柴油机分段喷射及涡流匹配燃烧和排放特性

为探究柴油机分段喷射及涡流改善燃油经济性的潜力和机理,在单缸机上进行了有、无进气涡流时不同分段喷射策略的试验,5%,预喷比例、10°,CA间隔工况的燃油消耗率比单次喷射降低6.1,g/(k W·h),NO_x排放增加200×10~(-6)(体积分数);有、无涡流对比试验中,在过量空气系数为1.6时,加入涡流比为1.0的涡流,燃油消耗率仍降低2.0,g/(k W·h),NO_x排放增加120×10~(-6).内窥镜试验利用KL因子表征碳烟浓度,上止点后16°,CA,单次喷射工况KL因子为1.22,分段喷射工况KL因子为0.75,有涡流分段喷射工况KL因子为0.21.仿真分析表明,小预喷、短间隔分段喷射和适当进气涡流的加入,均使得主喷油束可以利用预喷产生的热氛围且不被其束缚,从而改善燃油经济性,降低缸内碳烟浓度.     

进气组分耦合预喷对柴油机燃烧过程影响模拟

通过高压共轨柴油机,基于正庚烷/甲苯/正己烯混合物简化动力学机理耦合三维CFD模型,模拟研究不同进气组分(O_2、H_2和CO_2)耦合策略对发动机燃烧过程的影响.研究表明:当预-主喷间隔为4°,CA时,相比单次喷射,预喷使主喷滞燃期明显缩短(尤其掺H_2时),瞬时放热率峰值与最大压力升高率(MPRR)均降低;但随预-主喷间隔增大,预喷对主喷燃烧影响减弱.进气掺O_2时,富氧氛围使燃油充分燃烧,预-主喷间隔对NO和碳烟(soot)影响均较小.进气掺H_2和CO_2时,预喷使乙炔(C2H,2)和多环芳香烃芘(A4)生成增多,导致soot排放较单次喷射显著升高(尤其掺CO_2).但随预-主喷间隔增大,soot因主喷滞燃期延长而逐渐降低;对于进气掺H_2,预喷油量为10%,时,随主喷定时推迟,MPRR降低,soot升高;当预喷量增至20%,时,预喷燃烧会引起大量H_2早燃放热,削弱主喷定时对主喷燃烧的影响,MPRR因燃烧重心前移仍较高.因而进气掺H_2,预喷比例不宜过高,且喷油定时应适当推迟.     

直喷式柴油机进气涡流比与喷油系统参数优化匹配的多维仿真研究

基于多维数值模拟方法,研究了直喷式柴油机进气涡流比与喷油系统参数之间的匹配关系,并分析了进气涡流对柴油机油束撞壁的影响。研究结果表明:对于较小口径比的柴油机燃烧室,进气涡流对燃油混合的促进作用主要发生在油束撞壁以后,并影响燃油蒸气在燃烧室壁面附近的轴向分布情况;为了获得理想的燃油蒸气空间分布,涡流比的匹配值应随着喷孔数的增加而逐渐减小;通过改变喷油器的油束夹角,可以改善燃油蒸气在燃烧室壁面处的轴向分布情况,改善发动机的燃烧效果。     

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.     

基于性能优化的小缸径二冲程低速船用柴油机喷油方式研究

针对小缸径二冲程高压共轨低速船用柴油机,在常用工况75%负荷下,通过台架性能试验和仿真计算研究了燃油标准喷射、预喷射和后喷射等喷射方式对整机燃油消耗和氮氧化物(NO_x)排放的影响。研究结果表明:相对于标准喷油方式,预喷加主喷的燃油喷射方式大幅提高了最高燃烧压力,最高燃烧压力增幅达9.3%,既降低了NO_x排放同时又获得良好的燃油经济性,NO_x排放降低了3.8%,燃油消耗率降低了0.4%。在性能试验的基础上建立仿真计算模型,通过模拟计算研究不同预喷开始角度对整机性能的影响,获得最佳的预喷开始角。     

燃料物性和喷油策略对船用柴油机性能和排放影响的模拟研究

采用多维数值模拟的方法系统研究了不同燃油性质和喷油策略对船用柴油机性能和排放的影响。研究结果表明:无论使用重油还是轻油,采用顺序喷射、预喷和后喷都能在降低燃油消耗率的同时降低NO_x排放;顺序喷射方案能在两个喷油器的喷射间隔为4°时达到最低的燃油消耗率;大比例预喷匹配合适的主预喷间隔容易获得较低的燃油消耗率,小比例预喷匹配合适的主预喷间隔容易获得较低的NO_x排放;后喷策略对燃油消耗率改善不明显,随着主后喷间隔增大或者后喷油量的增加,燃油消耗率均呈现增加的趋势。     

多次喷射策略对正戊醇-柴油混合燃料燃烧及有害排放影响的模拟研究

为了揭示含氧燃料与喷油策略耦合对发动机燃烧、性能和排放特性影响的机制,基于三维仿真软件CONVERGE,耦合化学反应动力学机理,研究了正戊醇—柴油混合燃料在不同喷射策略下燃烧与有害排放物的生成过程。结果表明,正戊醇促进了燃烧过程,燃用正戊醇—柴油混合燃料时,缸内最高燃烧压力和燃烧放热峰值增大,发动机平均指示压力（indicated mean effective pressure,IMEP）升高,CO、总碳氢化合物（total hydrocarbons,THC）和碳烟排放降低,但NOx排放升高。采用大比例预喷射策略可以促进主喷燃烧过程,提高缸内温度,增大IMEP,但导致CO及THC排放升高,而小预喷间隔会导致碳烟排放增加。后喷射策略导致发动机IMEP降低,但可以降低NOx排放。在小后喷间隔下碳烟排放显著降低,但在大后喷间隔下碳烟排放明显升高。研究表明,正戊醇柴油混合燃料采用大预喷间隔及小后喷间隔的3次喷油策略,能够获得最高的IMEP及最低的有害物排放。     

低温预混合燃烧模式的燃烧与排放特性试验研究

在一台电控高压共轨涡轮增压柴油机上研究了低温预混合燃烧模式对柴油机燃烧及排放的影响。采用早喷或晚喷预混方式,结合高废气再循环(EGR)率实现低温预混合燃烧,并研究了喷油正时、EGR、喷油压力和负荷率变化对预混燃烧模式的放热规律、排放特性和经济性的影响。研究结果表明:长的燃空预混合期是实现缸内预混燃烧的一个关键因素,中低负荷时,无论是早喷或晚喷预混模式,均具有长预混合期,短的扩散燃烧过程,兼具预混燃烧和低温燃烧的特征,高负荷下扩散燃烧比例增大;晚喷预混燃烧模式下,碳烟和氮氧化物(NO_x)排放同时获得降低,但低温燃烧和稀薄的混合气易导致燃烧不完全,喷油推迟较晚时引起HC和CO排放显著增加,并导致燃油消耗率增大;增加喷油压力可以同时改善碳烟、CO和HC排放,但是NOx排放增加,单纯提高喷射压力并不能获得性能的全面提高。     

某非道路国四EGR发动机燃烧开发试验研究

研究了非道路国四废气再循环(EGR)发动机燃烧开发试验中硬件选型方法,总结了EGR发动机燃烧开发过程中的一些规律：缸盖涡流比方面,针对高排放发动机,适当降低缸盖涡流比,在相同NO_x排放的条件下,可有效降低Soot比排放;喷油器参数方面,小孔径、小流量喷油器是EGR发动机喷油器选型的优化方向,但同时应考虑到喷油器孔径过小时的燃油适应性问题;增压器匹配方面,选择涡轮尺寸和涡轮箱流通能力相对较小的增压器方案,涡轮前排气压力较高,排气与进气的压差相对更大,使EGR系统更容易加入新鲜空气,有利于EGR发动机优化性能排放;喷油嘴伸出量方面,合适的喷油嘴伸出量可使油耗率和Soot比排放更低。同时提出了一种EGR发动机性能排放标定方法：高轨压+小主喷提前角+低EGR率,该标定策略可在降低NO_x比排放的基础上,有效降低Soot比排放。     

基于低温PCCI的DMC-柴油的燃烧与排放特性研究

在一台改造的高压共轨单缸柴油机上,以实现超低的NOx与颗粒(PM)排放和较高的热效率为目标,采用了高废气再循环(EGR)率、多段喷射和进气增压三者耦合来实现低温预混充量压燃(PCCI),分析碳酸二甲酯(DMC)-柴油混合燃料高预混比例低温燃烧的详细特征及排放性能。研究结果表明:随着放热中心(center of heat release,COHR)推迟,缸内燃烧压力和温度渐次降低,最高燃烧温度均出现在COHR之后7°曲轴转角附近。当COHR从曲轴转角7°逐渐增加到19°时,由两段预喷油束燃烧形成的微弱放热峰放热比例仅占3.5%~6.7%,预喷策略和较高的EGR率联合控制主喷油束的蒸发速率及主燃期的燃烧速率,实现预混燃烧放热比例由65.3%增至76.2%。采用燃烧闭环控制后,基于平均指示压力的循环变动系数能维持在2.0%以内。D10和柴油两种燃料的指示热效率在COHR处于曲轴转角10°附近时达最大值。在较大预混比例低温燃烧PCCI模式下,可同时实现超低的NOx和PM排放。DMC的含氧特性使NOx排放增加,但同时也促进了氧化燃烧的完全程度,显著降低HC、CO和PM排放。     

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.     

喷油控制参数对柴油机燃烧噪声影响的试验研究

就不同的喷油控制参数对电控共轨柴油机燃烧噪声的影响进行了研究,柴油机在标定工况运行,通过改变喷油提前角、预喷油量和预喷与主喷时间间隔等控制策略,测量了柴油机顶部1 m处的噪声声压和噪声频谱,探讨燃油系统调整参数对柴油机燃烧噪声的变化规律,结果表明,随着喷油提前角的减小,柴油机噪声先降低再增大,上止点前17°曲轴转角(CA)喷油,噪声声压级最小;合适的预喷油量可以减小柴油机燃烧噪声,预喷油量过大或者过小都不利于燃烧噪声的控制;预喷与主喷时间间隔对燃烧噪声存在影响,时间间隔较小,燃烧噪声较大;预喷与主喷时间间隔较大时,主喷滞燃期增大,缸内压力升高率峰值增大,燃烧噪声升高。     

CA6110／125ZLRA5高压共轨电控柴油机的开发研究

阐述了高压共轨燃油系统的结构与工作原理 ,对原样机进行了性能与排放试验。在对共轨样机的试验中 ,通过改变共轨压力、喷油定时、预喷间隙和预喷量以及发动机的进气涡流比等参数 ,找出了这些参数对柴油机性能和排放的影响规律 :降低涡流比可使柴油机的烟度、颗粒度及标定点的比油耗明显改善 ;提高轨压可明显改善柴油机的烟度和比油耗 ;增大提前角可使烟度降低。对两种柴油机均进行了负荷特性、速度特性、排放特性试验 ,共轨样机与原样机相比烟度、比油耗明显下降 ;随着负荷的增大NOX 也大幅度下降。研究结果表明 :共轨发动机的各排放指标均超过了欧Ⅱ排放标准。     

改预燃为直喷提高200型柴油机经济性的试验研究

本文着重介绍了把预燃室式燃烧系统换成直喷式燃烧系统提高200型柴油机经济性的试验结果。改换后使原机燃油耗率降低4.1～5.4%。简略分析了燃烧室形状、喷油系统、进气涡流之间的配合及燃烧室容积比V_K/V_C、燃烧室口径比d_K/D 对发动机性能的影响。     

小型直喷式柴油机的新燃烧概念(1)

本文提出的低温预混合燃烧概念为同时降低小型直喷式柴油机的ＮＯＸ及颗粒的排放量开辟了一条新途径。按照这种新概念，在进气空气流中引进燃烧废气以降低燃烧温度，并最大限度地推迟喷油定时以延长滞燃期，可实现低温预混合燃烧。这种预混合过程可避免进气空气流中氧浓度减小时，一般容易发生的排气黑烟增加的现象。油耗和未完全燃烧的ＨＣ增加的问题，可用增大进气涡流比、扩大活塞顶燃烧室直径、去掉燃烧室挤流唇的方法优化燃烧系统来解决。在典型试验条件下，在研究用单缸机上的试验，已证实采用这种新燃烧概念可同时降低ＮＯＸ和碳烟的排放量。     

非道路柴油机进气及喷油系统的虚拟优化匹配

采用三维计算流体力学(CFD)技术模拟了柴油机的进气、压缩、喷雾和燃烧过程,通过组合不同的进气涡流和喷油嘴方案找出各自对柴油机排放的影响,结果表明,降低进气涡流,提高流量系数;减小喷油器安装倾角,缩小喷孔孔径,推迟喷油提前角可以实现NO排放和SOOT排放的全面降低。此外,对2款单缸柴油机的喷油嘴互换性也进行了适当的分析。     

多段喷射对低速二冲程船舶柴油机燃烧与排放的影响

使用CONVERGE2.3对一台EX340EF-UA二冲程船机建立了三维模型,通过数值模拟研究了75%负荷工况时多段喷射对船机燃烧与排放的影响.模拟结果与实验数据有较好的吻合.模拟结果显示,顺序喷射使NO_x排放减少,燃油消耗率略有增加,碳烟排放随着顺序喷射间隔的增大而增大.小主预喷间隔匹配合适的预喷率易获得较低的NO_x排放,大主预喷间隔匹配合适的预喷率易获得较低的燃油消耗率.采取合适的主预喷间隔和预喷量可以实现NO_x排放和燃油消耗率的同时降低.     

二甲基醚燃烧过程及其优化的数学模拟研究（Ⅱ）

用作者建立的DME燃烧过程数学模型对DME燃烧过程优化进行了研究,研究了不同喷嘴,不同喷油提前角和进气涡流比对DME燃烧过程及NOx生成的影响,结果表明,供油提前角对DME燃烧过程的影响变化趋势与柴油类似,喷油提前角减小,NOx排放减小,通过增大喷孔流通截面积提高喷油速率和降低发动机的涡流比可以改善发动机的经济性能,但发动机的NOx排放将会有所增加,优化DME燃烧过程措施是燃烧经济性和NOx排放的折衷。     

多喷油器分段喷射对大缸径低速柴油机燃烧及排放的影响

针对大缸径低速二冲程船用柴油机,废气再循环(EGR)技术满足TierⅢ排放时造成的油耗恶化问题,采用三维数值模拟手段,研究了EGR氛围下多次喷射与燃油喷射角度对发动机油气混合、燃烧及排放的影响。结果表明,采用30%EGR率可满足TierⅢ排放标准;喷油角度直接决定缸内混合气形成过程,喷油角度过小会导致气缸中心油束重叠形成浓混合气区,缸内空气无法充分利用;喷油角过大会导致喷雾油束和火焰撞壁,缸壁散热损失增加;而适中的喷油角度(20°)有利于提升功率,降低油耗。在EGR氛围下通过协同优化多次喷射与喷油角度,采用30%EGR率结合10.0%预喷量,主预喷间隔为15°,喷油角20°,可使NO_x排放降低65.5%,油耗仅增加1.24%;采用三次喷射可进一步改善油耗与NO_x排放之间的折衷关系,但优化潜力有限。     

喷油策略对汽油压燃颗粒物排放特性的影响

在一台单缸柴油机上研究了喷油参数(预主喷间隔角、预喷比例、主喷时刻和喷油压力等)对汽油压燃(gasoline compression ignition,GCI)颗粒物排放特性的影响。研究结果表明:喷油策略对缸内油气混合及进一步对燃烧过程的影响是其影响颗粒物排放特性的主要因素。在设定的研究工况下,随预主喷间隔角增大,积聚态颗粒数量浓度下降,但核态颗粒数量浓度基本不变,颗粒物中的核态和超细颗粒比例明显升高;增大预喷比例,核态颗粒和积聚态颗粒数量浓度均大幅降低,颗粒物中的核态和超细颗粒比例变化较小;主喷时刻提前,颗粒物数量浓度下降,平均粒径减小,数量浓度峰值向小粒径方向偏移;提高喷油压力可有效降低积聚态颗粒数量浓度,缩小缸内生成颗粒物的粒径范围,但对核态颗粒的数量浓度影响较小。