EGR对GDI汽油机燃烧和排放特性的影响

通过改变EGR率,在一台GDI汽油机上进行了EGR对燃烧和排放特性影响的试验.结果表明:加入EGR后,燃烧持续期增大;且随EGR率增加,着火时刻先提前后延迟;放热率曲线峰值逐渐降低且后移,放热过程迟缓,缸内压力和缸内温度逐渐降低,压力峰值前移.此外,EGR率增加导致NOx排放逐渐降低,最高降低比例达80%以上,THC和CO排放逐渐增加,最大增加比例分别约为25%和7%.GDI汽油机排气颗粒物呈核态和积聚态的双峰分布;积聚态颗粒物峰值数密度随EGR率升高逐渐降低,核态颗粒物峰值数密度和颗粒物总数量浓度在加入EGR后均明显增加,核态和积聚态颗粒物峰值粒径受EGR的影响较小.     

多次点火对喷雾引导分层稀薄燃烧性能的影响

在一台喷油器中置的单缸直喷汽油机上,基于2,000,r/min、平均指示压力(IMEP)为0.3,MPa的工况,研究了多次点火技术对喷雾引导分层燃烧性能的影响.基于NI Com Pact RIO开发了一套单缸机控制系统,成功实现多次点火并应用于试验.结果表明:多次点火技术增加了点火次数和点火能量,改善了分层燃烧的稳定性.在相同的喷油开始时刻(SOI)为50°,CA BTDC时,多次点火的稳定点火窗口比单次点火增加了15°,CA.此外,多次点火能拓展分层燃烧的EGR率容忍度.随着EGR率的提高,分层燃烧相位推迟,燃油消耗率及排放可以得到优化.相比单次点火,在SOI为50°,CA BTDC、点火时刻(IGN)为40°,CA BTDC时,其EGR率上限可以从15%,拓展到22%,,指示燃油消耗率(ISFC)降低约3%,,NO_x排放降低约20%,;在EGR率同为15%,时,其THC排放降低约10%,,CO排放降低约8.3%,.     

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。     

EGR对生物柴油/异丁醇混合燃料燃烧与排放的影响

在一台四缸四冲程水冷高压共轨柴油机上研究了生物柴油/异丁醇混合燃料在不同EGR率下的燃烧及排放特性.试验结果表明:随EGR率的升高,缸内压力和放热率峰值降低,燃料滞燃期延长,燃烧持续期先缩短后延长,NO排放与核模态颗粒物数密度降低;当EGR率小于6%时,CO和HC污染物的排放都保持在较低水平.相较于生物柴油,燃用混合燃料降低CO污染物的排放;随异丁醇掺混比例的增加,缸内压力与放热率峰值逐渐升高,CO排放降低,但HC与NO的排放逐渐升高,核模态颗粒物数密度升高,积聚态颗粒物数密度和颗粒物质量浓度有不同程度的下降.     

喷油时刻及压力对直喷式汽油机低速早燃的影响

通过一台单缸增压直喷汽油机,对比了低速早燃和正常燃烧的循环特征、压力振荡强度和振荡频率,开展了不同喷油时刻和不同喷油压力对低速早燃频次及强度影响的试验.结果表明:低速早燃由于自燃时刻不同可以引发普通爆震和超级爆震,超级爆震发生时可能伴随有超声速的冲击波或爆轰波产生.推迟喷油时刻,低速早燃频次呈现先增加后降低的趋势.喷油时刻由300°,CA BTDC推迟到240°,CA BTDC时,低速早燃和超级爆震频次分别降低了96.0%,和88.2%,,超级爆震强度也显著降低.喷油压力从6,MPa提高到12,MPa会导致低速早燃频次增加,继续提高喷油压力,低速早燃和超级爆震频次均有所降低.喷油时刻及压力的改变会导致气缸壁机油稀释和碳烟颗粒物排放发生变化,因而推测上述两种物质均有可能导致低速早燃发生.     

汽油机颗粒物数量排放及粒径的分布特性

采用 DMS500快速颗粒取样分析仪对一台气道喷射国Ⅲ汽油机进行了颗粒物粒径分布特性的试验研究.结果表明,汽油机排气中颗粒物以核态为主,仅部分工况存在积聚态.怠速时呈现包括核态和积聚态的双峰分布;低转速时表现为核态的单峰分布;中等转速时粒径分布范围扩大,既存在核态颗粒物,也存在积聚态颗粒物.相同转速下,随负荷的增加核态颗粒物数密度峰值先降低后增加;相同负荷下,随转速的升高核态颗粒物数密度峰值和峰值粒径均降低,积聚态颗粒物数密度峰值有增加的趋势.催化器对核态颗粒物的净化效果较好,对积聚态颗粒物的净化效果较差,对低转速下的粒径分布有明显影响     

喷射参数对柴油机预混燃烧和排放的影响

采用试验和数值模拟方法研究了中、小负荷下,喷油模式和喷油定时对柴油机预混燃烧和排放的影响.结果表明:小负荷(平均指示压力约为0.45,MPa)、单次喷油模式及喷油定时为35°,CA BTDC时,油束的撞壁位置将形成的混合气分为燃烧室上方和活塞凹坑两部分,可充分利用整个气缸内的空气形成均质混合气,此时的NOx排放最低.平均指示压力(IMEP)约为0.7,MPa时,采用单次喷油模式,喷油量增多,喷油持续期延长,混合时间缩短,碳烟、CO和UHC排放急剧升高;在混合时间和混合空间的共同作用下,喷油定时为35°,CA BTDC时获得最佳折中排放.IMEP约为0.7,MPa时,与单次喷油模式相比,采用多次喷油模式,将喷油量分为4个脉冲喷入缸内,增加了每个脉冲的混合时间,并且改善了燃氧混合空间,形成更均质的混合气,大幅降低了碳烟、CO和UHC排放;喷射定时为80、65、50和35°,,CA BTDC时获得最佳排放.     

喷油策略耦合EGR对柴油机燃烧过程与CDPF再生性能的影响

以匹配了可变截面几何增压系统(VGT)的D19高压共轨柴油机为研究机型,采用GT-Power和AVL FIRE构建了一维热力学整机模型和催化型微粒捕集器(CDPF)三维仿真模型,针对3 000r/min、50%负荷工况,研究了喷油策略耦合废气再循环(EGR)对燃烧过程和CDPF再生性能的影响。研究表明:随主喷定时提前,有效燃油消耗率(BSFC)先降后升,排气温度降低,排气流量与氧浓度变化则较小,排气中一氧化氮(NO)增加,CDPF再生速率逐渐降低,颗粒物残余量、压降与CDPF出口端二氧化氮(NO_2)同时增加;随EGR率增大,BSFC和排气温度升高,排气流量、排气氧浓度、排气中NO浓度则同时降低。在主喷定时较晚时,随EGR率增大,CDPF再生速率先升后降,颗粒物残余量先降低后略升高;而在主喷定时较早时,随EGR率的增大,CDPF再生速率降低,颗粒物残余量增多。在主喷定时较晚时,提高喷油压力使BSFC和排气温度明显降低;而在主喷定时较早时,提高喷油压力导致BSFC反而快速增加。此外,随喷油压力提高,排气流量与氧浓度变化较小,排气中NO浓度增加,CDPF再生速率逐渐减小,颗粒物残余量、压降和CDPF出口端NO_2排放同时升高。总体上,相比喷油压力,主喷定时对CDPF再生过程影响更大。     

压燃式发动机燃用汽油/柴油混合燃料瞬变工况下燃烧及微粒排放特性分析

针对压燃式发动机燃用汽油/柴油混合燃料稳态及瞬态工况下的燃烧及微粒排放粒度分布特征进行了试验研究,分析了汽油掺入比例及EGR对发动机稳态及不同瞬变率的恒转速增转矩瞬变工况超细微粒数量排放的影响规律.结果表明:在大负荷工况下采用高汽油掺入比例的汽油/柴油混合燃料能够在不引起NOx显著增加的前提下进一步降低排气烟度,有助于拓展预混合燃烧过程负荷工况范围;但较高汽油掺入比例易导致油气过度混合,对HC及CO排放有不利影响,尤其会导致小负荷工况下CO排放显著增加.综合考虑不同负荷工况下运行情况,认为汽油掺入比例在40%,~50%,左右较为适宜.燃用汽油/柴油混合燃料时排气颗粒物更趋于细化,其微粒几何平均粒径较柴油明显降低.瞬变工况增负荷过程中,各模态微粒数量浓度均有所升高,随汽油掺入比例增大积聚态微粒数量增加程度变缓,当汽油掺入比例达到50%,时,在高瞬变率工况时积聚态微粒数量无明显增加.高比例EGR条件下,瞬变过程中积聚态微粒数量浓度在增负荷初期便急剧增加,燃用汽油/柴油混合燃料有利于缓解瞬态工况积聚态微粒数量急剧增加的程度.     

基于PLS的喷油参数对共轨柴油机颗粒物排放特性影响研究

基于偏最小二乘法(partial least-squares regression,PLS)对影响高压共轨柴油机颗粒物排放特性的多次喷油参数进行了回归分析,研究了轨压、主喷正时和预(后)喷间隔、预(后)喷油量各喷油参数对柴油机颗粒物数量浓度、核态颗粒物数量浓度比例和颗粒物粒径分布形态等颗粒物排放特性的影响力度、影响方式和解释能力。研究结果表明:主喷正时、轨压、预(后)喷油量、预(后)喷油间隔均会对共轨柴油机的颗粒物排放特性产生不同显著水平的影响。主喷正时提前能够降低颗粒物数量浓度,低转速时主喷正时提前会提高核态颗粒物比例,中高转速反之;提高轨压会使得颗粒物数量下降,核态颗粒物数量比例上升;提高预喷、后喷油量会导致颗粒物数量浓度上升,核态颗粒物数量比例下降。各喷油参数使得核态颗粒物的比例上升在颗粒物粒径分布图中的表现为小粒径峰值与大粒径峰值之间的差变小,分布曲线由双峰分布更趋向于单峰分布。     

废气再循环对柴油机氮氧化物和颗粒排放影响的试验研究

废气再循环(EGR)、进气压力和喷油压力是影响柴油机低温燃烧的重要参数,主要研究了EGR对氮氧化物和颗粒排放的影响.结果表明,在一定工况条件下,随EGR率变大,NO所占体积分数呈先降低后升高的趋势,而NO2和N2O则呈先升高后降低的趋势.N2O所占比例较小,峰值在1%左右.NO谷值与NO2峰值对应相同的EGR率.随进气压力变大,NO2所占比例峰值也变大,对应的EGR率也增加,进气压力为0.24,MPa时,NO2最大比例已接近60%.随EGR率增加,Soot排放快速升高时,颗粒发生积聚,颗粒数密度降低,但粒径变大.提高喷油压力可以降低颗粒排放,但在不同EGR率下,其降低颗粒的机理不同.     

GDI发动机燃用甲醇及甲醇/汽油混合燃料的微粒排放特性研究

在缸内直喷汽油机上进行了燃用纯甲醇和甲醇/汽油混合燃料的微粒排放特性研究,分析了点火定时、喷油定时和过量空气系数对微粒排放的影响规律。试验结果表明:在选定的发动机典型常用运行工况下,燃用纯甲醇燃料(M100)时,缸内直喷汽油机几乎不产生微粒排放;燃用甲醇/汽油混合燃料时(M20或M25),排气微粒数浓度主要集中在核态微粒区域,微粒质量浓度主要集中在积聚态微粒区域,其中M25燃料的微粒排放性要优于M20燃料;随着点火定时的提前,排气微粒数浓度和质量浓度均有所升高;随着喷油定时的提前,排气微粒数浓度降低,微粒质量浓度升高。     

喷油时刻和DMF掺混对柴油机PM排放特性影响

基于一台电控高压共轨柴油机,研究了不同喷油时刻2,5-二甲基呋喃(DMF)掺混比例(质量分数分别为0、10%,和30%,)对柴油机排放颗粒物(PM)的尺寸分布、平均直径、数量浓度和质量浓度的影响.结果表明:在试验工况下,无论掺混与否,发动机PM排放均以核模态颗粒(粒径为5~50,nm)为主,其尺寸分布呈现明显的双峰结构.燃用纯柴油时,推迟喷油时刻,核模态颗粒数量先增加后减少,聚集态颗粒(粒径为50~1,000,nm)数量的变化规律不明显,PM的总数量、总质量与核模态颗粒数量变化趋势一致,PM的几何平均直径(GMD)先增加后减小;DMF掺混可以降低聚集态颗粒数量、GMD和总质量,但却增加了核模态颗粒数量和总颗粒数量.综合考虑发动机燃油经济性和PM排放性能,30%,DMF掺混比例和-10.0°,CA ATDC喷油时刻为试验工况下的最佳方案.     

基于试验拟合的低速二冲程柴油机放热率经验模型研究

针对某Tier Ⅲ船用低速二冲程柴油机,开展了负荷、EGR率及喷油参数对放热率及其特征参数的影响研究。研究表明:负荷和轨压是影响燃烧始点的主要因素,负荷、轨压升高使燃烧始点提前;轨压升高及喷油正时提前使CA50提前,指示热效率升高;小EGR率对燃烧过程影响不大,EGR率高于26%后会显著推迟CA50,增大燃烧持续期,降低指示热效率。基于实测放热率对三韦伯函数参数进行了研究,获得了多因素对经验放热模型的作用规律,得到了适用于低速机的经验放热率模型。     

利用PLIEF技术研究超高压燃油喷雾雾化和混合过程

采用复合激光诱导荧光(PLIEF)技术,对燃烧室内自由发展阶段超高压喷雾的贯穿距离、锥角及气液相浓度分布情况进行了研究.实验中喷油压力从160 MPa升高到220 MPa,环境气体密度由3.7 kg/m3变化到7.4 kg/m3.研究发现,随着喷油压力升高,气相喷雾不均匀度在喷油定时T=42°CA RTDC时减小了36.7%,而在喷油定时T=-6°CA BTDC时仅减小28.4%.同时,气、液相喷雾锥角显著增大,贯穿距离小幅度减小.根据实验数据,提出了一个喷雾贯穿距离修正公式.研究还发现,当L/d0≥90时,喷雾已得到充分发展,比传统压力研究结果小很多.     

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.     

喷氢时刻对缸内直喷掺氢汽油机燃烧及排放的影响

在汽油机中掺烧少量氢气,能够利用氢气点火能量低、火焰传播速度快的优势提高混合气的燃烧速度,降低CO和HC排放.而缸内直喷氢气可以通过调整喷氢时刻,使氢气富集在火花塞附近,引燃混合气,实现稀薄混合气的快速燃烧,进而提高混合气的做功能力.在1,800,r/min、过量空气系数为1.5的稀燃工况下,选取了75、90、105、120和135°,CA BTDC 5种喷氢时刻,研究了喷氢时刻对缸内直喷掺氢汽油机燃烧及排放的影响.结果表明:掺烧10%能量分数的氢气时,在105°,CA BTDC下氢气富集作用最好、动力性最强,缸压峰值最多提高16.2%,,热效率最多提高2.1%,,但NO_x平均升高17.3%,;在120°,CA BTDC和135°,CA BTDC下氢气扩散使得混合气均匀程度提高,HC和CO排放均处于最低水平,分别最多降低38.5%,和44.4%,.     

EGR和稀燃对GDI发动机性能和排放特性的影响

稀燃和废气再循环(EGR)技术由于可以改善汽油直喷(GDI)发动机的燃油经济性而成为内燃机重要发展方向之一.通过GDI发动机台架试验,研究了EGR稀释、过量空气稀释(稀燃)和两种技术复合作用对发动机性能和排放的影响.结果表明:稀释率相当的条件下,化学计量比混合气下的EGR对燃烧持续期(CA0-10、CA10-50)和循环变动率(COV)的影响比过量空气稀释更显著,过量空气稀释时发动机的热效率明显高于EGR稀释时的热效率,过量空气稀释率为21.9%时,热效率升高6.3%.EGR稀释时,部分新鲜充量被非反应气体代替,导致氧体积分数明显降低.EGR与过量空气复合稀释时,热效率与过量空气稀释条件下的热效率接近,NO_x排放大幅降低,颗粒物数量(PN)排放与过量空气稀释单独作用时相当,颗粒物表面积浓度排放较低,颗粒物粒径小于EGR稀释和过量空气单独稀释时的粒径.     

不同辛烷值燃料浓度分层燃烧和排放特性

在一台改造的单缸柴油机上,采用气道喷射结合缸内直喷构建不同程度的混合气浓度分层,分别燃用低辛烷值PRF30和高辛烷值PRF70两种基础燃料,调节预混合率Rp,即气道喷油量占循环总油量比例为0、30%,、50%,、70%,和100%,,在EGR率为0和45%,、直喷时刻为-4°、-8°、-12°和-16°,CA下开展台架试验.结果表明:减小Rp或推迟缸内直喷时刻,高辛烷值PRF70燃料着火时刻推迟,预混放热峰值均高于扩散燃烧放热峰值;低辛烷值PRF30燃料在高预混率下,着火时刻受缸内直喷时刻的影响较小,Rp降至50%,后,扩散燃烧占主导,其放热峰值高于预混放热峰值;减小Rp能够显著降低最大压力升高率,但造成NOx排放升高;引入EGR可降低由浓度分层导致的较高NOx排放,同时增加指示热效率;避开中等预混合率(Rp=50%,)可实现更低的THC和CO排放.     

废气再循环方式对汽油机燃烧和颗粒排放特性的影响

研究了不同废气再循环(EGR)方式下,汽油机的燃烧与颗粒排放特性.结果表明,由进气道引入废气的分层废气再循环(分层EGR)方式与由节气门前引入废气再循环(总管EGR)方式相比,汽油机稳定燃烧的EGR率范围大,而且前者比后者的汽油机指示热效率高.在相同负荷下,分层EGR方式下汽油机连续循环中各个循环的指示平均有效压力比总管EGR方式下的更加集中,前者的燃烧更稳定.两种EGR方式下汽油机排气中单位体积内的核态颗粒物和表面积数随着EGR率的增加而降低,而且在相同EGR率下,分层EGR方式下的值比总管EGR下的值高.单位体积内积聚态颗粒物数和总表面积随着EGR率的增加,先减少后增加,但在相同EGR率下,分层EGR方式下的值要比总管EGR下的值低.