用扩散及准均质混合气压燃的组合燃烧降低柴油机碳烟与NOx排放的研究

在柴油机的一部分工况采用现有的扩散燃烧方式，另一部分工况采用柴油引燃醇燃料均质混合气的组合燃烧方式，利用醇燃料的高汽化潜热和含氧的特性，达到同时降低柴油机碳烟及氮氧化物(NOχ)的目的，并且避免在小负荷燃烧醇燃料带来的高醛类排放问题。在一台4缸水冷直喷式发动机上采用上述组合燃烧法进行试验，从发动机进气管处喷进乙醇形成均质混合气，然后由柴油引燃。由电控装置控制乙醇喷入量及其喷入时刻。试验结果表明，与原机相比，碳烟和NOχ排放分别减少了50％和30％，同时燃料的消耗率也有大幅度降低。     

进气上止点燃油喷射实现柴油HCCI燃烧的试验研究

提出了采用在进气上止点附近进行燃油喷射,通过内部EGR促进燃油蒸发混合的方法,实现柴油燃料的均质压燃(HCCI),并通过副喷嘴喷射引燃柴油解决HCCI发动机的冷启动困难问题．试验表明该方法有利于在缸内形成均质混合气,在常温进气的情况下就可得到较好的HCCI燃烧效果．同时,还对影响HCCI燃烧的发动机负荷和进气温度进行了研究,认为由这些因素引起的缸内温度变化是影响HCCI燃烧的主要原因。     

辛烷值对均质压燃发动机燃烧特性和性能的影响

通过不同比例的正庚烷和异辛烷混合得到不同辛烷值的混合燃料，在一台单缸直喷式柴油机上研究燃料辛烷值对均质压燃发动机燃烧特性、性能和排放特性的影响．研究结果表明，燃料辛烷值增加，着火始点推迟，燃烧反应速率降低，缸内爆发压力降低．燃料辛烷值增高，均质压燃向大负荷工况拓宽，燃料辛烷值较高时，存在极限转速，辛烷值增加，极限转速降低．对于每一工况，存在一个最佳经济性的燃料辛烷值，负荷增大，最佳辛烷值增高；随着燃料辛烷值增高，发动机NO、HC和CO排放增加，尤其是HC排放增加更为明显．对于均质压燃发动机，低负荷工况适合燃用低辛烷值燃料，高负荷工况适合燃用高辛烷值燃料。     

进气温度对乙醇均质压燃过程的影响

论述了利用速压机进行的进气温度对乙醇均质压燃性能影响的研究,混合气进气温度的提高将促使燃烧始点提前;随着进气温度的提高,最高燃烧爆发压力提高,最高爆发压力产生的时间提前;进气温度的提高也引起了燃烧过程压力升高率增大,最大压力升高率的时间提前;进气温度越高放热量曲线越陡,达到最大放热量所用的时间也越短,最大放热量也越高;混合气温度的升高也带来了最高放热率增大的效果;此外,随着混合气进气温度升高,燃烧最高温度也相应提高.     

二甲醚均质压燃燃烧过程的试验研究

在一台单缸直喷柴油机上进行了二甲醚(DME)均质压燃(HCCl)燃烧过程的试验．研究结果表明，进气中加入30％的惰性气体CO2,发动机实现HCCl运转的负荷范围从0．05MPa扩展到0．35MPa．二甲醚在HCCl模式下表现出明显的双阶段着火特性，增加惰性气体的浓度，第一阶段着火始点滞后，燃烧放热峰值降低，燃烧持续期延长．排放测试表明，HCCl模式下发动机的NOx排放接近于零，可实现无碳烟排放，但CO和HC排放较高．     

运行工况对基础燃料均质压燃燃烧过程影响的试验研究

在一台经改装的单缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值基础燃料下发动机转速对均质压燃（HCCI）燃烧特性、工况范围和排放特性影响的试验研究。研究结果表明：发动机转速升高,不同辛烷值燃料着火燃烧时刻推迟,以曲轴转角计算的燃烧持续期延长,高辛烷值燃料的缸内最大爆发压力和缸内温度降低;在中间转速,HCCI实现的最高平均指示压力最大,高转速工况,最高平均指示压力降低;对于低辛烷值燃料,转速对燃烧效率影响不大,转速升高,指示热效率增大;对于高辛烷值燃料,转速升高燃烧效率降低,指示热效率在中间转速最高,高转速降低。排放测试表明,转速升高使得HCCI运转的HC和CO排放都升高,NOx排放则逐渐降低。     

不同进气温度条件下燃料特性对均质压燃燃烧过程影响的试验研究

为了研究不同进气温度(Tin)条件下燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧特性、工况范围和排放特性的影响,在一台改装的4缸直喷柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)、汽油和含氧燃料的进气加热发动机试验.结果表明,Tin较低时,PRF着火时刻最早,缸内最大爆发压力和峰值放热率最高,其次是汽油和含氧燃料,但Tin较高时,则是汽油燃料着火时刻最早,燃烧效率和能够实现的最高指示效率最高;Tin升高,所有燃料主燃烧着火时刻提前,缸内最大爆发压力和燃烧效率升高,HCCI正常运转工况范围向小负荷区域拓展,但Tin对指示效率的影响与燃料的RON有关.排放测试表明,Tin升高,所有燃料的HC和CO排放均降低,Tin较高时,燃料特性对两者的影响减小;Tin高于363 K时,汽油的HC和CO排放均最低;Tin和RON都相同,汽油燃料的Nox排放值相对较高,Tin对所有燃料的Nox排放的影响均不明显.     

废气再循环与燃料辛烷值对均质压燃燃烧特性影响的试验研究

在一台单缸直喷式柴油机上研究了废气再循环（EGR）对不同辛烷值燃料均质压燃（HCCI）燃烧特性及排放特性的影响.结果表明,EGR使HCCI着火燃烧推迟、燃烧反应速度降低、缸内压力和平均温度降低,HCCI工况范围向大负荷工况扩展;混合气浓度增大或燃料辛烷值增大,EGR对燃烧效率的影响增大,EGR率升高,燃烧效率降低;不同辛烷值燃料最高燃烧效率出现在高比例EGR率、混合气较浓、靠近爆震燃烧边界的区域.试验结果也表明,辛烷值为60的燃料采用EGR后HCCI覆盖的工况范围最宽.     

DME/柴油混合燃料HCCI燃烧与排放特性的试验研究

在单缸柴油机上采用轴针式喷嘴进气道燃油喷射方式,开展了二甲醚(DME)/柴油混合燃料预混均质压燃(HCCI)燃烧及其排放特性的试验研究,探讨了喷油嘴启喷压力、进气温度以及进气掺混不同比例CO2对混合气制备率和发动机性能的影响.结果表明:低沸点液相DME在进气道喷射过程中所具有的闪急沸腾效应,可有效强化柴油/DME混合燃料的雾化与蒸发,减少燃油撞击壁面而出现的进气歧管壁湿现象,从而改善柴油HCCI发动机均质混合气的形成与燃烧,拓宽发动机的运行工况范围.进气掺混0~30%的CO2能使HCCI发动机的正常工作范围从0.32MPa提高到0.5MPa,实现高负荷工况下同时降低NOx和碳烟的排放,但CO和未燃HC排放有所增加.     

生物柴油缸内燃烧火焰温度对NOx生成的影响

采用内窥镜高速摄影的方法,拍摄了柴油机燃用不同比例生物柴油-柴油调合燃料燃烧火焰的图像.基于亮度测温法的原理,计算了火焰的温度场分布.根据NOx生成的特点,提出了针对NOx生成的火焰温度评价指标:NOx生成区域的瞬态火焰面积、火焰面积变化速率、火焰面积平均变化速率、温度区域持续期、火焰面积出现效率,分析了评价指标随发动机转速、生物柴油调合比例的变化规律.研究结果表明:随着生物柴油添加比例和转速的增大,燃用B50和B100的NOx生成区域的火焰面积出现时刻和消失时刻提前,提前程度在高转速时较大,区域的峰值不断增大,对应的位置逐渐提前,火焰面积变化速率和火焰面积平均变化速率的峰值均不断增大,出现效率不断增大,持续时间逐渐缩短,这说明随着生物柴油调合比例的增大,缸内出现了有利于NOx生成的环境.     

HCCI燃烧技术在直喷式柴油机上应用的试验研究

在1135型四冲程直喷式柴油机上,通过采用双收口燃烧室、P型喷油泵高压喷射、伞喷油嘴和多孔油嘴预喷射、乳化柴油及乙醇柴油等技术措施,形成最佳的预混合气,达到产生良好化学反应及动力学效应。通过调整试验,控制上止点后着火,实现近似等压预混合燃烧。     

某型柴油机喷油提前角对缸内燃烧影响的研究

采用AVL631燃烧分析仪和AVL i60排放测试系统对某型船用柴油机不同提前角下的缸内燃烧压力、排气烟度、NO_x排放、油耗数据进行采集,并对采集到的数据进行分析。总结出不同喷油提前角对该型柴油机燃烧性能的影响,为该机型的后续改进提供依据。     

醇类燃料HCCI发动机燃烧特性的实验研究

在Ricardo Hydra单缸四冲程发动机上利用内部废气再循环策略实现了4种醇类燃料(纯甲醇燃料、纯乙醇燃料、体积分数为50％的甲醇与汽油混合燃料和体积分数为50％的乙醇与汽油混合燃料)的HCCI燃烧．通过调整HCCI发动机的空燃比、转速和气门相位角,研究了醇类燃料HCCI发动机的燃烧特性．结果表明,醇类燃料的 HCCI燃烧不同于普通汽油,燃烧可以在较稀的混合气浓度范围区域内实现,使发动机的运行范围向小负荷和高转速方向拓展,其中纯乙醇可以向高低负荷两个方向拓展运行范围．醇类的着火时刻受化学反应特性和加热的共同影响,其中甲醇燃料的着火在所比较的范围内都是最早的,而且甲醇燃料的着火持续期短于乙醇燃料．除了纯甲醇以外,其他醇类燃料的平均指示压力都高于汽油．     

排气正时与增压对柴油HCCI燃烧影响的试验研究

ETCI(Exhaust Top dead center Injection Compression Ignition)燃烧利用负气门重叠产生的高温残余废气对高压喷入的燃油进行加热促进蒸发,实现了HCCI燃烧.基于ETCI的燃烧模式,研究了排气正时以及增压压力等参数对燃烧过程的影响.试验结果表明,排气正时对燃烧特性有较大的影响,利用排气正时控制残余废气率和IVC时刻缸内平均温度可间接实现燃烧相位的控制;在自然排气状态下,进气压力的升高增大了过量空气系数、可小幅度降低IVC时刻缸内残余废气与新鲜空气的混合气的平均温度,在一定范围内实现燃烧相位的控制.通过不同排气正时下合理的增压压力配合可实现燃烧相位的有效控制并降低排放.     

乙醇燃料均质压燃的试验研究

利用多功能燃烧弹对乙醇进行均质压燃性能的研究,具有边界条件可控的独特优点．在多功能燃烧模拟系统(多功能燃烧弹)中进行了不同混合气温度对燃烧过程及不同空燃比对燃烧过程影响规律的试验研究．混合气温度的升高将促使燃烧最高压力、最大压力升高率和放热率增加,而且其峰值提前;随空燃比的加大,燃烧压力、压力升高率和燃烧放热率下降,且出现峰值的时刻推迟．     

汽油和柴油混合燃料均质压燃(HCCI)的试验研究

汽油和柴油这两种不同特性的燃料被用作HCCI发动机的燃料。汽油具有高挥发性、易雾化和易于形成混合气的特性,被用来形成均质混合气;柴油具有良好的着火性和可燃性,被用来控制自燃和限制爆震燃烧。期望这两种特性不同而又相互补充的燃料混合后能够达到一个折衷的HCCI的燃烧性能。试验在一个专用于HCCI研究的单缸发动机上实施,采用两种中等的压缩比(10．4和15)和两种HCCI模式(进气加热和负气门叠开),试验结果证实了这种期望。结果是:随着混合燃料中柴油比例的增加,对于进气加热模式,HC- CI能稳定工作所需要的进气温度有所降低,对于负气门叠开模式,缸内平均指示压力和过量空气系数的范围有所扩展,并且两种方式下HC和NOx的排放均有所减少。     

柴油燃料HCCI燃烧的稳定性研究

实现宽广负荷范围内的稳定燃烧是目前HCCI燃烧研究的热点之一．而HCCI燃烧在高、低负荷时的工作不稳定性是影响HCCI燃烧实用性的重要问题之一。在前期研究实现单缸柴油机HCCI燃烧的基础上,主要分析了发动机负荷和气门重叠期的变化对HCCI燃烧稳定性的影响,探讨了造成不稳定燃烧的原因。结果表明：HCCI燃烧在中间负荷燃烧稳定性最好,但在低负荷时容易产生失火,高负荷时容易产生燃烧压力振荡,造成不稳定燃烧;负气门重叠期增大有利于小负荷的燃烧稳定性,负气门重叠期减小有利于大负荷的燃烧稳定性。     

适用于柴油HCCI燃烧的碳烟半经验模型研究

将改进的碳烟半经验模型和简化正庚烷的化学反应机理纳入KIVA-3V程序中,以描述柴油燃烧过程中碳烟的生成和氧化历程。通过以正庚烷为燃料的激波管试验验证发现,在较宽的温度和压力范围内,该碳烟半经验模型可以相对准确地预测碳烟的生成率、颗粒直径和数密度。在定容燃烧器中典型的传统柴油机的扩散燃烧和接近于均质压燃(HCCI)发动机的预混燃烧状况下,应用此碳烟模型进一步研究了喷孔直径和喷射压力对碳烟排放的影响。结果发现模型预测得到的碳烟体积分数分布与试验吻合得较好,同时显示当控制局部当量比小于2.0时可以避免碳烟的生成。     

变配气正时对HCCI燃烧的影响研究

试验研究了变进排气正时对缸内早喷柴油均质充量压燃燃烧(HCCI)的影响。柴油在排气上止点附近喷入缸内,研究改变进排气门负重叠期对HCCI燃烧放热率、排放及综合性能的影响。试验研究结果表明,增大气门负重叠期,有利于早喷燃油的快速蒸发和均质混合气的形成,有利于减少柴油湿壁,但是容易使燃烧相位提前,易于产生爆振。增加气门负重叠期,HCCI燃烧的运行范围向低工况扩展,但是中高负荷受到限制。在HCCI燃烧可运行范围内,有害排放产物和指示油耗均下降。