燃烧系统参数对商用车发动机燃烧和排放特性的影响研究

为改善商用车发动机性能,采用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟、正交设计等方法,针对某商用车的燃烧室结构参数设计了4种新方案,并选取油束夹角、喷雾锥角、主喷正时等3个喷油参数开展多因素影响研究。结果表明：燃烧室形状曲线向内收缩且最大半径增大的方案1燃烧室可提升缸内湍流特性,改善燃油浓度分布,使燃烧速度加快,油气混合更好,为最优方案。在喷油参数研究方案中,以碳烟（soot）排放为优化指标时,油束夹角对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角147°、喷雾锥角15°、主喷正时-1°,其缸内碳烟排放较原机下降13.91%,且NO_x排放减少13.98%;以氮氧化物（nitrogen oxides, NO_x）排放为优化指标时,主喷正时对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角160°、喷雾锥角25°、主喷正时-1°,其缸内NO_x排放较原机降低37.79%。     

正丁醚/柴油混合燃料在单缸柴油机中的燃烧与排放特性研究

基于一台单缸压燃式发动机,研究了正丁醚（di-n-butyl ether, DnBE）/柴油混合燃料的燃烧与排放特性,并与纯柴油的试验结果进行了对比。分别采用平均指示有效压力（indicated mean effective pressure, IMEP）即发动机负荷0.55 MPa、0.65 MPa、0.75 MPa,废气再循环（exhaust gas recirculation, EGR）率0%、15%、30%,喷油正时上止点后-15°、-10°、-5°、0°及正丁醚掺混体积比20%、40%,综合评估了正丁醚/柴油混合燃料在不同发动机运行工况下的特性。台架试验结果表明：相比于纯柴油,正丁醚的添加使得缸内压力上升相位及放热开始时刻提前,并且在30% EGR率工况下更加明显。在所有测试工况下,正丁醚/柴油混合燃料的预混燃烧比例均小于纯柴油,且第一阶段放热率峰值更低。由于十六烷值的差异,40%正丁醚/柴油混合燃料的着火延迟时间与燃烧持续期更短且燃烧重心更早,表明其具有更快的燃烧速率。试验发现大比例正丁醚/柴油混合燃料的燃烧等容度更高,指示热效率高于纯柴油。此外,添加正丁醚后尾气中的NO_x与碳烟排放都会降低,而提高EGR率或推迟喷油均能有效减少NO_x的生成。综合而言,添加正丁醚可以有效缓解柴油机中NO_x排放、碳烟排放与指示热效率之间的权衡关系。     

低负荷工况下城市类重型柴油车的实际道路排放特性研究

应用便携式排放测试系统（portable emission measurement system, PEMS）,对3辆不同类型的城市类重型柴油车分别进行实际道路行驶排放测试。试验车辆包括：邮政车、垃圾自卸车、小学专用校车。对于处在不同负荷段的数据进行分类整理,分析车辆在低负荷工况下不同负荷段的CO、NO_x、颗粒物数量（particulate number, PN）的排放占比和比排放结果,并结合功基窗口法分析NO_x的排放特性。试验结果表明：在低负荷工况时,尤其是负荷率处于0~20%的阶段,CO、NO_x、PN的排放量占比分别达到72%~86%、60%~87%、52%~88%,且CO、NO_x、PN在低负荷阶段的比排放高于或接近国六排放限值。     

氢气直喷对发动机燃烧及排放性能的影响

基于一台高压直喷汽油机,将汽油直喷喷射器替换为氢气直喷喷射器,试验研究了发动机燃用氢气与汽油时的燃烧和排放特性差异。采用空气稀释,进一步分析了氢气发动机稀薄燃烧模式下热效率提升潜力及氮氧化物排放特性,明确了氢气燃料对发动机燃烧及污染物排放的影响规律。结果表明,当量燃烧模式下,相比汽油发动机,氢气发动机的燃烧持续期明显缩短,有效热效率降低,NO_x排放升高,CO及总碳氢（total hydrocarbon, THC）排放显著降低。提高氢气发动机的过量空气系数有助于改善有效热效率。在中等负荷工况下,过量空气系数为2.7时有效热效率可达43.5%。增大过量空气系数,氢气发动机能够在保持较高燃烧稳定性的情况下显著降低NO_x排放。在低负荷工况下,当过量空气系数大于2.3时NO_x排放最低可降低至44×10^-6。     

国六重型柴油–液化天然气车实际道路排放特性研究

利用便携式排放测试系统（portable emission testing system, PEMS）分别对4辆典型重型柴油车和4辆典型重型液化天然气（liquefied natural gas, LNG）车开展实际道路排放测试,并利用功基窗口法与行程平均法分析其实际道路NO_x、CO、CO₂和颗粒数量（particulate number, PN）排放特性。结果表明：排放后处理技术路线能够有效控制国六重型柴油车在实际道路工况下的NO_x、CO和PN排放;但LNG车的CO排放存在超排放限值的风险,部分LNG车存在NO_x排放超过限值的现象,而PN排放则存在较大不确定性,部分LNG车的PN排放较高。在碳排放方面,LNG车实际道路CO₂比排放较柴油车降低6%~18%,有较为明显的减碳优势。     

基于废气再循环的防爆柴油机清洁燃烧技术

针对某型煤矿用防爆柴油机NO_x排放物污染严重、危害大的问题,分析防爆柴油机的燃烧过程,建立燃烧数学模型。通过流体仿真分析软件对基于废气再循环系统的防爆柴油机的清洁燃烧过程模拟仿真并进行台架试验。试验结果表明：在8种工况下加装废气再循环的系统在优化后的废气再循环开度下防爆柴油机CO排放加权平均值为0.004 5%,与未加装废气再循环的系统相比体积分数增加0.004 5%;加装废气再循环的系统在优化后的废气再循环开度下防爆柴油机NO_x排放加权平均值为93.35×10^-6,与未加装废气再循环的系统相比降低56.17%,采用废气再循环的系统对降低防爆柴油机的NO_x排放效果明显。     

工作环境对自然吸气柴油机性能影响仿真

基于CY4102BG四冲程自然吸气柴油机,利用GT-POWER一维仿真计算软件建立柴油机工作过程仿真模型,研究高原和水下工作环境对柴油机性能的影响。仿真结果表明：随着海拔的增高,柴油机有效功率有所下降,NO_x排放上升,排气温度增加;随着水下排气背压的增高,柴油机有效功率下降,NO_x排放显著上升。针对柴油机在非标况环境下NO_x排放性能的恶化,通过调节喷油参数来优化柴油机综合性能。经优化,在不同工作环境下柴油机NO_x排放降低7.3%~21.4%,优化效果较为明显。     

柴油甲醇组合燃烧对机车柴油机排放性能的影响

对一台应用于机车的中速大型柴油机,按照柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)的要求,进行了相应的改造,以探究DMCC燃烧模式对其排放性能的影响。结果表明:在800 r/min@9 600 N·m工况下,掺烧甲醇后,NO_x比排放大幅降低,但过分提高甲醇替代率,则NO_x比排放会有所升高;CO₂比排放、燃料费用随甲醇替代率的升高而降低;当量油耗则先随甲醇的替代率提高而升高,随后降低;HC比排放随甲醇替代率提高有所升高。相比于原机,在800 r/min、9 600 N·m、-4° ATDC、35.9%替代率工况, NO_x比排放仅为3.15 g/(kW·h),最大降幅达到56.5%;DMCC模式,640 r/min@6 850 N·m工况下,随着供油提前角的推迟,NO_x、HC比排放降低,排气温度逐渐升高;中等替代率下最低油耗对应的供油提前角推迟,高替代率下供油提前角提前。     

汽油压燃发动机燃烧特性和污染物排放的试验研究

基于一台2.0 L柴油发动机,在1 500 r/min、平均有效压力（brake mean effective pressure, BMEP）0.4 MPa~0.9 MPa工况下进行了汽油压燃（gasoline compression ignition, GCI）和柴油压燃（diesel compression ignition, DCI）的燃烧和原始污染物排放的对比研究。此外,基于6个全球轻型车统一测试循环（worldwide harmonized light vehicle test cycle, WLTC）聚类工况点,进行了三元催化器（three-way catalyst, TWC）和稀燃NO_x捕集器（lean NO_x trap, LNT）或被动选择性催化还原器（passive selective catalytic reduction, PSCR）组合的污染物后处理方案的研究。研究结果表明：在负荷较低时,由于油气过度混合,缸内温度低,GCI的有效热效率低于DCI。随着负荷的提高,相比DCI,GCI的热效率明显改善,有效热效率最多提升至约43.0%。不同负荷下,相比DCI,GCI的NO_x排放略微下降,碳烟烟度（filter smoke number, FSN）显著下降;相比DCI,GCI的CO排放和HC排放在低负荷时大幅提高,但随着负荷提高,GCI的CO排放和HC排放与DCI的差距减小。基于某款车型实际测试的WLTC循环的6个聚类点对NO_x、HC、CO污染物排放的后处理进行评估,GCI发动机采用TWC+LNT/PSCR的后处理方案在满足国六b排放法规方面具有一定的潜力。     

可变进气对船用柴油机性能影响的试验研究

为了探究可变进气系统对船用柴油机性能的影响,在一台配备进气可变配气和进气旁通阀的船用中速柴油机上开展试验研究。分别在可变配气机构处于强米勒正时和弱米勒正时,进气旁通阀处于开启和关闭状态下开展船用柴油机螺旋桨特性试验。试验结果表明：采用弱米勒正时可降低燃油消耗率,但是最高燃烧压力和NO_x比排放增加,燃油消耗率降低幅度随负荷升高而减小,最高燃烧压力和NO_x比排放增加幅度随负荷升高而增加,弱米勒正时对低负荷优化效果更明显。受到最高燃烧压力限制,高负荷必须采用强米勒正时。弱米勒正时角度从20°增加到30°,燃油消耗率基本不变,最高燃烧压力和NO_x比排放进一步增加,对于试验柴油机而言,20° 弱米勒正时配置更优。开启进气旁通阀可以提高中低负荷增压压力,降低燃油消耗率、排温和烟度。在超低负荷及高负荷时开启进气旁通阀效果与中低负荷相反。在25%及50%负荷下应用可变进气技术,燃油消耗率分别降低6.0%和2.9%、烟度分别降低61.6%和59.7%。合理的可变进气系统控制策略可有效优化船用柴油机性能。     

一种高效率的内燃机燃烧模式

本文探讨了以双燃料发动机为代表的预混合和扩散燃烧共存的复合燃烧模式。认为这种燃烧模式兼有预混合燃烧和扩散燃烧的优点，而且有比传统的燃烧模式更高的热效率。实验证明，采用这种燃烧模式工作的发动机可以有比火花点火式发动机更高的压缩比，有比压燃式发动机更高的燃烧速率。最后对这种发动机的燃烧特性及获得较高热效率的原因进行了分析。     

采用快速混合燃烧过程降低爆压和工作粗暴度的研究

介绍了快速混合燃烧过程采用较小柱塞直径、较大行程的НТД４０ 喷油泵,提高进气涡流转速和排气道流通系数,配合喷油提前角及进气压力参数的合理匹配,初步实现了高热效率、低爆压和低粗暴度的性能指标。通过 Ａ Ｖ Ｌ６５７ 数字采集分析系统的测量,分析了改进后的燃烧系统。喷油提前角和进气压力的合理匹配降低了爆压;较小柱塞喷油泵的采用,减小了速燃期的放热速度,从而获得较小的工作粗暴度;提高涡流转速保证了快速混合燃烧过程的实现,从而获得高的热效率。     

准均质充气压缩点燃系统燃烧特性研究

准均质充气压缩点燃（QHCCI）燃烧系统是在柴油机上实现稀薄预混合气燃烧的有效方法，建立了一个燃烧过程准维数学模型，结合试验结果，对QHCCI系统的燃烧特性进行了研究。内容包括引燃柴油喷射定时对系统燃烧性能的影响，引燃柴油喷射量对系统的影响，以及发动机工作粗暴的特性。模拟结果与试验结果一致，并发现QHCCI燃烧系统的放热律曲线一般呈双峰，引起爆震的原因主要是引燃柴油喷射量大或喷射早造成上止点附近的大量剧烈燃烧造成的。     

直喷式柴油机燃烧压力高频振荡与燃烧噪声的关系

应用声响应法和Sysnoise声学软件进行模态实验和模态分析,研究燃烧噪声高频激励机理．通过有限元方法计算燃烧室空腔在点声源激励下的声压响应,确定了燃烧室空腔在激励力作用下产生较强烈的压力振荡的频率．通过测量发动机缸内压力和噪声,研究燃烧压力高频振荡频率和幅值与时间窗获取的燃烧噪声的关系．燃烧压力高频振荡频率与燃烧噪声高频成分具有很好的对应关系,较高的振荡幅值对应的燃烧噪声值较高．研究结果表明,燃烧压力振荡频率和幅值是影响燃烧噪声高频成分的主要因素．     

燃烧室形状对燃烧过程的影响研究

针对燃烧室形状对燃烧过程的影响进行了研究,得到了喉口直径对喷雾贯穿距离、索特平均直径(SMD)、湍动能、涡流强度、缸内压力、放热规律以及NO-SOOT的影响规律,并通过三维对比分析了燃烧反应率场、温度场、浓度场以及速度场的变化趋势.分析表明:在本次研究中燃烧室喉口直径的合理范围是100～120 mm.     

燃烧室压力对燃油喷雾和燃烧的影响研究

采用CHAMKIN模拟分析燃烧过程,基于自行设计的可视化定压燃烧系统试验研究燃烧室压力对燃油喷雾和燃烧的影响。结果表明:随着压力的升高雾化效果逐渐变差;进气旋流可以改善雾化效果;如果进气旋流是高温气体,则改善情况更明显。压力的增加仅加快了反应速率,缩短了着火延迟时间,并没有引起着火过程中温度的很大变化。随着燃烧压力的增加,火焰逐步向燃油喷嘴处移动,可通过提高烟气卷吸率增强气旋效果,使火焰更长,燃烧更均匀,避免烧坏油头及燃烧室内部分温度过高等不良后果。     

无焰燃烧发展及研究现状

无焰燃烧是一种同时具备高效和低排放特点的燃烧技术,然而传统实现无焰燃烧所需的高温预热空气及高速射流两大重要条件,提高了整体工业设备实现无焰燃烧的复杂性,限制了该技术在更广阔领域的发展。本文综述了无焰燃烧燃烧机理与特性的研究发展,并提出了未来可能的发展趋势。分析发现：高温预热空气并不是实现无焰燃烧的必要条件,而通过高速射流提高炉内烟气循环率却必不可少;使用EDC模型结合GRI 3.0反应机理能在数值模拟中得到贴合实验数据的结果;气体、液体及固末燃料均可实现无焰燃烧,使用CH4/H2混合气体实现无焰燃烧可在提升燃烧稳定性的同时依旧保持低排放的特点;炉膛结构可很大程度上影响炉内流场进而影响无焰燃烧效果。因此,研究无需预热的无焰燃烧系统在降低工业成本的同时可增大燃料种类的选择性,通过设计合理的炉膛结构,营造良好的炉内流场在强化无焰燃烧效果的同时可一定程度降低对初始射流速度的要求,研究CH4/H2混合气体的燃烧机理具有十分重要的意义。     

内燃机缸内压力与燃烧噪声

利用小波包分析提取缸内压力和测量噪声的时频信息，结合频谱分析技术，对缸内压力和测量噪声特性进行了研究．结合缸内压力和测量噪声的传递函数及相干分析，讨论了测量噪声各频带活塞拍击噪声和燃烧噪声的情况，并对缸内压力和燃烧噪声各频带所占能量进行了计算和研究．结果表明，通过缸内压力和噪声的时频及频谱分析，能获取更加详细的燃烧噪声和活塞拍击噪声信息，为燃烧噪声的分离以及机理研究提供了技术支撑．     

含氧燃料对内燃机燃烧和排放性能的影响

列举醇类、醚类、酯类、生物柴油等及其作为含氧燃料添加剂与汽、柴油混合的混合燃料性能，介绍部分纯质含氧燃料及其混合燃料对内燃机燃烧和排放的影响。研究表明，醇类燃料及其与汽油的混合燃料能够降低点燃式发动机的HC和CO排放，使发动机的动力性和经济性提高；二甲醚燃料、柴油与DMC或ADMM等的混合燃料对降低压燃式发动机的微粒排放具有显著的作用。含氧化合物混入燃油中有利于降低内燃机中HC，CO等物质的排放。     

柴油/甲醇组合燃烧发动机的燃烧特性与排放

对一台高速直喷式柴油机采用柴油／甲醇组合燃烧方式及其纯柴油燃烧方式的燃烧特性进行了研究。其结果表明，采用柴油／甲醇组合燃烧的发动机，燃烧始点晚于采用纯柴油时的燃烧起点，但是燃烧速度快，气缸峰值压力比燃烧纯柴油时高；与纯柴油的双峰放热规律不同，组合燃烧的放热率曲线呈单峰形；组合燃烧的最高燃烧温度比燃烧纯柴油时有所降低．进而从燃烧理论上解释了采用组合燃烧可以同时降低碳烟和NOx排放的原因。