车用增压二甲醚发动机燃烧和排放特性的试验研究

在一台D6114ZLQB柴油机上进行了燃用二甲醚（DME）的燃烧和排放特性的试验研究。研究结果表明：二甲醚发动机的外特性转矩特别是低速转矩比柴油机高;二甲醚喷油延迟角比柴油大,最高爆发压力、最大压力升高率、燃烧噪声比柴油低;二甲醚扩散燃烧速率比柴油快,燃烧持续期比柴油短。和柴油机相比,二甲醚发动机的NO,排放显著下降,其欧洲稳态测试循环（ESC的NOx排放比原柴油机降低41．6％;二甲醚发动机在全工况范围内碳烟排放为零。     

二甲醚发动机的供油、燃烧与排放

文章介绍了国内外关于二甲醚发动机供油、燃烧及排放方面的研究成果。     

二甲醚发动机动力及排放性能研究

在一台车用单缸直喷柴油机上进行了燃用二甲醚的试验研究,结果表明:二甲醚发动机的动力性及排放性能优于柴油机.基于二甲醚燃烧数值仿真计算平台,建立氮氧化物模型.利用建立的平台计算二甲醚发动机在不同负荷下的动力及排放性能.得出:仿真结果与试验结果相同.研究结果表明:二甲醚发动机的NOx排放比柴油机大幅度降低,二甲醚发动机可以完全消除碳烟排放,二甲醚是一种可以替代柴油的理想清洁燃料.     

喷射参数对二甲醚发动机NO_x排放的影响

以6105型压燃式二甲醚发动机为对象,研究了喷射系统的喷射压力、喷孔直径和供油提前角对二甲醚发动机外特性NOx排放的影响。试验结果表明:在外特性的整个转速范围内,NOx排放随发动机转速的升高而降低;在发动机转速较低时,NOx排放随喷射压力的升高而降低,高速时则反之;在发动机低速工况下,喷孔直径较小的喷油器NOx排放低,高速时大孔径的喷油器NOx排放低;喷油器针阀开启压力较高时,通过推迟供油提前角来控制NOx排放的效果较好,喷油器针阀开启压力较低时该效果不明显。     

废气再循环对增压二甲醚发动机排放与性能的影响

以增压中冷二甲醚发动机为对象,研究废气再循环(EGR)对发动机动力性、经济性和排放特性的影响。试验结果表明:在宽广的负荷范围内采用EGR可大幅度降低二甲醚发动机的排放;发动机EGR率为4.8%～7.5%时,ESC循环试验中的CO、HC和NOx排放均可满足国-Ⅳ排放标准的限值;采用5.5%～8.7%EGR率后,发动机动力性能稍有下降,但下降的幅度较小,发动机在低转速下动力性能受EGR的影响大于在中、高转速时受到的影响;EGR率为5.5%～8.7%时,发动机中、低负荷下的燃料消耗率基本不变,高负荷工况下燃料消耗率升高1.0%～3.8%。     

二甲醚发动机燃烧特性的试验与数值模拟研究

在一台直喷式压燃发动机上开展了二甲醚燃烧与排放特性的试验与数值模拟研究。测量了二甲醚在高压燃油泵内的泄漏量及其与发动机转速之间的定量关系,并就发动机分别燃用二甲醚和柴油的运转性能进行了对比试验研究,结果表明,发动机燃用二甲醚要比燃用柴油具有更好的性能与排放水平;另从二甲醚低温着火的化学反应机理人手,开展了其自燃着火过程的数值模拟研究,进而建立了计及温度、压力和燃空当量比因素的DME滞燃期数据库;通过将该数据库与发动机循环模拟程序相耦合,对DME发动机的运转性能进行了变参数预测分析,预测结果与试验结果吻合较好。     

二甲醚发动机燃烧模型的建立

根据直喷式四冲程柴油机的工作特点,结合传统柴油机的燃烧模型,建立适合于二甲醚发动机的燃烧模型,并进行模拟计算。模拟结果与试验结果比较吻合,表明该模型具有一定的适用性。     

二甲醚发动机采用PCCI-DI燃烧方式的研究

开展了DME PCCI-DI发动机燃烧和排放特性的试验研究,并与DME HCCI发动机的性能进行了对比.结果表明:DME PCCI-DI发动机的输出功率在一定程度仍然受到均质浓混合气燃烧爆震的限制,但发动机的功率输出较DME HCCI发动机有较大的提高.HCCI发动机的Nox的排放能维持在非常低的水平,但其HC和CO排放远高于DME PCCI-DI发动机,且其只能在很窄的范围内工作.由于DME PCCI-DI发动机具有一定的预混燃烧量,从而使扩散燃烧速率加快,是一种具有最高爆发压力较小、压力升高率较低以及低燃烧噪声的一种燃烧模式.在目前HCCI发动机没有完全成熟的条件下,PCCI-DI模式是兼顾HCCI燃烧优点,拓宽HCCI发动机运转范围的较为合理的一种燃烧模式.     

二甲醚柴油各组分含量数值模拟研究

为了实现发动杌的清洁、高效燃烧,二甲基醚作为压燃式发动机的代用燃料已经引起了国内外的广泛关注.本文在KIVA源程序中向燃料库添加液态DME的各种物性参数数据模块等以建立二甲醚燃料库,针对二甲醚燃料建立了油束模型和燃烧模型,并把这些数学模型耦合入KIVA后形成子程序并建立了二甲醚燃烧数值仿真计算平台.利用建立的平台计算了燃烧二甲醚柴油时的各组分含量.数值模拟表明:仿真结果与试验结果相同,所建立的二甲醚燃烧过程数值模拟平台具有一定的实用性.结果表明:燃用二甲醚的发动机与燃用柴油比较,缸内组分CO、CO2量较少.     

二甲醚发动机非常规排放物及超细颗粒物排放特征研究

综述了二甲醚发动机在非常规排放物和超细颗粒物排放方面的研究进展。重点阐述了二甲醚发动机的甲醛、甲酸甲酯和甲酸等非常规排放物的测试方法、生成机理、排放特征和影响因素。深入地研究了二甲醚发动机的超细微粒排放。     

直列泵柴油机燃用二甲醚(DME)的燃烧排放特性分析

在一台增压直列泵柴油机进行了燃用柴油和二甲醚的试验,实测了缸内压力,并据此计算了燃烧放热率,对动力性及排放特性进行了对比分析。结果表明:发动机燃用二甲醚后,功率和扭矩都有所提升,选用9°CA和12°CA供油提前角时,在不同转速下的NOx排放均低于柴油;在全负荷情况下的最高燃烧压力和峰值放热率均低于柴油;二甲醚的喷油量是柴油的两倍,但二甲醚的燃烧速度高于柴油,所以二者的燃烧持续期相差不大;选用6孔的喷嘴比5孔喷嘴燃烧更加充分,但是较高的最高燃烧压力和燃烧放热律也使得NOx排放增加。     

柴油机燃用二甲醚的燃烧特性

对直喷式柴油机燃用二甲醚的燃烧特性进行了研究,测量了示功图和油器针阀升程,计算了燃烧特性并与燃用柴油进行对比。结果表明,与柴油相比,发动机燃用二甲醚时的喷油延迟期延长,滞燃期缩短,最高爆发压力和最大压力升高率均低于柴油机。研究表明发动机燃用二甲醚具有良好燃烧特性。     

准均质压燃二甲醚发动机的性能与排放特性研究

在单缸二甲醚发动机上开展了从进气管导入不同量二甲醚对发动机性能与排放特性影响的试验研究。结果表明:采用准均质充量压缩工作模式时发动机可在较宽广的转速和负荷下运行;热效率提高;排气温度略有降低;NO_x排放下降了30%～50%,但HC和CO排放有所上升。随着进气管中引入的二甲醚量的增加,NO_x、HC和CO排放都随之增加。采用预混准均质压燃工作模式是进一步提高二甲醚发动机的热效率并降低NO_x排放的有效措施之一。     

二甲醚发动机燃油喷射过程的数值模拟及其试验研究

针对采用普通油泵—油管—油嘴燃油系统的二甲醚发动机,建立了燃油喷射过程的数学模型,通过对不同工况下燃用DME和柴油的燃油喷射过程的数值模拟与计算结果的试验验证,揭示了二甲醚发动机燃油喷射过程的物理本质及其特性参数的变化规律。研究表明,由于DME具有较高的可压缩性,致使其泵端与嘴端压力上升及下降都较柴油缓慢,压力上升始点延迟,实际喷油始点滞后,嘴端油管压力峰值较低,高压油管中的残余压力较高,较易出现二次喷射现象。     

增压柴油机燃用不同掺比菜籽油甲酯的燃烧和排放的试验研究

在D6114ZLQB车用增压柴油机上比较研究了不同比例的菜籽油甲酯和0号柴油的混合燃料对发动机燃烧过程、燃油经济性和排放特性的影响。试验结果表明：燃用体积比低于15%的菜籽油甲酯,发动机的缸内燃烧过程和纯柴油基本一致;增压柴油机燃用菜籽油甲酯和柴油的混合燃料可以有效降低碳烟、HC和CO的排放;NOx排放略有上升;15%以内的菜籽油甲酯对柴油机燃料经济性影响很小。研究认为：增压柴油机相对自然吸气式柴油机具有更好的生物柴油燃料适应性;在不改变发动机参数的条件下,低比例的菜籽油甲酯具有良好的推广应用前景。     

一种新型含氧燃料燃烧与排放性能研究

开展了柴油机燃用柴油／乙二醇单丁醚混合燃料的燃烧与排放性能研究。试验结果表明：在柴油机中加入一定比例的乙二醇单丁醚（NBE）,柴油机热效率得到明显提高,着火略有延迟,燃烧速度加快,燃烧持续期缩短。烟度和CO排放大幅度降低。加入159／5～25％NBE时,烟度下降43．9％～759／5,CO排放在高负荷下降46．5％～56％,HC排放也不同程度降低,NOx排放稍有下降。试验结果显示了柴油机燃用乙二醇单丁醚在降低排放方面的优越性。     

直喷式柴油机燃烧室几何形状对排放影响的多维数值模拟研究

在保证压缩比相同的情况下,设计了3种不同形状的燃烧室。运用AVL公司开发的FIRE软件,对3种不同形状燃烧室进行了三维数值模拟,分析了上止点附近气缸内的气体流动情况,并对3种燃烧室内的排放情况及影响排放的主要因素进行了比较分析,得出:径深比过小,即燃烧室过深,不利于空气与油气的良好混合,易造成局部油气过浓,从而局部缺氧,产生较多碳烟;径深比过大时,油气雾化好、燃烧早、温度上升快,NOx生成量增加。最后,通过模拟计算与试验研究相结合,验证了模型并选取了最优形状的燃烧室。     

非道路中小功率增压柴油机排放控制试验研究

为了改善非道路用中小功率直喷增压柴油机3100E的排放性能,使之达到2008年开始实施的美国环境保护局(EPA)第4阶段非道路用柴油机排放标准的要求,通过试验优化了高压油管内径、减压阀容积、供油提前角等喷油系统参数及燃烧室几何形状,系统研究了这些参数对发动机NOx和颗粒物(PM)排放的影响。试验结果表明,在保持发动机动力性及经济性的情况下,合理优化匹配喷油系统参数和燃烧室设计,可以改善该机的燃烧过程,有效降低发动机的有害物排放量,使之达到美国环境保护局第4阶段排放标准。     

二级增压重型柴油机排放和燃烧特性的试验研究

在一台电控高压共轨柴油机上进行二级增压优化匹配,并以单级增压作为对比基准,分析了不同工况下二级增压柴油机的性能、排放与燃烧特性,研究了进气温度对其的影响。试验结果表明:相对单级增压,柴油机二级增压后低速外特性扭矩达到1 170N.m,烟度与燃油经济性改善幅度分别为99.3%和13.4%;二级增压能够提高EGR的引入能力,减小进气节流损失,并可显著改善中低转速、高负荷时NOx与烟度和燃油消耗率之间的平衡关系;在压气机特性图中二级增压柴油机的运行线远离喘振边界线;在各个工况下,进气温度升高使NOx比排放快速增加,导致柴油机NOx与烟度之间的平衡关系变差。     

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。