力、主喷时刻等喷射参数对二甲醚部分预混合充量压缩燃烧(PPCCI)发动机燃烧与排放特性的影响。试验结果表明:随预喷时刻提前,缸内压力峰值降低,二甲醚发动机缸内燃烧由两阶段放热转变为PPCCI三阶段放热,氮氧化物(NOx)排放显著降低,HC和CO排放升高;随预喷射燃料量增加,缸内压力峰值及预混合燃烧的冷焰反应和热焰反应速率明显增大,NOx排放逐渐降低,HC和CO排放显著升高;随喷射压力降低,预混合燃烧热焰反应速率增加,主喷扩散燃烧始点推迟,扩散燃烧放热率峰值和NOx排放明显降低,HC和CO排放升高;随主喷时刻推迟,预喷预混合燃烧几乎没有变化,主喷扩散燃烧延后,缸内压力峰值和放热率峰值降低,NOx排放显著降低,HC和CO排放升高。     

预喷射对增压柴油机高负荷燃烧和排放的影响

应用CFD模拟软件FIRE针对车用增压柴油机在高负荷工况下采用预喷射策略的缸内工作过程进行了数值计算,并分析了预喷射量和预/主间隔角对燃烧过程和排放的影响.研究结果表明,随预/主间隔角和预喷射量的增加燃烧始点提前,主喷燃油的燃烧速率加快,燃烧重心和终点提前,致使缸压峰值、放热率峰值和温度峰值均有所升高和前移;同时,对于NOx和碳烟,预喷射量和预/主喷射间隔角存在两个界限,在两个界限之内能获得较好的NOx和碳烟的折中关系,并且这两个界限与预喷射量和预/主喷射间隔角存在着一定的关系,当预喷射量和间隔角较小时碳烟生成量较高,而预喷射量和间隔角过大时NOx生成量急剧增加.     

喷油策略对汽油压燃燃烧及碳烟生成过程影响的数值模拟研究

基于三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE,耦合甲苯掺比燃料(toluene reference fuel,TRF)简化动力学机理及多步现象学碳烟模型,建立汽油压燃(GCI)的数值模拟模型。通过改变气道喷射比例、主喷时刻和预主喷间隔研究了高负荷条件下气道喷射结合缸内直喷的喷油策略对GCI燃烧及碳烟生成过程的影响。研究结果表明,增加气道喷射比例、提前主喷时刻和增大预主喷间隔都能够缩短燃烧持续期,使放热更为集中,从而降低碳烟排放;改变气道喷射比例对碳烟成核及表面生长有较大的影响,主喷时刻提前能够提高氧化速率。当气道喷射比例为40%,主喷时刻为-8°,预主喷间隔为15°时,碳烟排放为0.015 1g/(kW·h),相比试验基准工况降低了33.8%,而最大压升率也控制在可接受的范围内。     

汽油/柴油双燃料不同燃烧模式能量平衡分析研究

基于热力学第一定律,利用试验研究和工作过程模拟方法对汽油/柴油双燃料高比例预混合燃烧(highly premixed charge combustion mode,HPCC)和混合燃料低温燃烧(low temperature combustion,LTC)模式进行了能量平衡分析研究。HPCC燃烧模式中包括柴油早喷E-HPCC和柴油晚喷L-HPCC两种方式。研究结果表明:在相同的主放热时刻(CA50)条件下,LTC燃烧模式放热率峰值最高,燃烧持续期最短,导致缸内温度最高,传热损失最大;L-HPCC燃烧模式燃烧持续期最长,废气带走的热损失最多;由于采用汽油进气道喷射,两种汽油/柴油双燃料HPCC模式的不完全燃烧损失均远高于LTC模式,但总体上三种燃烧模式的指示热效率基本相当。随着EGR率的增加,LTC模式的传热损失上升,废热损失下降,L-HPCC模式则恰好相反,而对E-HPCC模式影响较小。随着汽油比例的升高,三种燃烧模式均表现为传热损失增大,废热损失下降,燃烧损失下降,但对指示热效率影响较小。     

汽油/柴油双燃料不同HPCC燃烧模式的数值模拟

针对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)模式,在总喷油量、主放热时刻(CA50)基本相当的条件下,对柴油早喷(E-HPCC)与柴油晚喷(L-HPCC)情况下的燃烧特性和排放特性进行了数值模拟研究.结果表明,HPCC着火和燃烧过程主要受缸内活性自由基控制,较晚喷射会导致缸内局部正庚烷浓度高、活性较大,造成高温放热提前;较早喷射正庚烷会抑制低温放热,从而增加着火时刻缸内活性自由基的数量,是放热率较高、最大压升率较大的主要原因.L-HPCC模式下,高温放热时刻缸内局部正庚烷浓度较大造成了缸内局部温度较高,促进了NOx生成,相对E-HPCC模式NOx排放较高;虽然L-HPCC局部浓度较高会促进碳烟的生成,但同时较高的燃烧温度加强了碳烟的氧化,因此L-HPCC模式的碳烟排放低于E-HPCC模式.     

基于汽油/柴油双阶段燃烧模式对低温阶段燃烧及排放性能的影响

在一台高压共轨柴油机进气总管上加装汽油喷射系统,汽油采用进气道喷射形成预混合气,柴油采用缸内大角度预喷并引燃汽油.试验以降低NOx排放和消光烟度为主要目标,探究汽油/柴油双阶段燃烧模式的汽油喷射量、柴油预喷正时、柴油预喷量对低温阶段燃烧及排放特性的影响,并通过对燃烧、排放及经济性综合考量构建喷油参数优化策略.结果表明:引入汽油后的燃烧过程呈现两阶段放热,实现了柴油着火时刻可控;增加汽油喷射量可以有效强化缸内油气混合,使主放热率峰值升高,有助于燃烧完全;该燃烧模式的低温阶段避免了传统柴油机NOx和消光烟度出现的折中关系,消光烟度处于低水平范围,均低于3%,;适度提前柴油预喷正时或减少柴油预喷量能同时降低NOx排放和消光烟度,但CO和HC会出现一定程度恶化.     

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。     

乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究

研究了气口预喷射乙醇、缸内直喷生物柴油双燃料系统的燃烧特性和排放特性.研究表明,随着乙醇预混合比的增加着火时刻推迟,峰值放热率增加.在较小的总当量比下,峰值放热率增加幅度不大,最大气缸压力和最高温度降低,放热结束时刻差别较小.在较大的当量比下,燃烧持续时间拉长;但随着乙醇比例的增加峰值放热率增加很快,放热结束时刻显著提前,最大压力升高率在预混合比例为20%～40%的某点达到极值,此时热效率最高.乙醇的加入使得HC和CO排放明显增加,但是却使得Nox和碳烟排放同时大幅度下降.在1 800 r/min的各种负荷下,Nox和碳烟排放相对纯生物柴油降低35%～85%.     

汽油/柴油双燃料高比例预混压燃燃烧与排放的试验

对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)模式的燃烧及排放特性进行了初步的试验研究.结果表明,通过改变柴油的喷射时刻、汽油比例,HPCC呈现出由多种燃烧模式组成的复合燃烧模式,可以实现极低的NOx和碳烟排放,并能保持较高的热效率.试验工况下,汽油比例为50%时,柴油喷油时刻在-58～-6,°CA ATDC时热效率较高,喷油时刻在-49,°CA ATDC和-16,°CA ATDC时分别出现碳烟和NOx排放峰值.进气压力影响HPCC着火滞燃期、燃烧反应速度和"失火"与"爆震"燃烧汽油比例限值,提高进气压力可以提高汽油比例,实现超低的NOx和碳烟排放,并降低HC排放,但CO排放有所升高.随着汽油比例的增加,NOx与碳烟排放降低,对于IMEP为0.5,MPa、汽油比例大于50%时,两者的原始排放分别低于0.4,g/(kW.h)、0.06,FSN,但HC和CO排放升高.     

燃烧参数对汽油/柴油双燃料HPCC性能和排放影响的试验

在一台改造的单缸柴油机上,转速为1,500,r/min、平均指标压力为0.9,MPa工况进行了不同参数对汽油/柴油双燃料高比例预混合低温燃烧(HPCC)方式燃烧和排放性能影响的试验研究.结果表明,调整EGR率和汽油比例可实现HPCC燃烧过程优化,在保持发动机高燃油经济性的前提下使NOx和碳烟(Soot)排放大幅降低;进气压力对Soot的影响不明显,但进气压力过低将限制汽油比例的提高,NOx排放偏高,进气压力过高使燃烧效率和热效率降低;提高柴油喷油压力,滞燃期延长,最大压升率及最大爆发压力降低;提高喷油压力可同时降低NOx和Soot排放,但喷油压力对燃烧效率、指示油耗、HC和CO排放影响不大.在HPCC燃烧中,通过优化EGR率、汽油比例、进气压力和柴油喷油压力,在不使用后处理器的前提下可使NOx和Soot排放分别低于0.4,g/(kW.h)和0.003,g/(kW.h),并保持较高的热效率,但HC和CO排放偏高,需要采用有较高转换效率的氧化后处理器加以解决.     

预喷正时对柴油机燃烧与排放影响的试验研究

通过台架试验,分析对比柴油机各参数随预喷正时的变化,研究多次喷射预喷正时对柴油机燃烧和排放性能的影响。试验表明,预喷正时决定缸内燃烧的放热始点和放热率,影响缸内的燃烧温度、爆发压力、NOx排放和碳烟的生成,预喷正时为20°时,爆发压力最大;预喷正时为35°时,热效率最高,油耗率和烟度最低;预喷正时为45°时,NOx排放最小。综合分析选择预喷正时40°作为折中优化方案,降低发动机油耗和NOx、碳烟排放,同时提高发动机的热效率。     

柴油/汽油反应活性控制压燃发动机喷油协调控制与排放特性研究

对某4缸高压共轨柴油机进气道进行改造,搭建了柴油/汽油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,设计了柴油/汽油双燃料RCCI燃烧汽油喷射控制策略,实现了全工况下汽油与柴油的协调喷射控制,系统地研究了不同运行工况下,不同汽油替代率对柴油机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:采用柴油/汽油双燃料RCCI燃烧控制策略,发动机可在其运行工况范围内实现高效清洁燃烧,随着汽油替代率的增加,发动机缸内最高压力逐渐增大,缸压峰值出现时刻推迟,放热率峰值降低,燃烧持续期延长,燃油消耗率降低,有效热效率升高,全碳氢、CO排放增加,NO_x和碳烟排放降低。     

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。     

冷、热EGR对柴油机性能、燃烧及排放特性的影响

为在保持柴油机动力性和经济性能的同时有效改善其排放性能,在一台4缸柴油机上针对6、12、24mg循环喷油量的负荷工况(记作低、中、高负荷)对比研究了冷、热废气再循环(EGR)对性能、燃烧及排放特性的影响。结果表明:EGR的引入减少了新鲜进气量,整体上延长了滞燃期,减缓了燃烧放热速率,降低了压力升高率;热EGR提高了进气温度,使低负荷时的碳氢化合物(HC)排放显著降低,热效率提高,而高负荷高EGR率时由于过量空气系数偏低引起了热效率的明显降低,对最大压力升高率的降低作用也弱于冷EGR;随着EGR率的提高,三种负荷下的氮氧化物(NO_x)排放均大幅度降低,碳烟排放在低、中负荷时较低,而在高负荷时则明显升高,NO_x与碳烟排放之间出现此消彼长的矛盾趋势。冷的高EGR率下的碳烟排放升高幅度减小,有效地缓解了这种矛盾。综合分析低、中、高负荷下的热效率及排放,低负荷时为提高热效率宜采用热EGR,高负荷时为降低过高的压力升高率并兼顾热效率则更适合采用冷EGR。     

柴油喷射压力对柴油/甲醇二元燃料发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台增压中冷电控共轨柴油机上,研究了柴油喷射压力对柴油/甲醇二元燃料(DMDF)燃烧和排放特性的影响。研究表明:柴油喷射压力较低时,DMDF模式压缩冲程的缸压要低于纯柴油模式,降幅随着甲醇替代率的增大而增大;而柴油喷射压力较高时,降幅较小,甲醇替代率为20%时的最大缸压要略高于纯柴油模式,且对应的最大放热率明显高于纯柴油模式和甲醇替代率为40%时。DMDF模式的NO_x排放量随着甲醇替代率的增加而降低,相同替代率时随着柴油喷射压力的增加而增加。CO和总碳氢(THC)排放量随柴油喷射压力的增加略有降低,随替代率的增加几乎线性增加。在低柴油喷射压力下,DMDF模式可以明显降低烟度,且排放量随着替代率的增加而减小,最多可减少约35%的碳烟排放。其他柴油喷射压力时,烟度随着甲醇替代率的增加而基本保持不变。     

柴油机预混合燃烧循环变动特性研究

在发动机台架进行了直喷式柴油机预混合燃烧中低负荷循环变动的试验研究。分析了EGR、喷油始点和喷油压力对预混合燃烧循环变动的影响。研究结果表明:预混合燃烧的燃烧持续期短,放热迅速,最大压力升高率较大,增大EGR和推迟喷油降低了最高燃烧压力和最大压力升高率,最大压力升高率的循环变动系数随EGR增大而增大,随喷油推迟而减小。燃烧发展期与最高燃烧压力、最大压力升高率、最大放热率、燃烧持续期和燃烧重心等参数具有很强的相关性。燃烧循环变动小的点与排放较好的点参数相吻合。利用空燃比很好地反映了EGR、喷油率始点等参数对燃烧循环变动系数的影响。平均指示压力的循环变动系数在正常情况均小于10%。并提出了减小循环变动进一步降低排放可能采取的措施。     

Effect of hydrogen addition to intake gas on combustion and exhaust emission characteristics of a diesel engine

The present study experimentally investigated the performance and emission characteristics of the diesel engine with hydrogen added to the intake air at late diesel-fuel injection timings. The diesel-fuel injection timing and the hydrogen fraction in the intake mixture were varied while the available heat produced by diesel-fuel and hydrogen per second of diesel fuel and hydrogen was kept constant at a certain value. NO showed minimum at specific hydrogen fraction. The maximum rate of incylinder pressure rise also showed minimum at 10 vol. % hydrogen fraction. However, it is desirable to set the maximum rate of incylinder pressure rise less than 0.5 MPa/deg. to realize low level of combustion noise and NO emission. We attempt to reduce further NO and smoke emissions by EGR. As the result, in the case of the diesel-fuel injection timing of −2 °. ATDC with 3.9 vol. % hydrogen addition, the smoke emission value was 0%, NO emission was low, the cyclic variation was low, and the maximum rate of incylinder pressure rise was acceptable under a nearly stoichiometric condition without sacrificing indicated thermal efficiency.