配气正时对中速柴油机NO_x排放影响

本文采用数值仿真软件建立船用8340型中速柴油机燃烧室有限元模型,并对其进行了验证。在该模型基础上,针对进气正时对充量系数、缸内温度、压力及NO_x排放的影响进行计算研究并初步研究米勒循环对NO_x排放影响。结果表明:进气正时提前,缸内充量系数增大,最大爆发压力升高,可提高发动机动力性能,但NO_x排放也会随之增加;米勒循环的使用能有效降低柴油机NO_x排放。     

EGR率和涡流比对HPD柴油机燃烧特性影响

应用AVL FIRE三维软件,建立了高功率密度柴油机模型,研究了不同涡流比和EGR率对放热率、缸内压力、温度、平均指示压力和燃油消耗率等动力性和经济性的影响规律。仿真结果显示:EGR率使压力和温度降低,燃烧速率变缓,油耗增加,而涡流比的使用可以改善EGR率引入后的不良影响,二者匹配为优化高功率密度柴油机的燃烧过程提供了方法,解决了高功率密度柴油机动力性和经济性问题。     

进气温度及喷油正时对中速柴油机NOx排放影响

利用专业的缸内燃烧计算软件AVL FIRE,建立船用中速柴油机8340燃烧室有限元模型,并对其进行了验证.在该模型基础上,针对进气温度及喷油正时对NOx排放的影响进行计算研究,并提出合理的优化措施.结果表明,通过Miller循环,活塞头振荡冷却结合高压共轨技术来降低进气温度,推迟喷油正时,可有效降低NOx排放量至2.22 g/(kW·h),满足IMO TierⅢ的排放要求.     

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.     

柴油机低氮燃烧及排放性能研究

大量研究均通过缸内或进气道喷水、废气再循环(EGR)、替代新能源等技术来减少柴油机氮氧化物(NO_x)排放,但均都是通过降低缸内燃烧温度控制NO_x生成,都需以牺牲柴油机的经济性为代价,难以突破NO_x-C排放瓶颈。基于柴油机燃烧化学反应机理,NO_x的生成主要来源于进气中的氮气(N2),提出通过控制柴油机燃烧室内氮气的含量来控制柴油机NO_x排放。以高浓度氧气(O_2)和二氧化碳(CO_2)作为4135ACa柴油机进气,减少进气中N2成分,研究柴油机燃烧和排放性能。试验结果表明:进气中N2比例大于50%时,无论如何调节O_2与CO_2比例,均难以突破柴油机NO_x-C排放瓶颈;最终以无N2进气(50%O_250%CO_2)实现柴油机的稳定运转,实现NO_x的最低排放,排放值接近零。     

机内净化降低船用二冲程柴油机NO_x排放仿真

针对一台满足TierⅡ排放标准的船用二冲程柴油机,建立GT-Power一维仿真模型,研究了废气再循环(EGR)、米勒循环、进气加湿(HAM)以及优化喷油正时等手段对NO_x排放和燃油消耗率的影响,并探讨了通过多种措施耦合来实现TierⅢ排放标准的技术路线.结果表明:单独采用米勒循环或进气加湿难以达到TierⅢ排放标准;通过结合米勒循环和进气加湿,可以将NO_x排放降低至TierⅢ标准,但会导致燃油消耗率大幅增加;废气再循环是降低NO_x排放的最有效措施,通过将其与米勒循环和进气加湿相结合,可有效减小EGR使用率,并适度改善燃油经济性的恶化程度.     

稀释方式与进气包角对发动机影响的试验研究

基于1台带有低压废气再循环系统(EGR)的涡轮增压直喷汽油发动机,使用2种进气凸轮包角,首先研究了米勒循环部分负荷燃烧特性,之后研究了米勒循环、奥托循环耦合EGR、稀薄燃烧(简称稀燃)等技术的节油潜力。结果表明,米勒循环在部分负荷节气门开度大、进气压力高、泵气损失小,燃烧重心提前,燃烧持续期变长,排气温度上升,能减少有效燃油消耗率(BSFC),但随着负荷的增加,节油能力下降。米勒循环的进气包角小,进气时间短,进气门升程低,进气门处的节流损失大,导致米勒循环的缸内滚流比、湍动能、缸内湍流速度与活塞平均速度的比值(U_(prime)/C_m)大幅下降。米勒循环与奥托循环发动机稀燃的节油能力均大于EGR。由于米勒循环缸内主要流动参数低于奥托循环,米勒循环在搭配EGR技术和稀燃技术时的燃油经济性改善程度明显低于奥托循环。米勒循环机型的后续优化方向是提高缸内滚流强度。     

可变气门相异升程4气门汽油机稳态流动特性

4气门汽油机在双进气门全开的情况下只存在滚流,当关闭其中一个气门后会得到较强的涡流,但流通能力比双进气门全开差.提出可变进气门相异升程概念,研制了可变进气门相异升程凸轮轴.使汽油机在双气门全开的过程中不仅存在滚流,而且在流通能力基本不变情况下得到较强涡流,综合表现出斜轴涡流特性,并可通过调整进气凸轮相异角实时改变两个进气门的升程差,满足汽油机不同工况对缸内大尺度气体运动的不同需求.试验表明:在不同相异角、相同凸轮轴转角下,流通系数变化不大;相同凸轮轴转角下,涡流比、滚流比和无因次斜轴涡流比随着相异角的增加而增大,斜轴涡流倾角随着相异角增加而减小;进气过程中产生两次方向相反的涡流和斜轴涡流.     

EGR和进气温度对重油燃烧过程中NO_x的影响

在8340发动机的基础上,建立燃烧室有限元模型,计算EGR和进气温度对重油燃烧过程中NOx排放的影响。结果表明,EGR能控制燃烧速度,显著降低NOx的排放,但会导致燃油消耗率及碳烟的增加;进气温度的降低,能降低油耗并且使NOx的排放性能得到很好的改善。通过耦合EGR与进气温度来达到控制NOx的排放。     

低压EGR对GDI增压汽油机外特性下性能和排放影响

通过一款涡轮增压汽油直喷(gasoline direct injection,GDI)发动机低压废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)的试验,研究了EGR率和点火提前角的综合作用对增压GDI发动机的燃烧、缸压、排放和油耗等方面的影响。结果表明,在GDI增压发动机中加入EGR后,由于废气的稀释和热容作用,使缸内燃烧持续期增大,排气温度下降,燃烧相位也发生了改变。这对发动机外特性的有利影响是油耗减少,CO和NO_x排放也明显减少;不利影响是EGR的加入提高了增压发动机的排气压力,导致泵气损失增加。此外,总碳氢(total hydro carbons,THC)排放也有所增加。在GDI增压汽油机中使用EGR系统并配合点火角的调节能够有效提高热效率,降低NO_x排放。     

米勒循环协同废气再循环对高压直喷天然气船机的影响研究

基于CONVERGE建立了高压直喷(high-pressure direct injection,HPDI)天然气低速船机三维仿真模型,并基于该模型研究了米勒循环和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对发动机燃烧特性及污染物排放的影响规律,探究了米勒循环耦合EGR路线满足TierⅢ排放法规的可行性。研究结果表明,单独使用30%EGR率可满足TierⅢ排放标准,但指示油耗和碳烟排放增加显著;应用米勒循环降低NOx排放的潜力低于EGR;过大的排气门晚关角度会增大压气机工作负荷,且降低等量NO_x排放情况下油耗牺牲较大;采用25%EGR率耦合小程度米勒循环(排气门关闭时刻推迟5°曲轴转角)并适当提前天然气喷射正时(提前2°曲轴转角),可在指示油耗仅增加1.58%的前提下降低77%的NO_x排放,是满足TierⅢ排放法规可行的技术路线。     

基于响应面法的高强化柴油机燃烧系统多参数多目标优化匹配研究

通过引入一种新的优化方法———响应面法,对高强化柴油机燃烧系统进行多参数多目标优化匹配研究。基于有限数量的CFD三维仿真结果,构建了以燃烧室喉口半径、涡流比和喷孔数为输入参数及功率和最高燃烧压力为输出结果的响应面函数,并通过其进行各参数对性能影响的显著性检验和降维分析。基于所得响应面函数进行多参数全局寻优,得到3种具有不同特点的优化方案并与原方案进行缸内微观过程的对比分析。研究结果表明:对于所研究的机型,在喷油压力及喷孔流通面积恒定的情况下,燃烧室喉口半径与喷孔数的匹配和燃烧室喉口半径与涡流比的匹配分别是对功率和最高燃烧压力的主要影响因素;随着喷孔数的增加,功率对涡流比和燃烧室喉口半径的敏感程度逐渐减小,最高燃烧压力对燃烧室喉口半径的敏感程度逐渐增加;在所得的3种优化方案中,10孔和8孔方案可分别单独显著改善功率和最高燃烧压力指标,9孔方案可同时小幅度改善功率和最高燃烧压力指标。     

TBD620柴油机缸内工作过程仿真研究

利用PRO／E建立TBD620柴油机的进气道和燃烧室三维模型;并在FIRE软件中对进气、压缩和燃烧过程进行仿真计算。分析了TBD620柴油机双进气道可控涡流系统对缸内涡流、油气混合和燃烧排放特性的影响。结果表明,低负荷工况时关闭双进气道可控涡流系统的进气控制阀能显著改善缸内混合气的形成,提高柴油机燃烧及排放性能。     

多喷油器分段喷射对大缸径低速柴油机燃烧及排放的影响

针对大缸径低速二冲程船用柴油机,废气再循环(EGR)技术满足TierⅢ排放时造成的油耗恶化问题,采用三维数值模拟手段,研究了EGR氛围下多次喷射与燃油喷射角度对发动机油气混合、燃烧及排放的影响。结果表明,采用30%EGR率可满足TierⅢ排放标准;喷油角度直接决定缸内混合气形成过程,喷油角度过小会导致气缸中心油束重叠形成浓混合气区,缸内空气无法充分利用;喷油角过大会导致喷雾油束和火焰撞壁,缸壁散热损失增加;而适中的喷油角度(20°)有利于提升功率,降低油耗。在EGR氛围下通过协同优化多次喷射与喷油角度,采用30%EGR率结合10.0%预喷量,主预喷间隔为15°,喷油角20°,可使NO_x排放降低65.5%,油耗仅增加1.24%;采用三次喷射可进一步改善油耗与NO_x排放之间的折衷关系,但优化潜力有限。     

基于多脉冲喷射、可变增压以及推迟进气门关闭定时技术的混合燃烧控制策略

针对重载柴油机实现高效清洁燃烧进行了燃烧控制策略的研究.实验在一台拥有高压共轨系统、废气再循环系统、可变增压系统以及推迟进气门关闭定时系统的单缸实验发动机上进行.实验结果表明,当平均指示压力低于1.1 MPa时可以采用高EGR率的低温燃烧策略.其中,基于不同负荷工况高效清洁燃烧,需要配合进气增压、推迟进气门关闭定时技术以及不同的喷油模式.在低负荷工况下,单次早喷模式及高EGR率可以实现高的热效率以及低的NOx与碳烟排放.在中负荷工况下,采用多脉冲喷射模式及高EGR率协同作用,在降低化学反应速率的同时增强了混合,避免了因为局部不均匀而导致的碳烟排放过高.高的增压度提高了缸内充量密度,有效降低了NOx、碳烟、CO及HC排放,提高了热效率.研究结果还显示,在推迟进气门关闭定时系统的帮助下,采用多脉冲喷射以及高的增压压力,可以在保持高的热效率的同时进一步降低NOx以及碳烟排放.     

非同步气门正时对高速汽油机进气及燃烧过程的影响

结合某高速进气道喷射五气门汽油机,采用CFD技术和台架试验手段研究了同步与非同步气门正时对高速汽油机进气和燃烧过程的影响。CFD分析结果表明:非同步气门正时能够加强缸内气体流动,提高点火时刻的缸内湍动能,有利于火焰的快速传播,提高燃烧速率。试验结果表明:进气门2提前20°开启,比其他进气门开启时刻的扭矩提高了约3.1%,燃油消耗率降低了约4.2%;进气门2推迟20°开启燃油消耗率降低了约2.6%,发动机扭矩略微降低。非同步气门正时下,发动机HC和CO排放量均降低,进气门2提前20°开启由于缸内温度较高,NO_x排放量增加了约11.3%。进气门2推迟20°开启由于缸内进气量较低,NO_x排放量降低了约6.7%。     

改善热面点火天然气发动机起动和运转性能的研究

针对热面点火天然气机起动困难以及低负荷循环波动大、高负荷燃烧敲缸、Nox排放数值较高的问题,通过台架试验,分别研究了3种燃料添加剂、进气加热温度、隔热措施及热EGR对发动机起动和运转性能的影响.结果表明,采用3种添加剂、提高进气温度和燃烧室隔热,有利于天然气着火起动和稳定燃烧.采用热EGR有助于天然气发动机扩展功率范围并有利于降低Nox排放.     

基于EGR技术的国Ⅳ重型柴油机燃烧系统开发

在一台电控重型柴油机上进行了基于EGR技术的燃烧系统开发研究,组建了基于WGT增压器的电控高压EGR系统,研究了燃烧室、喷油器、增压器、EGR率及喷油参数等对柴油机性能和排放的影响,确定了最终的重型柴油机国IV燃烧系统优化方案.结果表明:通过优化匹配燃烧室和增压器并采用孔径较小的多孔喷油器能显著改善柴油机NOx和烟度之间的折衷关系;小负荷时,推迟喷油可以使NOx在降低较多的情况下烟度略有下降;随着EGR率增加,提高喷油压力与推迟喷油相结合,可以同时降低大负荷的NOx和烟度排放,并能改善燃油经济性.ESC循环测试结果表明,通过对燃烧系统、EGR和喷油控制参数的综合优化,在不采用后处理器的情况下,柴油机各气体排放(NOx、HC和CO)及微粒(PM)均达到国Ⅳ排放标准,十三工况加权油耗率与原机基本相当.     

高低压EGR系统对低速柴油机性能和排放影响的研究

以某型6缸低速二冲程柴油机为研究对象,建立GT-POWER一维仿真模型,研究高、低压EGR系统对柴油机性能及排放的影响。研究结果表明:随着EGR率的上升,高压EGR系统中压气机运行点从中心高效区向低效区和流量减小的方向移动,而低压EGR系统的流量和压比变化较小;高压EGR系统缸内压力始终低于低压EGR系统,在低负荷时,导致燃烧速度和放热率峰值低于低压EGR系统;燃油消耗率随着EGR率的增加呈上升趋势,当EGR率增加到一定程度时燃油消耗率上升更明显,并且高压EGR系统燃油消耗率明显高于低压EGR;两种EGR系统都能降低NO_x排放,但相同EGR率时,高压EGR系统NO_x减排效果更好。     

基于EGR的国Ⅳ重型柴油机技术路线探讨

在一台高压共轨重型柴油机上进行基于EGR技术的排放试验,对比研究了5个不同功率段(升功率分别为23.9、25.5、28.2、29.8和30.7kW/L)柴油机匹配单级增压和二级增压的性能与排放特性,探寻了采用EGR满足不同升功率柴油机的国-Ⅳ技术路线。试验结果表明:随功率段增加,二级增压比单级增压能显著改善中低转速全负荷时NOx与BSFC和碳烟之间的平衡关系,单级增压受EGR引入能力较弱和涡前温度较高双重限制,高功率段中低转速全负荷的NOx比排放难以降低到国-Ⅳ限值以下。ESC测试循环表明:碳烟和CO加权比排放随功率段降低而下降,但HC加权比排放随功率段降低而增加;在中小功率段(23.9、25.5和28.2kW/L),单级增压和二级增压NOx和碳烟加权比排放相当,2种增压方式都能在无后处理情况下使各项排放指标均满足国-Ⅳ排放法规,但单级增压的加权BSFC低于二级增压;随升功率增加,在高功率段(29.8和30.7kW/L),单级增压仅采用EGR技术难以实现国-Ⅳ的重型柴油机排放控制,而采用二级增压耦合EGR仍能在无后处理或简单后处理条件下使各项排放指标达到国-Ⅳ法规要求。