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.     

PCCI结合EGR对柴油机燃烧排放的影响

燃烧过程对发动机的整机性能有着重要的影响,通过调整进气门关闭时刻和提前喷油角度可以实现预混压燃,预混压燃(PCCI)能够很好的控制SOOT的排放,但对降低NOx排放不是很明显,PCCI结合外部EGR可以很好地控制NOx的排放。本文运用三维CFD模型对由4102BZLQ柴油机改造的PCCI进行了数值模拟,分析预混压燃对燃烧排放的影响,针对PCCI中NOx高排放问题加入外部EGR,对比不同EGR率时NOx、CO、HC排放的变化,并分析了可能导致NOx、CO、HC变化的机理。     

EGR的三效应对柴油机燃烧特性及排放的影响

将D19共轨柴油机的一维仿真模型与正庚烷简化机理耦合,计算不同EGR率下缸内进气组分的质量分数,以此为初始条件,利用三维CFD模拟,研究EGR的三种效应各自对燃烧及排放的影响以及三效应间的相互关系.结果表明:EGR的稀释效应是降低缸内压力、温度和累积放热量,推迟燃烧相位的主因,同时也决定着CO与NO的排放终值;由稀释效应引起的低温、缺氧抑制NO的生成,其中低温比缺氧的影响更强,并会削弱H_2O和CO_2的热效应对NO的抑制作用;对于EGR热效应而言,单位物质的量浓度CO_2吸热作用约是H_2O的4倍;碳烟排放在中等EGR率时主要受稀释效应影响,在高EGR率时,受三效应共同影响呈现低生成、弱氧化的变化趋势.     

阶跃EGR对重型柴油机燃烧过程的影响

研究了阶跃过程中废气再循环(EGR)流量在管路中的变化及其对重型柴油机燃烧过程的影响.证实可利用一系列相互之间有延迟的阶跃函数对EGR流量的变化过程进行描述,而进气流量等的变化可用一阶或二阶惯性系统的阶跃响应函数来描述.研究发现,随着EGR的加入引起的进入气缸总充量的减少是燃烧初始边界条件发生变化的主要原因之一.对放热...     

不同增压方式下EGR对高压共轨柴油机燃烧和排放的影响

在一台电控高压共轨柴油机上,采用单级增压、两级增压和可变几何截面增压3种增压方式,进行了高压冷却废气再循环(EGR)的燃烧与排放试验研究.结果表明,柴油机采用可变几何截面增压时,涡前与进气压差较低,泵气损失小,具有良好的燃油经济性;大负荷、等EGR率情况下,单级增压、两级增压和可变几何截面增压的缸内最大爆发压力和主燃烧...     

EGR对增压柴油机排放特性的影响

废气再循环(EGR)是降低柴油机NOx的一条有效技术路径.对于轻型车用增压中冷柴油机,采用从涡轮前取气回流到压气机后的高压EGR系统.应用真空驱动的弹簧膜片式EGR阀,真空度由控制器根据输入的电压信号量决定,从而控制EGR阀的开度.在不同工况下,研究了EGR阀的流通特性,分析了柴油机的HC、CO、NOx排放,烟度和比油耗随EGR率的变化规律.     

采用EGR的重型柴油机低速高负荷性能与排放特性

以低速高负荷为研究工况,重点研究增压系统、进气温度、废气再循环(EGR)方式和喷油控制策略对采用EGR技术的重型共轨柴油机性能与排放特性的影响.研究表明:合理减小单级增压器的涡轮有效流通面积与压气机流量范围或采用两级增压系统都能有效提升EGR循环能力,同时改善NOx-燃油消耗率(BSFC)和NOx-碳烟(soot)的trade-off关系;随进气温度升高,EGR率的提升和NOx的降低逐渐受到涡前温度过高限制,但降低进气温度能同时显著改善NOx-soot和NOx-BSFC的trade-off关系;相比高压EGR,采用低压EGR能有效增强废气循环能力与增压系统做功能力,显著改善NOx-soot和NOxBSFC的trade-off关系并将NOx降至更低水平;降低喷油压力与推迟喷油定时相结合能在实现等NOx时降低soot.经主-后喷间隔角度和后喷油量优化,采用主喷加后喷射的多次喷射策略能进一步降低soot.     

富氧燃烧与EGR对船用柴油机NO-碳烟排放和燃烧特性的影响

针对一台满足TierⅡ排放标准的船用柴油机,采用富氧燃烧与EGR相结合实现NO-碳烟排放同时降低并保证发动机功率没有损失,并探讨了实现TierⅢ排放标准的技术路线.AVLFire软件被用于建立仿真模型.研究表明,当单独使用富氧燃烧时,观察到较短的燃烧持续期、较高的缸内温度和指示功率,碳烟排放减少而NO排放恶化,而单独使用EGR时出现相反的趋势.研究发现,当发动机运行在1 350 r/min,75%负荷工况下,进气氧浓度为21%～24%,EGR率为0～25%时,上述范围内的4种组合可以实现低NO-碳烟排放且指示功率与原机基本持平.正如预期,通过富氧燃烧与EGR优化组合,可得到同时降低NO-碳烟排放低于原机的最佳优化区域.同时也发现,当超过15%的EGR率与较低的氧浓度结合时,可将NO排放降低至TierⅢ标准.     

EGR与喷油定时对柴油机预混燃烧颗粒排放的影响

采用试验方法研究了小负荷单次早喷射模式下EGR率和喷油定时对柴油机预混燃烧过程和颗粒排放的影响.结果表明:当喷油定时处于45°~35°,CA BTDC、EGR率不超过60%,时,积聚态颗粒物数浓度受EGR影响而增加的趋势较为缓慢,此时平均粒径大小在50~60,nm;当EGR率超过60%,达到70%,时,积聚态颗粒物数浓度急剧增加,此时数浓度的最大值所对应的平均粒径却减小到30~40,nm.当喷油定时处于30°~26°,CA BTDC时,积聚态颗粒物数浓度受EGR影响并不明显.随着喷油定时的推迟,核态颗粒物数浓度逐渐升高.当ηEGR≤60%,,总颗粒物数浓度受EGR率变化影响不大,但随喷油定时的推迟呈现逐渐升高的趋势,与核态颗粒物变化趋势一致;当ηEGR60%,,总颗粒物数浓度随EGR率升高急剧增加,这是积聚态和核态颗粒物共同作用的结果.     

EGR冷却温度对重型柴油机性能及排放的影响

以一台配有废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)冷却系统和可变几何截面涡轮增压器的高压共轨重型柴油机作为研究对象,进行了EGR冷却温度对柴油机性能及排放影响的台架试验研究。结果表明:随着EGR冷却温度降低,柴油机燃油消耗率、烟度和NOx排放均持续降低。而EGR冷却温度每降低1℃,柴油机燃油消耗率、烟度和NOx排放在不同转速、负荷下降幅差异明显。燃油消耗率在中等转速、低负荷工况降幅最大,NOx排放和烟度在高转速、低负荷工况下降幅最大;在考虑到EGR冷却系统消耗的能量后,可以通过计算得到理论燃油消耗率。在兼顾燃油消耗率和排放性的原则下得到了各工况下EGR相对最优冷却温度,而所得到的相对最优EGR冷却温度正是各个试验工况下理论燃油消耗率最低的温度。     

EGR对燃用煤制油增压柴油机燃烧与排放的影响

在一台增压柴油机上通过试验方法研究了废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对煤直接液化柴油(diesel from direct coal liquefaction,DDCL)和普通石化柴油的燃烧及排放的影响。试验结果表明:DDCL着火滞燃期比柴油长,燃烧持续期比柴油短,这种差别在40%EGR率下更明显;相同策略下DDCL燃烧对应的最大压升率高于柴油;当进气氧浓度低于19%后DDCL燃烧产生的NOx排放浓度低于柴油;不论采用何种控制策略,DDCL燃烧产生的碳烟排放浓度总低于柴油,产生的CO和HC排放浓度总高于柴油;柴油机分别燃用DDCL与柴油的油耗率很接近,随着EGR率的增加,DDCL的燃油经济性逐渐差于柴油。     

柴油燃料特性对重型柴油机燃烧和排放影响的试验

在一台电控高压共轨重型柴油机上,选择5种不同十六烷值(CN)柴油(CN为29、40、44、53和62)进行欧洲稳态测试循环(ESC)测试.结果表明:在25%,负荷下,燃烧放热始点随十六烷值降低而推迟,最大爆发压力和最大压升率明显增大;负荷增大后,十六烷值对放热始点影响变小,在75%,和100%,负荷下,只有CN为29的燃料放热时刻推迟,其余4种燃料缸内压力和放热规律受十六烷值影响很小.随十六烷值降低,有效燃油消耗率增大,但不同燃料有效热效率差异很小,因而低十六烷值燃料较高的燃油消耗是由其较低的热值造成的.随十六烷值降低,NO_x、soot、HC和CO排放增大,在小负荷工况,十六烷值变化对排放影响更显著.ESC十三工况加权结果表明,CN从62减到29,有效燃油消耗率增加5.6%,,NO_x排放增加23%,,soot排放增加300%,,HC和CO排放增加50%,.     

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。     

EGR对GDI汽油机燃烧和排放特性的影响

通过改变EGR率,在一台GDI汽油机上进行了EGR对燃烧和排放特性影响的试验.结果表明:加入EGR后,燃烧持续期增大;且随EGR率增加,着火时刻先提前后延迟;放热率曲线峰值逐渐降低且后移,放热过程迟缓,缸内压力和缸内温度逐渐降低,压力峰值前移.此外,EGR率增加导致NOx排放逐渐降低,最高降低比例达80%以上,THC和CO排放逐渐增加,最大增加比例分别约为25%和7%.GDI汽油机排气颗粒物呈核态和积聚态的双峰分布;积聚态颗粒物峰值数密度随EGR率升高逐渐降低,核态颗粒物峰值数密度和颗粒物总数量浓度在加入EGR后均明显增加,核态和积聚态颗粒物峰值粒径受EGR的影响较小.     

高比率冷EGR与进气富氧对柴油机燃烧及排放特性的影响

对普通增压中冷柴油机,采用富氧进气与高比率冷EGR相结合的技术,实现缸内富氧燃烧。未经优化的情况下使用富氧燃烧,NO排放随氧浓度的上升而大幅增加。富氧进气与高比率冷EGR相结合,可以显著降低碳烟的排放并抑制NO的过度增长,同时保证发动机的燃烧热效率和输出功率不降低。将不同浓度的氧气、EGR废气及空气三者充分混合,冷却后引入气缸参与燃烧;调整掺氧浓度和EGR率,考察发动机在各种掺比下的燃烧及排放特性。试验结果表明:在1 600 r/min全负荷工况,进气内通入20%~30%的EGR废气及23%的氧气,可有效抑制NO及碳烟排放,并能保证发动机具有良好的动力性。     

不同馏程柴油对重型柴油机燃烧和排放影响的试验研究

为研究柴油理化特性对柴油机燃烧和排放的影响,将市售柴油利用温度切割工艺得到不同蒸馏特性的4种柴油作为测试燃料,4种燃料的馏程温度T50从200℃到278℃,试验在1台电控高压共轨重型柴油机上开展.结果表明:不同馏程柴油在全负荷工况下的缸压放热率差异较小,但外特性转矩存在一定差异,高馏程温度柴油的外特性转矩较高.在小负荷时,随着馏程温度降低,燃烧始点推迟,预混燃烧放热率峰值升高;随着负荷进一步增大,不同馏程柴油之间的缸压放热率差异逐渐减小.随着馏程温度下降,有效热效率降低,有效燃油消耗率(BSFC)增加.对于排放结果,随着馏程温度升高,NOx排放升高,HC与CO排放降低,碳烟排放受多方面因素影响;排放特性与燃烧特性类似,排放特性在小负荷工况时较显著,大负荷差异小.对于ESC循环加权结果,随着馏程温度升高,加权有效燃油消耗率降低,但有效燃油消耗率降低仅为1%;随着馏程温度升高,加权NOx增长15%,加权HC、CO排放分别降低54%、18%;不同馏程柴油的加权碳烟排放差异为43%.     

喷孔直径对重型柴油机燃烧和排放的影响

为改善重型柴油机大负荷工况下的燃油经济性,通过一台高强化重型柴油单缸机研究了喷油器不同喷孔直径对燃烧和排放的影响,结果表明：随喷孔直径增大(从0.169 mm增大至0.218 mm),最高爆发压力和瞬时放热率峰值均有升高,燃烧持续期缩短,指示热效率提高．喷油器喷孔直径为0.203 mm时的NOx排放最高,而碳烟排放则随着喷孔直径增大而上升．对于大孔径(0.218 mm)喷油器,改善喷雾的雾化性能是提升燃烧速率的关键,通过与高增压和高轨压的协同作用,可进一步提高放热速率和燃烧等容度．模拟结果中,增大喷孔直径会增加单位时间内的气相燃油生成量,且在活塞凹坑底部易产生较大尺度的涡团,利于物质输运,促进混合．     

喷射参数对柴油机燃烧与排放特性的影响

在一台共轨柴油机上进行了喷射压力、喷射定时、后喷量及后/主间隔角等喷射参数影响作用的试验研究,利用FIRE软件数值模拟获取微观场变化信息,综合分析了喷射参数对缸内燃烧与有害排放物生成的影响机理及规律.结果表明,提高喷射压力和提前喷射定时有利于改善燃油经济性及碳烟排放,但在喷射压力较高(120～130,MPa),喷射定时提前到上止点前2°CA时,再提前喷射定时对碳烟的影响不大,而NOx的生成量显著增加,同时会引起燃烧粗暴.当后/主间隔角一定(15°CA),后喷量为1.5～2.0,mg时,烟度值达到最低,降幅为28%左右;后喷量为1.5,mg时,后/主间隔角在25,oCA附近,烟度达到最低,降幅达到20%.因此,引入后喷时需要选取适当的后/主间隔角和后喷油量,既要增强后喷燃油对缸内流场的扰动效果,使得更多的氧气进入主喷的燃烧产物区,加速碳烟的氧化又要避免进入高温缺氧区域内的后喷燃油量过多以及燃烧过于拖后等负面影响.     

EGR对柴油机燃烧影响的可视化研究

基于单缸柴油机和phantom高速相机,搭建柴油机燃烧过程可视化平台,进行EGR对柴油机燃烧影响的可视化研究。在不同EGR率条件下分析了EGR对燃烧过程和火焰温度的影响规律。研究表明,通过可视化平台可以从燃烧室底部直接拍摄燃烧火焰。在小负荷、自然吸气条件下,随着EGR引入,着火时刻推迟,火焰温度降低,高温区域的面积减小。EGR率为20%时,缸内着火区域面积明显减小,火焰亮度显著降低。缸压数据分析结果显示,随着EGR率的增加,爆发压力和放热率峰值减小,缸内平均温度降低。     

EGR的热效应和稀释效应对柴油机燃烧和排放的影响

以改进的KIVA-3V程序为计算平台,在转速为1,600,r/min,每循环喷油量为52.8,mg工况下,分别进行了EGR的热效应和稀释效应对柴油机燃烧和排放影响的数值模拟.结果表明,EGR的热效应对滞燃期影响较大,而稀释效应成为制约最高爆发压力和缸内温度的主要因素,且随着氧气体积分数的降低,热效应对最高爆发压力的影响增强;EGR导致碳烟排放增加是由于EGR的稀释效应,低温燃烧时碳烟排放的降低是EGR的稀释效应和热效应相互作用的结果;相比稀释效应,EGR的热效应是实现低温燃烧的主要因素,高进气热容更易改善NOx和碳烟排放的折衷关系.