柴油机部分均质预混燃烧模式下混合与化学控制参数对指示热效率的影响

基于部分均质预混燃烧(PPC)的柴油机研究开发和优化了一种混合燃烧控制策略,在平均指示压力(IMEP)高达1.1,MPa的负荷范围内实现了高的指示热效率以及超低排放.燃烧过程中的混合与化学控制参数包括了喷油定时、喷油模式(如多脉冲喷射)、增压压力、EGR率以及进气气门关闭定时等,通过优化耦合以上控制参数可以优化控制当量比与温度的变化路径,从而避开NOx与碳烟(Soot)生成区.基于热力学第一定律,通过能量平衡的分析方法研究了混合与化学控制参数对热效率的影响.研究表明,相对于排放而言,热效率受控制参数的影响更加敏感.     

进气门晚关机构与两级增压系统在低速工况的优化匹配

以潍柴蓝擎WP12重型柴油机为研究对象,在低速、中低负荷,通过对比进气门晚关机构(IVCA)开闭两种状态对两级增压系统匹配关系的影响,分析其对关键气路参数和燃烧过程的影响.研究表明,在喷油定时和EGR率不变的条件下,柴油机运行在低速低负荷工况,采用IVCA机构后进气流量减小,有效热效率上升,NO_x和碳烟排放均呈现降低趋势,HC排放降低,而CO排放上升;而在低速、中等负荷工况(50%,~75%,),采用IVCA机构后,进气流量依然减小,但有效热效率下降,NO_x和HC排放下降,碳烟排放对EGR率的敏感程度增加,CO排放随EGR率增加呈现先降低、后增加的趋势.     

EGR和主喷定时对重型柴油机燃烧特性与排放的影响

通过两级增压共轨重型柴油机重点研究废气再循环(EGR)和主喷定时对发动机燃烧特征参数与排放特性的影响.结果表明:随EGR率增加(NOx降低),整个燃烧持续期增加,主要由燃烧放热后半期延长所致,中、小负荷燃烧持续期增量小于大负荷,同时中、高转速大负荷燃烧持续期增量小于低速大负荷;在同一运行工况上存在一最优循环累积放热量达到总放热量50%,时所对应的曲轴转角(CA,50)和燃烧持续期,此时热效率最高.采用EGR降低NOx时不可避免增加燃烧损失,使CA,50尤其是燃烧持续期偏离最佳经济区,导致热效率下降;实现等NOx排放时,推迟主喷定时可有效降低低速大负荷碳烟(soot),改善NOx-soot的trade-off关系.在高转速大负荷时,推迟主喷定时会使soot先降后升,且导致燃油消耗率(BSFC)明显增加;进气温度升高会导致NOx与soot和BSFC之间trade-off关系变差,但合理推迟主喷定时可同时削弱进气温度对NOx-soot和NOx-BSFC的trade-off关系影响.     

多缸重型柴油机的预混低温燃烧

在一台匹配有两级增压和复合EGR系统的电控高压共轨柴油机上,研究了喷油定时和EGR率对部分负荷预混低温燃烧影响的试验研究.研究结果表明,当采用大比例EGR时,早喷和晚喷情况下均能有效延长滞燃期,获得极低的NOx和碳烟排放,并消除soot-bump区域.早喷比晚喷能够获得更佳的燃烧效率和更低的燃油消耗率,早喷需要高比例EGR率以实现燃烧相位(CA 50)的合理控制,但受到了复合EGR最大循环能力的限制.随着发动机平均有效压力从0.3 MPa提升到0.5 MPa,碳烟排放至少升高了一个数量级,碳烟排放控制成为高效清洁燃烧的主要制约因素,同时还受到压力升高率和氧/燃当量比的限制.在不同负荷下采用适当的早喷定时既能避免燃烧控制对超高EGR率的依赖,又能取得合理的CA 50相位、燃烧效率和氧/燃当量比,具有实现部分负荷超低排放和保持较高热效率的潜力.     

进气门晚关机构和EGR模式对两级增压柴油机热效率和排放的影响

在低速中等负荷工况下对一台装有高压级带VGT的两级涡轮增压器(VGT+TC)的直列6缸重型柴油机进行了试验研究,对比分析进气门晚关机构(LIVC)开启与不开启、高压EGR系统(HP EGR)与低压EGR系统(LP EGR)以及不同VGT开度对柴油机热效率和排放的影响.研究表明,使用LIVC后,与EGR能产生协同作用,使缸内氧浓度和高温区域减少,有效降低NOx排放,同时延长滞燃期,当量比分布更加均匀,可有效降低碳烟排放,但碳烟排放对应EGR率变化存在一个临界EGR值,超过临界EGR率后,碳烟排放变差.使用LIVC对有效热效率的影响很小.在相同EGR率下,采用低压EGR系统时,具有更好的NOx和碳烟折中排放,同时有较高的有效热效率.     

多次喷油实现清洁高效柴油预混燃烧的机理

采用试验和数值模拟方法研究了多次喷油模式耦合高EGR率和进气增压实现高效清洁柴油机预混燃烧的潜力.结果表明,EGR可以推迟高温反应定时,降低化学反应速率,特别是在较高负荷时,EGR还明显降低NOx排放.平均指示压力(IMEP)为0.4,MPa左右时,较少的喷油量使得单次喷油和多次喷油模式着火前一时刻形成的混合气均在当量比φ<2之内,故排放差别不大.氧体积分数为10%左右时,提高喷油量,进入侧隙内的气相燃油量增加并形成φ>2的浓区,两模式的碳烟、CO和UHC排放均升高.但IMEP为0.7 MPa左右时,多次喷油更有利于生成稀且均匀的混合气,减少局部过浓区,故其碳烟、CO和UHC排放远低于单次喷油.高EGR率时,多次喷油耦合进气增压,混合气形成得到进一步改善,可在更高负荷下实现高效清洁燃烧.     

多次喷射与EGR耦合控制对柴油机性能和排放影响的试验研究

在一台电控共轨柴油机上,进行了多次喷射和EGR的耦合控制对柴油机的燃烧和排放特性影响的试验研究。在试验工况下(1849r/min、600N.m),通过调节EGR率将NOx控制在2.0g/(kW.h),研究不同喷射策略和EGR对性能和排放的影响。研究结果表明,单次喷射不同主喷定时下将NOx控制在2.0g/(kW.h)所需要的EGR率随主喷定时的推迟而降低,碳烟先下降后上升。在试验工况下预喷射改善排放的效果不明显,优化的后喷参数可以显著降低碳烟排放。与单次喷射相比,多次喷射耦合EGR控制可以显著地降低碳烟排放,油耗率变差,HC和CO有所上升。因此,喷油控制策略的选择取决于后处理器对原始排放值的要求。     

重型柴油机部分预混压燃模式的燃烧与排放特性

在一台6缸涡轮增压重型柴油机上,基于单次喷射方式,通过调节喷油正时,结合EGR技术,实现了柴油机的部分预混压燃,分析了其燃烧放热特性随喷油正时、EGR、喷射压力和负荷的变化,研究了影响控制混合期与滞燃期的因素及其影响规律.结果表明:部分预混压燃(PPCI)燃烧模式兼具预混燃烧和低温燃烧的特征,是碳烟和NOx同时降低的重要因素,但低温燃烧和稀薄的混合气易于导致燃烧不完全,喷油推迟较晚时引起HC和CO排放显著增加,并引起燃油消耗率增大.这种PPCI模式下,提高喷射压力对NOx和碳烟排放的影响作用不明显,单纯增大喷油压力并不能改善PPCI模式的燃油经济性.当负荷提高至50%以上时,对于早喷预混模式已呈现扩散燃烧阶段,导致NOx和碳烟排放均增大.     

MULINBUMP-HCCI复合燃烧放热特征及其对排放和热效率的影响

提出了基于多脉冲喷射和BUMP燃烧室的MULINBUMP HCCI复合燃烧技术。发动机试验和CFD数值模拟研究表明,多脉冲喷射参数,特别是多脉冲喷射定时可以控制预混合气的形成,从而控制燃烧放热率。具有分布式放热率的工作过程的热效率与直喷式柴油机相当,但同时改善了NOx和碳烟排放。在不采用废气再循环的条件下,NOx排放在较低负荷时只有11×10-6,高负荷时也不超过250×10-6。碳烟排放始终小于0 5BSU。     

某柴油机低温燃烧性能的试验研究

如何同时降低NOx和碳烟排放是柴油机有害排放物控制的难点和重点。通过台架试验方法,采用EGR和燃油推迟喷射措施对试验柴油机进行了低温燃烧性能研究,试验表明:由于试验柴油机的EGR率有限,单纯的调节EGR阀并不能实现试验柴油机的低温燃烧,在小负荷工况下引入EGR可以降低试验柴油机的油耗率;单纯的推迟喷油,都出现了NOx和烟度同时降低的低温燃烧现象,但是推迟喷油使得油耗率上升,经济性下降。采用EGR全开+推迟喷油的方式在1 800r/min 30 N·m时获得了比原机更低的油耗率、NOx和烟度排放,循环波动率变化较小。但随着负荷的增加,虽然可以实现NOx和烟度同时降低,但是试验柴油机的经济性下降。