基于双直喷策略的低负荷下活性控制压燃燃烧特性的数值研究

采用流体仿真软件CONVERGE开展了基于双直喷策略的低负荷工况下二代生物柴油/汽油活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧模式的数值模拟研究,对比了常规进气道喷射汽油RCCI和双直喷RCCI的燃烧特性,并探讨了双燃料喷射时刻对双直喷RCCI燃烧的影响。结果表明:相比常规进气道喷射汽油RCCI,双直喷RCCI能够有效控制缸内汽油混合气分布,改善不完全燃烧现象;随着汽油直喷时刻的推迟,分层燃烧减弱,燃烧持续期缩短,燃烧效率降低,热效率先减小再增大后又减小,NO_x排放减少而碳烟排放增加;随着二代生物柴油喷射时刻的推迟,分层燃烧加剧,燃烧持续期延长,燃烧效率升高,热效率先增大而后减小,NO_x排放增加而碳烟排放减少。     

柴油/天然气双燃料发动机柴油燃烧策略的研究

基于自主研发的第三代并行式柴油/天然气双燃料发动机电控系统,利用FIRE软件建立柴油/天然气双燃料发动机柴油喷射系统的多次喷射模型。同时,通过进气压力控制过量空气系数,实现柴油/天然气双燃料发动机稀薄燃烧方式。针对高负荷工况,研究了多次喷射策略和稀薄燃烧方式对双燃料发动机最大压力升高率及NOx排放的影响。结果表明:发动机工作在高负荷及柴油替代率为80%时,采用双燃料稀薄燃烧方式能使NOx排放降低,但最大压力升高率仍可能超过安全临界值1MPa/(°)。采用合适的预喷射量与预喷射时刻能降低最大压力升高率。通过多次喷射和稀薄燃烧方式相结合的燃烧策略对缸内燃烧方式进行组织,可以实现双燃料发动机高替代率燃烧,并使高负荷时NOx排放达到或者低于国Ⅴ标准限值。     

汽油/柴油双燃料发动机的低速高负荷扩展

在一台改造的单缸发动机上开展了进气道喷射汽油、缸内直喷柴油的双燃料燃烧模式的低速高负荷扩展研究.结果表明:汽油/柴油双燃料发动机高负荷工况需配合高比例废气再循环(EGR),当采用原机相同工况的进气压力时,由于进气量不足抑制了高EGR率的应用,导致高NO_x排放.通过提高进气压力,稳定燃烧对应的柴油喷油时刻范围变宽,汽油比例上限提高,降低了燃烧控制的难度.但由于汽油/柴油双燃料发动机的汽油高度预混合特性及直喷柴油引起的局部不均匀性,导致缸内最大压力升高率(MPRR)及碳烟排放偏高,限制了其向更高负荷的扩展.在提高进气压力的同时,通过提高汽油比例及EGR率,实现了在限定条件下向更高负荷的扩展及燃油消耗率的降低.相比于原柴油机,汽油/柴油双燃料发动机高负荷扩展的受限因素由进气增压前的高NO_x排放转变为增压后的高压力升高率.     

甲醇替代率对柴油/甲醇反应活性控制压燃发动机性能的影响

对某4缸高压共轨柴油机进气歧管进行改造,搭建了柴油/甲醇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,系统地研究了甲醇替代率对发动机经济性和污染物排放的影响规律.结果表明:最大转矩转速1600 r/min下,负荷率25％～50...     

氨–柴油双燃料发动机燃烧的光学诊断研究

为了解决氨燃料在发动机中燃烧不稳定的问题,通过开展氨–柴油双燃料发动机燃烧过程的光学诊断研究,以获得柴油引燃氨的燃烧及火焰发展特性,研究了不同氨替代率及不同柴油喷射时刻对氨–柴油双燃料缸内燃烧和火焰发展特性的影响。结果表明：随着氨替代率的增加,缸压和放热率峰值先增加后减小,燃烧相位不断后移,滞燃期和燃烧持续期延长,70%和80%氨替代率下放热率峰值相比40%氨替代率降低了41.7%和58.8%。随氨替代率增加,火焰光强和火焰面积均逐渐减小,氨替代率为80%时,火焰向燃烧室中心的扩散燃烧速度变慢,火焰面积峰值为612.5 mm²,占燃烧室总面积约19%,燃烧表现较差;随着柴油喷射时刻的不断推迟,缸压和放热率峰值先增加后减小,燃烧相位不断后移,燃烧持续期先减小后增加,火焰光强和火焰面积均先增加后减小。-25°喷射时刻缸压和放热率峰值分别为4.28 MPa和115.4 J/（°）,相比其他时刻具有较好的放热性能。与-20°喷射时刻相比火焰光强和火焰面积分别增加了15%和42.5%,此时燃烧室中心未燃区域最小,对氨有较好的引燃效果。     

汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

以一台柴油机为原型机,增加进气道汽油喷射系统,实现进气道预混喷射汽油缸内直接喷射柴油引燃的燃烧模式,对汽柴油双燃料发动机性能进行深入的研究。研究显示:汽柴油双燃料发动机缸内燃烧压力和放热率峰值随着汽柴油比例的升高逐渐降低,并且CA50依次推后;双燃料发动机燃油消耗率呈现先降低后升高的趋势,并且在汽柴油比例65%左右取得最低值;NOx排放和Soot排放随着汽柴油比例的升高呈现单调降低趋势,并且在汽柴油比例85%左右接近零排放。     

燃烧系统参数对增压中冷柴油-天然气双燃料发动机排放特性和经济性影响的实验研究

将一台6缸、增压中冷柴油机改装为混合器进气方式的柴油—天然气双燃料发动机，对其燃烧系统参数对双燃料发动机排放和经济性的影响进行了实验研究，包括引燃柴油喷油时刻、天然气替代率、中冷后进气温度的影响。双燃料发动机的排放与空燃比及燃烧系统参数密切相关。替代率增加时，排气烟度降低，HC排放升高，当量燃油消耗率升高，CO排放在替代率较小时随替代率增加而升高，但在替代率较高时随替代率增加而略有降低。替代率对NOx排放的影响则与发动机工况有关，在最大转矩和低速大负荷工况，空燃比值较小，NOx排放随替代率的升高而增大；在标定功率工况，空燃比较大，NOx排放随替代率的升高而减小。提前角减小，NOx排放降低。中冷后温度升高，碳烟排放和NOx排放升高，HC和CO排放降低，当量燃油消耗率降低。研究结果表明，采用增压中冷技术、提高CNG替代率、减小引燃柴油喷油提前角，能够有效地降低双燃料发动机的有害排放物。     

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%,.     

甲醇替代率对双燃料发动机燃烧及其循环变动的影响

为研究甲醇/柴油双燃料发动机甲醇替代率对燃烧及其循环变动的影响,通过在单缸柴油机上加装进气道甲醇喷射系统,进行了不同甲醇替代率的试验研究。研究表明,随着甲醇替代率增加,缸内着火时刻推迟,放热率双峰现象逐渐消失,放热率峰值、最高燃烧压力和最大压力升高率均增加。甲醇替代率对不同工况下指示热效率的影响不同,低速工况指示热效率随甲醇替代率的增加而降低,高速高负荷工况指示热效率随甲醇替代率的增加而略有增加。不同工况下的排放影响也存在明显差异,随甲醇替代率的增加,低速低负荷工况排放变化较小,而在高速高负荷下排放变化大。甲醇替代率对燃烧循环变动影响表明,低速低负荷循环变动随甲醇替代率增加而明显增加,当替代率增加至28.7%时,峰值压力的循环变动率增加2.5%,峰值压力对应曲轴转角分布也更加分散。     

柴油/天然气双燃料发动机控制系统设计

利用自主设计的双燃料发动机的控制系统,将高压共轨柴油机改装成双燃料发动机。该系统包括天然气供给系统、控制单元(ECU)及其配套传感器等。发动机起动和怠速时在纯柴油模式下运行,当负荷达到某一设定值时,柴油ECU减少引燃柴油的喷射,同时天然气ECU增加天然气量的喷射,发动机在双燃料模式下运行。台架试验结果表明:在不同工况下,天然气平均替代率达到75%,最高替代率达到90%。     

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.     

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。     

甲醇-柴油混合燃料对发动机燃烧及排放特性的影响

在一台YTR3105直喷式柴油机上进行了小比例甲醇-柴油混合燃料发动机的燃烧及排放特性试验研究。结果表明:在相同的平均有效压力和转速下,随着甲醇含量的增加,燃料着火延迟相应增大,使得燃烧过程向上止点后移动。混合燃料的滞燃期比柴油长,预混燃烧放热率峰值增大,燃烧持续期缩短,缸内最大爆发压力和压力升高率增加。与纯柴油相比,甲醇-柴油混合燃料HC排放有所升高,但NOx和碳烟排放降低。大负荷时,CO排放显著下降。     

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。     

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。     

F-T柴油对直喷式柴油机燃烧和排放的影响

在两种不同供油提前角下研究了燃用F-T柴油对直喷式柴油机燃烧和排放特性的影响,结果表明:发动机不做任何调整时,与0号柴油相比,燃用F-T柴油的滞燃期较短,预混燃烧放热峰值较低,扩散燃烧放热峰值较高,最高燃烧压力和最大压力升高率较低,燃油消耗率和热效率都得到了改善,HC、CO、NOx和碳烟排放同时降低。当供油提前角推迟3℃A时,燃用F-T柴油燃烧持续期明显缩短,预混燃烧放热峰值、最高燃烧压力和最大压力升高率进一步降低,扩散燃烧放热峰值略有升高,燃油消耗率变化不大,NOx排放进一步降低, HC、CO和碳烟略有增加,其中HC排放与原柴油机相当,而CO和碳烟仍远低于原柴油机。     

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。     

煤基混合燃料对柴油机燃烧与排放特性影响的研究

在一台高压共轨增压中冷柴油机上研究了煤基混合燃料(33%煤炭提取配方,67%-35#柴油)的燃烧与排放特性。结果表明:相比于燃用-35#柴油,燃用煤基混合燃料时柴油机的燃烧滞燃期基本不变,放热率峰值增大,低转速全负荷时最大缸内燃烧压力降低,而在高转速时变化不大;燃用煤基混合燃料时PM_(2.5)排放物质量浓度降低,全负荷工况下PM_(2.5)排放物质量浓度平均降低约15.2%,部分负荷工况下,低负荷时的改善效果最为明显,平均降低约56.3%;燃用煤基混合燃料时NO_x排放物体积分数略有增大。     

喷射参数对柴油机燃烧与排放特性的影响

在一台共轨柴油机上进行了喷射压力、喷射定时、后喷量及后/主间隔角等喷射参数影响作用的试验研究,利用FIRE软件数值模拟获取微观场变化信息,综合分析了喷射参数对缸内燃烧与有害排放物生成的影响机理及规律.结果表明,提高喷射压力和提前喷射定时有利于改善燃油经济性及碳烟排放,但在喷射压力较高(120～130,MPa),喷射定时提前到上止点前2°CA时,再提前喷射定时对碳烟的影响不大,而NOx的生成量显著增加,同时会引起燃烧粗暴.当后/主间隔角一定(15°CA),后喷量为1.5～2.0,mg时,烟度值达到最低,降幅为28%左右;后喷量为1.5,mg时,后/主间隔角在25,oCA附近,烟度达到最低,降幅达到20%.因此,引入后喷时需要选取适当的后/主间隔角和后喷油量,既要增强后喷燃油对缸内流场的扰动效果,使得更多的氧气进入主喷的燃烧产物区,加速碳烟的氧化又要避免进入高温缺氧区域内的后喷燃油量过多以及燃烧过于拖后等负面影响.