柴油机WHTC冷起动过程SCR温度热管理技术研究

研究了低速低负荷工况下可变几何截面增压器(variable geometry turbocharger,VGT)开度、进气门晚关机构(retard intake valve closing auction,RIVCA)和后喷技术对提升选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理器温度的作用,并从温度提升幅度、发动机油耗率和排放等方面对各技术进行了分析比较。试验结果表明,采用后喷技术、增大VGT开度和利用进气门晚关可以有效提高SCR后处理器温度。但相比于后喷技术,增大VGT开度和运用进气门晚关技术造成的油耗损失较小。试验对后喷策略和VGT-RIVCA策略进行了全球统一瞬态试验循环(world harmonized transient cycle,WHTC)冷起动对比试验。试验结果显示,在使SCR后处理器的起燃时间缩减至循环第600s附近时,后喷策略造成的油耗损失为3.5%,而VGT-RIVCA策略造成的油耗损失仅为1.1%。在验证了VGT控制策略的优越性后,通过设定不同VGT开度的对比试验,最终得到了一套优化的VGT-RIVCA控制策略,运用该策略可以使SCR后处理器的起燃时间由1 300s缩减至540s,NOx排放量由1.78g/(kW·h)降低至0.929g/(kW·h),同时发动机油耗仅有1.4%的恶化。     

进气VVT对低压EGR汽油机油耗影响研究

基于一台带有低压废气再循环(EGR)回路的小排量增压进气道喷射(PFI)发动机,研究了进气正时(VVT)对低压EGR汽油机油耗与燃烧特性的影响。结果表明:EGR率越小,泵气损失越大,EGR率较小时泵气损失随EGR率的变化程度较小,EGR率较大时泵气损失随EGR率变化程度较大;进气门开启时刻相对于上止点提前或滞后均会使泵气损失减小。在1 850r/min、0.45MPa工况下,进气门在上止点前10°、28°曲轴转角和上止点后24°曲轴转角开启可使泵气损失依次减小2.3%、11.9%和18.8%;进气门开启时刻越提前或迟后,EGR率越大,对应的燃烧持续期和滞燃期越大,燃油消耗率越小;与原机相比(燃油消耗率为294.49g/(kW·h)),综合优化EGR率和进气门开启时刻后(EGR率为10%、进气门开启时刻为上止点后25°曲轴转角)的最佳燃油消耗率为283.44g/(kW·h),可使燃油消耗率提高3.8%。     

基于当量燃烧的天然气发动机燃烧室优化研究

在一台采用废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)策略的当量燃烧天然气发动机上开展了不同挤气比、压缩比的活塞对燃烧、热效率和排放影响的对比试验研究。结果表明:在50%负荷与中低转速75%负荷下,增大EGR率拓展了爆震边界,使得主燃烧相位(CA50)提前,指示热效率提高;而在100%负荷及高转速75%负荷下,EGR率的增大对燃烧持续期的延长作用更为明显,且CA50后移,指示热效率降低。增大压缩比和适当增大挤气比有利于增强缸内湍流运动,加快天然气火焰传播速度,使CA50更靠近上止点,热功转换效率提高,最高指示热效率提高了0.24%,NO_x和CH₄排放分别升高了2.30g/(kW·h)、0.55g/(kW·h)。进一步增大挤气比会受到爆震的限制,最佳点火时刻推迟,燃烧定容度小,燃烧持续期延长,最高指示热效率下降了0.51%,NO_x和CH₄排放分别降低了2.20g/(kW·h)、0.44g/(kW·h),CO排放升高了0.36g/(kW·h),因此挤气比存在一个优化的范围。     

应用柴油/甲醇组合燃烧降低增压中冷发动机排放

在增压中冷发动机上采用柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)方式进行排放特性的试验研究.结果表明:采用DMCC方式,增压中冷发动机的Nox和碳烟及微粒排放同时较大幅度下降,但HC和CO排放增加较多.加装氧化催化转化器后,HC和CO得到了大幅度的降低,微粒(PM)也进一步减少.按照国Ⅲ规定的柃测方法,该机的Nox由6.49 g/(kW·h)降到4.33 g/(kW·h),微粒由0.11g/(kW·h)降纠0.05 g/(kW·h),HC由0.49 g/(kW·h)降到0.04 g/(kW·h),CO基本保持不变,使发动机仍在采用原有的泵管嘴燃油喷射系统的情况下,排放品质由国Ⅱ提升至国Ⅲ水平,测试结果显示了该方法具有进一步减少有害排放的潜力,而其燃料经济性与原机相当.     

气道喷水和废气再循环对重型柴油机性能和排放影响的优化匹配试验研究

在一台高压共轨重型柴油机上开展了气道喷水结合高压废气再循环(EGR)的试验研究。基于世界统一稳态测试循环(WHSC)各工况点探索引入高压EGR和气道喷水技术对柴油机排放和燃油经济性的影响;在此基础上对各工况的燃烧相位进行优化,得到WHSC各工况点下基于喷水和EGR的优化策略。结果表明:综合考虑排放和燃油经济性,低负荷工况宜单独引入高压EGR,并通过提前喷油时刻(start injection timing,SOI)优化燃烧相位;中高负荷工况宜少量喷水并引入适当EGR,满负荷则应单独采取气道喷水策略。WHSC加权结果表明,在保持较低的HC、CO和碳烟排放前提下,优化后的加权NOx比排放降低7.71g/(kW·h),降幅约45.2%,有效燃油消耗率降低约1.20g/(kW·h)。     

全可变液压气门机构对汽油机泵气损失及机械效率的影响

设计一种全可变液压气门机构(fully hydraulic variable valve system,FHVVS),实现气门最大升程、开启持续角和配气相位的连续可变,通过进气门早关方式取代传统节气门来控制发动机的负荷。试验结果表明:与传统节气门汽油机相比,无节气门汽油机可以显著降低中小负荷工况下的平均泵气损失压力,大幅度降低泵气损失、提高机械效率。在小于等于50%负荷工况点,发动机转速为2000 r/min时无节气门汽油机的机械效率可以提高3. 6%～10. 2%,3000 r/min时机械效率可以提高2. 8%～7. 1%。     

柴油/乙醇组合燃烧降低增压中冷发动机排放的研究

在增压中冷发动机上采用柴油/含水乙醇组合燃烧(DECC)方式进行排放特性的试验研究.研究表明,采用DECC方式,增压中冷发动机的NOx和微粒排放同时大幅度下降,但HC和CO排放增加较多.加装氧化催化转化器后,HC和CO得到了大幅度地降低,微粒(PM)也进一步减少.按照国Ⅲ规定的检测方法,对比纯柴油排放,该机的NOx由6.49 g/(kW·h)降到3.46 g/(kW·h),微粒由0.142 g/(kW·h)降到0.089g/(kW·h),HC和CO测量值分别为0.34 g/(kW·h)和0.10 g/(kW·h).负荷烟度(ELR)试验测试结果为0.687 m-1.测试结果表明,采用DECC燃烧模式,在仍然采用原机的泵管嘴燃油喷射系统的情况下可以使增压中冷发动机排放从国Ⅱ排放标准提升到国Ⅲ排放标准.除微粒指标满足国Ⅲ要求外,其余指标低于国Ⅳ要求,且燃料经济性基本保持不变.     

柴油机进气掺混低浓度甲烷模拟研究

针对矿井下空气中含有甲烷气体造成柴油机在矿井下运行时会吸入甲烷的情况,使用三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE模拟柴油机进气混掺0%、0.25%、0.50%、0.75%与1.00%体积浓度的甲烷气体对柴油机燃烧及排放的影响。研究结果发现,当甲烷着火时刻温度大于1 000K时,甲烷的掺混会使得羟基(OH)基团增多,对柴油机的燃烧起着促进作用。在柴油机1 200r/min、80%负荷的工况点下,随着甲烷体积浓度提高至1.00%,滞燃期从7.35°缩短至7.07°,缸内最大燃烧压力从16.05MPa升高至16.46MPa,放热率峰值升高9.1%,缸内最高温度从1 737K升高至1 771K,NOx排放由10.55g/(kW·h)升高至11.36g/(kW·h),CO排放由0.12g/(kW·h)升高至1.34g/(kW·h),碳烟排放由1.210mg/(kW·h)下降至0.785mg/(kW·h)。矿井下空气中存在甲烷会对柴油机的燃烧及排放产生影响,但矿井下甲烷体积分数普遍低于0.7%,因此其对柴油机的影响较小。     

双循环EGR对VGT柴油发动机NO_x排放和油耗影响的模拟分析

对一台采用高压废气再循环系统(HP-EGR)的VGT柴油发动机进行台架试验,结合试验数据用GT-Power软件搭建出原机仿真模型。在此模型基础上,添加一条低压废气再循环(LP-EGR)回路,构成双循环废气再循环系统(dual-EGR)。仿真分析在某些稳态工况下,HP-EGR和LP-EGR所占废气再循环总量比例变化对该柴油机氮氧化物(NO_x)排放和比油耗(BSFC)的影响,并进行试验验证。研究结果表明:LP-EGR所占比例在一定程度内提高可以降低进气温度,降低NO_x排放量,提高的程度取决于中冷器的冷却能力,NO_x排量至少可降低0.4g/(kW·h);BSFC也随LP-EGR比例的升高,进气温度的降低而降低,但其同时还受VGT叶片开度的影响,BSFC至少可降低8.5g/(kW·h)。     

微种群遗传算法在电控柴油机控制参数优化中的应用

针对电控柴油机控制参数虚拟优化中传统优化算法存在的一些问题,利用一种全局智能寻优方法--微种群遗传算法,并结合改进的发动机三维数值模拟程序KIVA3V,建立起一个发动机多参数优化软件平台.在该软件平台上,对带有BUMP燃烧室的电控柴油机的喷油时刻和喷油压力进行优化.结果显示,在平均有效压力为0.79MPa时,优化后的发动机排放与原机相比,NOx由4.11g/(kW·h)降低到2.5lg/(kW·h),碳烟由0.267g/(kW·h)降低到0.240g/(kW·h),优化结果与优化试验数据基本吻合,说明微种群遗传算法非常适合发动机多参数优化问题的求解,优化结果可为实际燃烧过程的优化控制提供参考方案.     

两模式进气门晚关系统对柴油机燃烧及排放特性的影响

设计了一种基于凸轮轴的柴油机两模式进气门晚关系统,利用两种典型的气门升程曲线来调整气门定时,经过精细调整后装配于一台直列6缸排量为12,L的柴油机上,在1.0,MPa的平均有效压力(BMEP)下研究了进气门晚关对于重型柴油机燃烧的影响.结果表明,该系统降低了压缩过程的压力和温度,使滞燃期延长,着火前油气混合更均匀,预混燃烧比例增加.试验证明,该系统可以使不同工况的碳烟和NOx折衷排放降低,有效热效率在1,600,r/min、50%负荷和1,900,r/min、50%负荷时分别有3.5%和7%的提高.     

新型卧式非道路用双缸柴油机的开发

为满足非道路用途开发了新型卧式2D25柴油机。该发动机在机体结构布置、润滑和冷却系统等设计上采取许多新的技术方案和措施。详细介绍了该柴油机的结构设计、主要零部件和系统特点以及燃烧过程的开发和性能试验。结果表明:该发动机标定功率为37 kW(2 400 r/min)、最大扭矩167 N.m(1 600～1 700 r/min)、最低燃油消耗率224g/(kW.h)、机油消耗率小于0.3 g/(kW.h),达到中国非道路用柴油机第2阶段排放限值,是一款可以用于配套农业机械、工程机械、林业机械、材料装卸机械、内河机动船、发电机组等用途的直喷式柴油机。     

进气门晚关与两次喷射协同作用对柴油机中转速中等负荷的影响

通过对一台高密度-低温燃烧(HD-LTC)柴油机在1,600,r/min和1,900,r/min、中等负荷(50%负荷,平均有效压力为1.0,MPa)下进行研究,分析了进气门晚关(IVCA)机构在开启或关闭状态下及IVCA机构在开启条件下采用主喷加后喷策略对发动机的燃烧、排放和热效率的影响.结果表明:与未开启IVCA相比,HD-LTC柴油机在开启IVCA结构时,NOx与soot的折中排放大幅降低,同时有效热效率上升.采用主喷加后喷策略后,当后喷比例和定时适当时,soot排放大幅降低,NOx排放也略有下降.与1,600,r/min相比,1,900,r/min的最优后喷比例较低且定时较早,表明中等负荷下转速从中到高的变化过程中,同时降低后喷比例和提前后喷定时,有利于获得更优的排放效果.     

汽油、正丁醇掺混柴油对部分预混压燃的燃烧和排放影响

通过一台高压共轨重型柴油机,使用汽油/柴油和正丁醇/柴油掺混燃料,掺混比例为40%、60%和80%(体积分数),研究了平均有效压力(BMEP)为0.48 MPa和0.95 MPa工况下汽油和正丁醇燃料掺混对柴油部分预混压燃(PPCI)模式的燃烧和排放影响.结果表明:随着汽油和正丁醇掺混比例的提高,滞燃期明显延长,更大程度地将喷油与燃烧过程分离,实现高比例预混燃烧.在BMEP为0.48 MPa工况下,各比例掺混燃料均易实现高比例预混燃烧,掺混比例为40%结合EGR即可满足欧Ⅵ排放限值,而掺混比例为80%时燃烧则受到压力升高率极限和燃烧效率恶化的约束.随BMEP升至0.95 MPa,各燃料滞燃期缩短、预混燃烧比例明显降低,掺混比例为40%和60%时,各掺混燃料均呈明显的扩散燃烧过程.相比于汽油,正丁醇掺混燃料在较低掺混比例可获得更低的有效燃油消耗率(BSFC)和soot排放,正丁醇以高掺混比例(80%)结合中等EGR率实现了87%的预混燃烧比例,NOx以及颗粒物排放分别为0.4 g/(kW·h)和0.001 5 g/(kW·h).     

喷雾引导分层燃烧部分负荷喷油点火策略研究

在一台中置多孔喷油器的直喷汽油机上进行试验,研究了喷雾引导分层燃烧技术在部分负荷(n=2 000r/min、BMEP=0.2MPa)下,喷油点火策略对发动机油耗和排放的影响。研究结果表明:点火(IGN)时刻处于喷油结束(EOI)时刻附近时,可以实现稳定的分层稀薄燃烧。在IGN时刻与EOI时刻等高线图中,THC排放与NOx排放呈现矛盾折中关系,CO排放随EOI时刻的推迟而逐渐降低。有效燃油消耗率受到燃烧效率和燃烧相位两个矛盾因素的共同影响,在EOI为上止点前34°的曲轴转角而IGN为上止点前35°的曲轴转角时获得最低值(329g/(kW·h))。采用两次喷射策略时,小的喷射间隔下,喷射比例对分层燃烧的燃烧稳定性和排放影响较小。     

VVL米勒循环协同燃烧边界对增压直喷发动机部分负荷有效热效率影响

在一台表征现阶段水平的增压直喷汽油机上,开展VVL米勒循环策略与关键燃烧边界协同性对发动机燃烧热效率及部分负荷燃油经济性的试验研究。结果表明:VVL米勒循环可有效降低发动机泵气损失。在转数为2 000 r/min、负荷BMEP为0.2 MPa工况下,VVL米勒循环泵气损失改善约14%;VVL米勒循环需协同优化燃烧系统,提升湍动能水平削弱其不利影响;考虑高能点火系统能耗,对2 000 r/min、负荷BMEP为0.2 MPa工况下,BKC高能点火系统对BSFC改善不明显,但可改善COV_(IMEP)。在转速为2 000~3 000 r/min以下、负荷BMEP为0.2~0.4 MPa时,VVL米勒循环对燃油消耗率降幅约为2%~5%。     

VNT对柴油机NOx排放特性优化的研究

为了研究可变喷嘴涡轮(VNT)技术对降低柴油机NO_x排放的作用,首先对带排气旁通阀涡轮增压器(WG)和文丘里管高压废气再循环(vEGR)的WG-vEGR涡轮增压柴油机原机,运用GT-Power软件和AVL FIRE软件进行VNT的匹配,对柴油机综合性能进行了仿真计算,确定欧洲稳态测试循环(ESC)工况最优VNT开度规律,组成VNT-vEGR柴油机。随后对WG-vEGR柴油机和VNT-vEGR柴油机进行了ESC工况台架试验研究。研究结果表明:VNT能够提高柴油机的废气再循环(EGR)率,VNT-vEGR柴油机的ESC工况加权NO_x排放值为3.53g/(kW·h),与WG-vEGR柴油机原机的4.92g/(kW·h)相比,下降约28.25%;ESC工况加权比油耗为232.1g/(kW·h),相比于WG-vEGR柴油机原机的235.5g/(kW·h),降低约1.44%;ESC工况加权碳烟排放值为0.055g/(kW·h),相比于WG-vEGR柴油机原机的0.058g/(kW·h),降低约5.17%。且从加权比油耗和碳烟排放值的变化情况可以看出,该系统具有采用更大EGR率以获得NO_x排放进一步优化的潜力。     

高滚流Atkinson循环燃烧系统研究

为进一步提高发动机热效率,提出高滚流Atkinson循环燃烧系统概念。其特征是采用高滚流气道和活塞组合,配合Atkinson循环和废气再循环(EGR)技术,提高缸内的滚流和湍流水平,加快燃烧速度,同时降低汽油机爆震倾向。利用GT-Power和AVL FIRE软件针对某型汽油机进行了一维整机工作过程和三维计算流体动力学(CFD)模拟分析。结果表明:高滚流气道有利于促进缸内滚流运动,滚流比由原机的0.5提高到2.6;配合高滚流活塞后,使进气过程中产生的缸内初始滚流和压缩过程中的滚流维持作用都比原机有所增强,湍动能水平提升6.3%,瞬时放热率与原机相比平均提高15%;在此基础上,采用进气门晚关的方式实现Atkinson循环,并增加EGR系统,降低高压缩比带来的爆震倾向,比油耗在整个万有特性中均呈下降趋势,最低比油耗区明显变大,最低比油耗相比原机下降11.3g/(kW·h)。     

可变排量机油泵在发动机上的节油研究

为保证怠速工况下合理的机油压力,减少发动机热怠速异响,需要充分平衡机油泵的转排量。设计者在兼顾热怠速工况下机油压力,无疑造成了低温或高速工况下较大的液压功损失,从而引起发动机摩擦功增大,油耗增加。可变机油泵可以解决这一问题,因此受到越来越多厂家的青睐。本文对机油泵的摩擦功构成进行分析,对可变机油泵的节油原理进行了阐述,并通过台架测试,验证了同排量固定机油泵与二级可变排量机油泵在1.2TDG发动机上的节油表现,二级可变排量机油泵对油耗的贡献为,在转速2 000 r/min及油温9 0℃的状态下,摩擦功节省1.07%;有效燃料消耗率受发动机系统机油压力的影响较大,在90℃机油温度,发动机转速2 000 r/min,平均有效缸内压力为0.2 MPa工况下,系统机油压力每降低0.1 MPa,燃油消耗率可以降低6 g/(kW·h)。     

基于数值模拟的某柴油机燃烧室优化研究

用AVL FIRE软件建立了柴油机喷雾燃烧过程研究的计算模型,根据模型分析了燃烧室关键特征对经济性和排放的影响,并设计了燃烧室优化方案。研究发现,在A100工况,优化方案改善了油气混合状况,提高了空气利用率,并加速了燃烧后期速度,使得经济性得到提高,同时NO_x排放也有所增加;而在部分负荷A25工况,优化方案降低了燃烧室碗底的流动速度,减少了壁面传热损失,经济性得到提高,同时NO_x排放也有所降低。发动机台架试验结果表明,相对于原始方案,优化方案的外特性油耗平均降低了约2.0g/(kW·h);ESC循环加权油耗降低了2.2g/(kW·h),且加权NO_x比排放相当。