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     

柴油机燃用正庚烷及柴油时多环芳香烃与碳烟的演化规律

基于电控燃油喷射柴油机的全气缸取样系统,使用气相色谱-质谱联用仪及程序升温大体积进样方法,对柴油机燃用正庚烷和柴油过程中缸内多环芳香烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)和碳烟的演化规律进行了试验研究.结果表明:在燃烧过程中,芘、苯并[a]芘质量随曲轴转角呈单峰变化,萘、芴质量随曲轴转角呈"S"型变化趋势(先降低后升高再降低);碳烟的生成趋势与缸内温度呈较好的一致性,且碳烟与芘随曲轴转角具有相似的单峰状质量变化趋势,只是碳烟峰值出现的时刻稍有滞后.此外,正庚烷与柴油在柴油机中燃烧时生成的PAHs与碳烟具有相似的演化规律.     

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。     

柴油、生物柴油后喷燃烧过程中颗粒物粒数粒径及质量的变化规律

基于全气缸取样平台,在一台高压共轨柴油机上,对近后喷和远后喷策略下生物柴油和柴油后喷燃烧过程中颗粒物的粒数粒径分布、总粒子数密度及质量的变化规律进行了研究.实验结果表明,在后喷燃烧过程中各阶段,生物柴油和柴油所产生的颗粒物的粒数粒径分布、总粒子数密度及质量变化规律相似.颗粒物粒数粒径均呈类似对数正态分布,生物柴油的峰值粒径范围为39.2~69.8,nm,柴油的峰值粒径范围为60.4~93.1,nm.与柴油相比,在相同后喷燃烧阶段生物柴油的颗粒物的总粒子数密度较高,但质量浓度较低.     

二次喷射对增压直喷汽油机颗粒物排放的影响

基于某款增压直喷汽油机分别采用燃油单次喷射策略和二次喷射策略,利用DMS500颗粒分析仪对颗粒物数量浓度和粒径分布进行测试,研究不同工况下采用单次喷射和二次喷射策略后的发动机经济性和颗粒物排放的变化,选取二次喷射策略的适用工况.研究表明:当二次喷射策略运用于增压直喷发动机,二次喷射比例和二次喷射相位的合理优化能有效降低燃油消耗率和颗粒物排放;比较单次喷射和二次喷射策略,两种喷射策略颗粒物粒径分布均呈核态与积聚态的双峰分布,而在转速小于3 000 r/min、转矩大于105 N·m的工况条件下,运用二次喷射策略后燃油消耗率和颗粒物数量浓度相对于单次喷射均有明显降低,其中核态颗粒物占比增大,颗粒物平均几何粒径减小;其他工况下采用单次喷射策略的发动机经济性和排放性能更佳.     

后喷策略下喷油压力对柴油机缸内颗粒物粒径分布和形貌特征的影响

基于全气缸取样平台,运用称重法、发动机粒数粒径测试分析仪(EEPS)和透射电子显微镜(TEM)等手段对采集到的燃烧过程中的颗粒物进行分析处理,研究高压共轨柴油机在后喷策略下,喷油压力对于柴油机燃烧过程中颗粒物粒径分布和形貌特征的影响.实验结果表明:后喷的加入会延长燃烧持续期;当喷油压力由100,MPa上升到120,MPa时,缸内燃烧温度压力升高、燃烧始点提前,预混燃烧在整个燃烧过程中所占比例增大,生成颗粒物粒径分布特征由双峰变为单峰,粒子数密度和碳烟质量浓度均降低,除此之外增大喷油压力还会导致燃烧过程中生成的链状颗粒减少,分形维数增大,同时减小后喷对于燃烧持续期的影响.     

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。     

后喷策略对柴油机瞬变过程高负荷工况性能的影响

为了改善柴油机瞬变高负荷工况下缸内燃烧恶化和烟度骤升的问题,以8.6L车用重型柴油机为对象,开展了燃油后喷策略对瞬变工况性能的影响研究。试验研究了在柴油机瞬变过程的高负荷工况段加入后喷时不同后喷参数对瞬变工况性能的影响,并利用模拟手段分析了后喷对缸内燃烧状况、缸内气体的流动和碳烟排放的影响和作用机理。为了更好地说明缸内气体混合情况,引入氧气驱动能量这一概念。研究结果表明:在主喷燃烧阶段,氧气驱动能量对混合气的形成起主导作用;随着后喷油量增多,缸内气体扰动增加,缸内稀混合气比例增加,放热率第二峰值和第三峰值均提高且相位前移;后喷油量对NO_x排放影响较小。综合考虑指示热效率和碳烟排放,对于瞬变过程90%负荷工况,主后喷间隔为4°曲轴转角且后喷量25%时排放效果整体最佳。     

后喷策略对柴油机排放物生成影响的数值模拟

本文采用数值模拟的方法对某柴油机燃烧过程进行了研究,通过与试验的对比获得了可信的计算模型,基于确立的计算模型设计了9种不同的后喷喷射策略,分析了后喷喷油量及主后喷间隔角对排放性能及缸内流动燃烧的影响。结果表明：在一定范围内,随着后喷量和主后喷间隔角的增加,缸内燃烧放热规律及温度曲线的峰值降低,NOx排放降低。适当增大主后喷间隔角,加强了主后喷间隔期缸内气流的运动,能够促进Soot的氧化,但当间隔角过大时,一方面降低了缸内温度,另一方面使部分Soot扩散到活塞与缸套夹缝处,导致Soot难以氧化,致使Soot生成量增大。     

GTL燃料发动机排气颗粒数密度和粒径分布的试验研究

采用两级稀释取样装置和扫描迁移颗粒粒径分析仪(SMPS),研究了燃用天然气合成油(GTL)发动机排气颗粒的数密度和粒径分布特征,并同原柴油机的颗粒排放进行了比较,发现发动机燃用GTL时,中间转速(n=1400 r/min)下,排气颗粒多呈峰值粒径为50～80nm的单峰对数正态分布;高转速(n=2200r/min)下,呈分别包含核模态(峰值粒径为20～30nm)和积聚模态(峰值粒径为50～80nm)的双峰对数正态分布。而燃用柴油时,所有测试工况下,排气颗粒均呈包含核模态和积聚模态的双峰对数正态分布。与燃用柴油相比,怠速工况下,燃用GTL后总颗粒数密度和体积分数没有显著下降,而其它工况下总颗粒数密度和体积分数显著下降,其中总数密度均下降一个数量级,总体积分数下降20%～60%;燃用CTL后,排气中核模态数密度显著下降,某些工况下积聚模态数密度有所下降,这与GTL燃料中的芳香烃和硫含量均较低有关。     

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.     

用PLIF测量GDI发动机滚流平面的混合气浓度

通过一台全透明石英气缸套的汽油缸内直喷光学发动机,利用平面激光诱导荧光法(PLIF)定量测量了发动机滚流平面内的混合气浓度分布.在不同节气门开度及不同喷射策略下研究了缸内混合气分布随曲轴转角的变化,讨论了气流运动强弱、喷射时刻及喷射量对发动机混合气的影响;针对可视区域的平均及局部燃空当量比提出了评价不均匀度,并开展了循环变动分析.结果表明:节气门开度不为0时,单次早喷策略均可在上止点附近形成不均匀度评价指标小于0.14的混合气,且不均匀度随进气流动增强而下降;推迟喷射时,油气混合速度明显加快,单次晚喷及双喷工况在上止点附近均可形成不均匀度评价指标小于0.15的混合气;单次早喷、非怠速工况的平均燃空当量比在上止点附近的循环变动小于0.06,而大部分单次晚喷及双喷工况均大于0.13;局部燃空当量比循环变动较大的区域通常为混合气云团运动方向的前沿,较弱的进气流动及推迟喷射会提高整个有效区域内的循环变动.     

混合气分布特性对汽油压燃影响的数值模拟

利用三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,对比研究了缸内单次喷射、缸内多次喷射、气道加缸内喷射的混合气分布及不同混合气分布特性对汽油压燃的影响.结果表明:随气道预混比例的增加,着火时刻的当量比离散度先降低后升高,放热率峰值先升高后降低,最大压力升高率先增大后下降.随预喷时刻的推迟,指示热效率先增大后降低,最大压力升高率的变化较小.在爆发压力(18 MPa)和最大压力升高率(1.5 MPa/°CA)的限制下,相比于缸内单次喷射,气道加直喷策略和缸内两次喷射策略的指示热效率分别从45.6%增加到48.3%、48.2%;碳烟排放分别从0.041 g/(kW·h)减小到0.016 g/(kW·h)、0.015 g/(kW·h).     

共轨柴油机燃用乳化柴油的颗粒排放特性

以一台电控高压共轨柴油机为试验样机,采用发动机排气颗粒数量和粒径分析仪EEPS,研究了该机分别燃用柴油和乳化柴油在不同转速和负荷下的排气颗粒数量和粒径分布特征。研究结果表明:燃用柴油的排气颗粒数量和粒径分布呈明显的单峰对数分布,燃用乳化柴油的排气颗粒数量和粒径分布呈单峰或双峰对数分布。与燃用柴油相比,燃用乳化柴油后的排气颗粒数量峰值对应的颗粒粒径向小粒径方向移动,几何平均粒径变小,质量浓度平均降低约20%。     

柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究

研究了6114柴油机不同工况下排气颗粒的数浓度、体积浓度和粒径分布特征,测试工况下柴油机排气颗粒数浓度均呈包括核模态（峰值粒径为10nm-20nm）和积聚模态（峰值粒径为50nm～80nm）的双峰对数正态分布。高转速下排气颗粒数浓度和体积浓度大于中间转速时的数浓度和体积浓度。相同转速下,颗粒体积浓度随负荷增加而增大,而数浓度高转速下随负荷增大而增加,中间转速下随负荷增加没有规律性变化。相同转速下,积聚模态数浓度随负荷增加而增大,核模态数浓度高转速下随负荷增大而增加,但在中间转速下随负荷增加无规律性变化。相同转速下,随负荷增加,核模态峰值粒径有减小趋势。中间转速下积聚模态峰值粒径随负荷增大先增大后减小,高转速下积聚模态峰值随负荷变化无明显变化。中间转速下排气颗粒的核模态峰值粒径小于高转速下核模态的峰值粒径,积聚模态峰值粒径大于高转速下积聚模态的峰值粒径。排气颗粒中核模态粒子占有较大的数量百分比,积聚模态粒子占有较大的体积百分比。     

不同喷射策略低温预混合燃烧模式排放试验

基于一台4缸增压柴油机,研究了不同喷射参数分别在单次喷射预混合燃烧(PPC)和预喷模式PPC下对发动机排放生成的影响,其中重点关注了颗粒物的排放特性.结果表明:单次喷射形成早期喷射PPC后可以显著降低颗粒物的数量、质量以及几何平均直径(GMD),但是当喷射正时过于提前,颗粒物数量又会上升到与常规模式相当.总体上,预喷可以显著地降低碳烟排放,但是当预喷正时提前到某一特定值时,如果继续提前预喷角,颗粒物质量、数量以及GMD将基本不变.提高预喷燃油比例,形成更高比例的预混合燃烧,颗粒物数量和质量可以同时下降,颗粒物GMD先增加后降低.单次喷射早喷PPC模式下NOx排放较高,相比之下采用预喷的方式却可以在降低碳烟排放的同时很好地控制NOx排放.早喷PPC模式下由于压缩阶段负功增加导致燃油消耗率急剧升高,而预喷模式下燃油消耗率随预喷正时的提前以及预喷燃油比的增加略有升高.     

增压柴油机排气管压力波脉动特性的试验研究

为利用排气管内压力波进行废气重吸再循环的技术方法,提供准确配气正时设计依据,以某六缸增压柴油机为研究对象,以发动机转速、喷油提前角、负荷为变化条件,开展典型工况条件下,排气歧管内压力波形、波峰值及波峰位置随发动机运行条件变化的试验研究,得到了不同的影响规律。研究结果表明:排气歧管内压力波峰值随负荷率增大而增加,但峰值所对应的曲轴转角位置与负荷率大小无关;随着转速的升高,压力波峰值所对应的曲轴转角增大,其中喷油提前角为6°CA时变化幅度最为明显;在100%、75%负荷下,随着喷油提前角的减小,压力波曲线峰值所对应的曲轴转角增大。     

柴油机缸内微粒粒数粒径分布规律的研究

基于柴油机全气缸取样系统,采用商用电子低压冲击仪(ELPI)和透射电子显微镜(TEM),对柴油机燃烧过程中凝聚微粒的粒数浓度、粒径分布和基本碳粒子的粒径分布进行了研究.研究结果表明,凝聚微粒粒数浓度随曲轴转角呈单峰状分布,峰值出现在上止点后14～18℃A,燃烧后期约70%以上的微粒粒数被氧化燃烧;凝聚微粒粒数、粒径呈类似对数正态分布,频度最大值出现在100～200 nm.构成凝聚微粒的基本碳粒子粒径呈高斯分布,最大值出现在15～30 nm,平均粒径为19.7～29.7 nm,且在上止点后12～15℃A出现最大值.     

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.     

柴油轿车NEDC循环的颗粒排放特性

以一台轻型柴油轿车为试验样车,采用颗粒数量及粒径分析仪对轿车NEDC循环的排气颗粒进行测试,研究其排气颗粒数量、粒径分布和几何平均粒径.结果表明:车辆加速阶段,总颗粒数密度增大且出现峰值;车辆减速阶段,总颗粒数密度先出现一个波峰,然后急剧下降,这在EUDC循环最后期的减速区域尤为明显.UDC首个循环单元的初始怠速工况下,核态颗粒数密度高于聚集态颗粒.暖机后的UDC和EUDC循环单元内,等速工况的聚集态颗粒数密度普遍高于核态颗粒.加速阶段,聚集态颗粒和核态颗粒数密度均有所升高.减速阶段,聚集态颗粒数密度降低,但核态颗粒数密度却有所升高且占主导地位,其数量分数大都在80%以上.UDC首个循环单元的单位里程颗粒数量排放最高,其余3个市区循环基本相同,而EUDC循环的单位里程排放颗粒数则明显低于UDC循环.NEDC每个循环单元的颗粒粒径均呈准正态分布,峰值粒径都出现在50～60,nm范围内.整个NEDC循环的颗粒几何平均粒径,最大为怠速工况时的55,nm,最小为减速工况时的37,nm.