汽油/柴油双燃料高比例预混压燃燃烧与排放的试验

对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)模式的燃烧及排放特性进行了初步的试验研究.结果表明,通过改变柴油的喷射时刻、汽油比例,HPCC呈现出由多种燃烧模式组成的复合燃烧模式,可以实现极低的NOx和碳烟排放,并能保持较高的热效率.试验工况下,汽油比例为50%时,柴油喷油时刻在-58～-6,°CA ATDC时热效率较高,喷油时刻在-49,°CA ATDC和-16,°CA ATDC时分别出现碳烟和NOx排放峰值.进气压力影响HPCC着火滞燃期、燃烧反应速度和"失火"与"爆震"燃烧汽油比例限值,提高进气压力可以提高汽油比例,实现超低的NOx和碳烟排放,并降低HC排放,但CO排放有所升高.随着汽油比例的增加,NOx与碳烟排放降低,对于IMEP为0.5,MPa、汽油比例大于50%时,两者的原始排放分别低于0.4,g/(kW.h)、0.06,FSN,但HC和CO排放升高.     

EGR对汽柴油双燃料均质引燃影响的试验探究

本文在某六缸柴油机上,完成了不同EGR率下汽柴油双燃料均质引燃燃烧与排放特性的试验探究。试验结果表明,双燃料均质引燃模式具有与纯柴油模式完全不同的特性:随着EGR率的增加,双燃料模式的汽油燃烧品质改善,不完全燃烧产物生成减少,燃烧效率上升;由于滞燃期缩短,燃烧持续期基本不变,指示热效率上升,在大比例EGR下,双燃料模式的燃油经济性具有优势;双燃料模式对EGR并不敏感,随着EGR率的增加,NOx排放降低而Soot基本不变,可采取适当增大EGR率的策略,同时实现NOx与Soot的极低排放;双燃料模式存在THC与CO排放偏高的问题,但可通过加装DOC后处理装置解决。     

进气压力对汽油低温压燃的影响

在一台装有电液可变气门的单缸柴油机上,通过改变进气压力,研究了不同喷油正时和内部废气再循环(EGR)率下汽油压燃的燃烧特性和排放特性,并对实现汽油燃料高效清洁稳定低温燃烧(如平均指示压力循环波动系数5%,NOx排放低于0.4g/(kW·h),烟度低于0.1FSN,CO和HC排放尽可能低)的控制区间进行了探索研究。内部EGR通过排气门两次开启实现,发动机转速和循环喷油量分别固定为1 500r/min和28mg。研究结果表明,基于燃油早喷、较低内部EGR率和适量进气压力(0.12MPa)的协同控制可以使辛烷值为93的汽油在平均指示压力约为0.47MPa的工况下实现高效清洁燃烧。     

基于废气再循环的丁醇/柴油混合燃料的燃烧特性

在单缸柴油机上研究了柴油掺烧体积分数为40%的丁醇(即B40混合燃料)在不同废气再循环(EGR)和喷油时刻下的燃烧特性.结果表明,在1,400,r/min、平均指示压力为1,MPa时,EGR率增加到某一"拐点"值,最大燃烧压力和指示热效率迅速降低,HC和CO排放明显升高;与纯柴油相比,B40混合燃料"拐点"对应的EGR率更小在"拐点"前的EGR率正常变化范围内,B40混合燃料的最大燃烧压力和压力升高率高于纯柴油,滞燃期更长,放热速率更快,NOx排放略高,而指示热效率稍低于纯柴油.喷油过早,会导致压力升高率显著增大,EGR率正常变化范围变窄;喷油过迟,会造成燃烧重心推迟,指示热效率下降,"拐点"对应的EGR率显著变小.采用适当的喷油时刻,结合中等比例的EGR率,保证燃烧重心在上止点后7°CA附近,可以实现高效低污染的丁醇-柴油混合燃料燃烧.     

进气压力对柴油机低温燃烧的影响

通过改变进气压力,研究了不同EGR率下的燃烧和排放特性.结果表明,除了温度和压力之外,过量空气系数对滞燃期也有较大的影响.随进气压力变大,Soot峰值升高,对应的EGR率也增大,在相同的Soot排放时,可以选择更大的EGR率以进一步降低NOx排放.虽然低温燃烧解决了NOx和Soot之间的Trade-Off,但产生了燃油经济性、CO和THC排放与Soot之间的Trade-Off.对整个EGR率进行了分区,通过中等EGR率和高EGR率性能和排放对比,从工程应用角度来看,对Soot-Bump之前的中等EGR率低温燃烧区域进行燃烧优化将是满足未来排放法规的重点.     

正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响

在一台改造的单缸柴油机上,研究了柴油中掺入正丁醇燃料在不同EGR率、进气压力下对燃烧、性能和排放的影响.结果表明,柴油中添加正丁醇燃料使着火滞燃期延长,缸内最大爆发压力和燃烧温度下降,低温燃烧"失火"的EGR率降低,指示油耗减少,燃油经济性改善;正丁醇可明显降低碳烟排放,使烟度随EGR率变化趋势更加"平坦",烟度峰值对应的EGR率,变低,正丁醇比例越高,烟度越低;正丁醇对气体排放的影响与进气压力有关,正丁醇可以有效降低NOx排放,进气压力越大,正丁醇降低NOx的效果越明显;进气压力为0.15 MPa时,正丁醇比例越大,CO排放越低,但进气压力为0.24 MPa时,B20燃料CO排放最高;正丁醇对THC排放影响不大,但B20燃料在高EGR率条件下,其THC排放明显增大.因此,柴油燃料添加正丁醇是降低低温燃烧烟度和NOx排放,改善低温燃烧性能的有效途径.     

汽油/柴油双燃料发动机的低速高负荷扩展

在一台改造的单缸发动机上开展了进气道喷射汽油、缸内直喷柴油的双燃料燃烧模式的低速高负荷扩展研究.结果表明:汽油/柴油双燃料发动机高负荷工况需配合高比例废气再循环(EGR),当采用原机相同工况的进气压力时,由于进气量不足抑制了高EGR率的应用,导致高NO_x排放.通过提高进气压力,稳定燃烧对应的柴油喷油时刻范围变宽,汽油比例上限提高,降低了燃烧控制的难度.但由于汽油/柴油双燃料发动机的汽油高度预混合特性及直喷柴油引起的局部不均匀性,导致缸内最大压力升高率(MPRR)及碳烟排放偏高,限制了其向更高负荷的扩展.在提高进气压力的同时,通过提高汽油比例及EGR率,实现了在限定条件下向更高负荷的扩展及燃油消耗率的降低.相比于原柴油机,汽油/柴油双燃料发动机高负荷扩展的受限因素由进气增压前的高NO_x排放转变为增压后的高压力升高率.     

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。     

汽油/柴油双燃料低温燃烧过程和排放的试验

在转速为1,900,r/min、平均指示压力为0.8,MPa的工况下,通过一台单缸高压共轨柴油机进行了不同参数对汽油/柴油双燃料低温燃烧过程影响的试验,结果表明:在给定的试验工况及边界条件下,通过调整汽油和柴油的混合比例、EGR率、柴油喷射压力及喷射正时,可以实现燃烧过程的控制和优化,发动机热效率显著提升,氮氧化物(NOx)和碳烟(soot)排放大幅降低.在汽油比例为90%,、EGR率为40%,的条件下,发动机热效率随柴油喷射压力的升高有所改善,HC排放呈降低趋势,soot排放则一直保持极低水平,但NOx排放升高.在此基础上进一步对柴油喷射正时进行了试验,结果表明:柴油喷射正时对该工况下的低温燃烧过程有明显影响,若柴油喷射靠近上止点,其燃烧过程受柴油传统扩散燃烧影响;若喷射正时过于提前,其燃烧过程受预混燃烧控制.通过优化第二次柴油喷射正时,发动机指示热效率达到了53.2%,.     

PODE掺混和喷油参数对柴油机燃烧排放特性影响

在一台增压4缸直喷柴油机上开展了不同聚甲基二甲醚(PODE)掺混比例和喷油参数对柴油机燃烧和排放特性影响的试验.测试燃料包括纯柴油(PD0)、两种柴油/PODE混合燃料分别为PD20(PODE体积分数为20%)和PD30(PODE体积分数为30%).结果表明:随着喷油时刻的推迟,3种燃料缸内压力峰值降低,放热率峰值增加,燃油消耗率增加,热效率下降,CO和HC排放增加,NOx排放减小,颗粒物质量浓度降低,数量浓度先降低后升高;随喷油压力的增加,3种燃料缸内压力和放热率峰值增加,CO和HC排放减小,NOx排放增加,颗粒物数浓度和质量浓度下降.喷油时刻推迟和喷油压力增加都会使PD0的烟度排放明显减少,但对PD20和PD30的烟度排放影响比较小.随着PODE比例增加,热效率提高,但燃油消耗率上升,CO、HC和烟度排放下降,NOx排放小幅增加,颗粒物数浓度和质量浓度显著降低.     

喷油定时对柴油机超多喷孔预混合燃烧影响研究

柴油机低温预混合燃烧能够同时大幅度降低NOx和碳烟(soot)排放,本研究采用大量废气再循环(EGR)实现低温燃烧来降低NOx排放,采用超多喷孔喷油嘴并结合高压喷射来缩短喷油持续期,实现预混合燃烧从而降低soot排放,主要对喷油定时如何影响柴油机超多喷孔预混合燃烧性能进行了试验研究,选定4个试验工况,通过改变喷油定时来测试柴油机性能,结果显示随着喷油始点从上止点前向后推迟,各工况的NOx和soot排放都有不同程度的同时下降,有别于传统燃烧方式,但HC,CO,比油耗(BSFC)有所升高。     

两次喷射策略对汽油/聚甲氧基二甲醚高预混燃烧及排放的影响

在一台改造的单缸柴油机上进行了预主喷两次喷射策略对汽油/聚甲氧基二甲醚(PODE)高预混合燃烧(HPCC)影响的试验研究。研究结果表明:预主喷两次喷射策略能缩短主喷滞燃期,提前着火时刻;预主喷间隔较小或较大时,汽油/PODE HPCC燃烧放热率峰值较低;预主喷间隔为35°时燃烧放热率峰值最高,放热更加集中。预喷比例越大,预主喷间隔和主喷时刻对最大压升率和指示热效率的影响越大。通过预主喷两次喷射策略优化,可以显著提高汽油/PODE HPCC燃烧的指示热效率,减少碳氢和碳烟排放,但最大压升率有所增加。高负荷时,汽油/柴油HPCC因为碳烟排放的限制,适合采用两次喷射策略;汽油/PODE HPCC受限于最大压力升高率,更适合采用单次喷射策略。     

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.     

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)。     

冷、热EGR对柴油机性能、燃烧及排放特性的影响

为在保持柴油机动力性和经济性能的同时有效改善其排放性能,在一台4缸柴油机上针对6、12、24mg循环喷油量的负荷工况(记作低、中、高负荷)对比研究了冷、热废气再循环(EGR)对性能、燃烧及排放特性的影响。结果表明:EGR的引入减少了新鲜进气量,整体上延长了滞燃期,减缓了燃烧放热速率,降低了压力升高率;热EGR提高了进气温度,使低负荷时的碳氢化合物(HC)排放显著降低,热效率提高,而高负荷高EGR率时由于过量空气系数偏低引起了热效率的明显降低,对最大压力升高率的降低作用也弱于冷EGR;随着EGR率的提高,三种负荷下的氮氧化物(NO_x)排放均大幅度降低,碳烟排放在低、中负荷时较低,而在高负荷时则明显升高,NO_x与碳烟排放之间出现此消彼长的矛盾趋势。冷的高EGR率下的碳烟排放升高幅度减小,有效地缓解了这种矛盾。综合分析低、中、高负荷下的热效率及排放,低负荷时为提高热效率宜采用热EGR,高负荷时为降低过高的压力升高率并兼顾热效率则更适合采用冷EGR。     

Engine combustion and emission fuelled with natural gas: A review

Natural gas (NG) is one of the most important and successful alternative fuels for vehicles. Engine combustion and emission fuelled with natural gas have been reviewed by NG/gasoline bi-fuel engine, pure NG engine, NG/diesel dual fuel engine and HCNG engine. Compared to using gasoline, bi-fuel engine using NG exhibits higher thermal efficiency; produces lower HC, CO and PM emissions and higher NOx emission. The bi-fuel mode can not fully exert the advantages of NG. Optimization of structure design for engine chamber, injection parameters including injection timing, injection pressure and multi injection, and lean burn provides a technological route to achieve high efficiency, low emissions and balance between HC and NOx. Compared to diesel, NG/diesel dual fuel engine exhibits longer ignition delay; has lower thermal efficiency at low and partial loads and higher at medium and high loads; emits higher HC and CO emissions and lower PM and NOx emissions. The addition of hydrogen can further improve the thermal efficiency and decrease the HC, CO and PM emissions of NG engine, while significantly increase the NOx emission. In each mode, methane is the major composition of THC emission and it has great warming potential. Methane emission can be decreased by hydrogen addition and after-treatment technology.     

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.     

LP-EGR对增程器GDI汽油机燃烧和排放的影响

为进一步降低燃油消耗率和有害排放,开发增程器专用发动机,在一台缸内直喷(GDI)汽油机上选取增程器的3个运行工况点,开展了当量比燃烧模式下的低压废气再循环(LP-EGR)试验研究.结果表明:随着废气再循环(EGR)率的增加、点火时刻的推迟,缸内压力和放热率峰值降低且推迟,燃烧持续期延长,缸内燃烧由爆震逐渐过渡到失火,NOx排放降低.随着EGR率的增加,HC排放升高,CO和PM排放降低.点火时刻对HC、CO和颗粒物(PM)排放的影响规律随EGR率的变化而不同.引入EGR前、后的颗粒物总数量(PN)浓度值均在较低的数量级(105/cm^3).3个工况点综合优化后的最低有效燃油消耗率为219.1 g/(kW·h),较原机降低了7.75%.