柴油微引燃乙醇发动机燃烧、性能及排放特性研究

柴油微引燃乙醇发动机采用进气道喷射乙醇、缸内直喷微量柴油引燃的方式进行燃料供给。基于单缸四冲程柴油机,对其燃烧、性能及排放特性进行研究,固定引燃柴油喷射量为发动机能实现压燃着火的最小值,在进气压力为0.15 MPa时比较不同乙醇喷射量的工况组,通过改变柴油喷射时刻进行工况扫描。结果表明,引燃柴油的喷射时刻对发动机的燃烧、性能和排放影响显著。柴油微引燃乙醇发动机在中高负荷能够稳定运行,指示热效率可达34%以上,通过适当调节柴油喷射时刻,可以有效控制未燃碳氢(UHC)、NO_x与CO排放,同时可以实现极低的炭烟排放。柴油微引燃乙醇发动机燃烧模式为预混合或部分预混合燃烧,燃烧有两阶段放热特征,改变引燃柴油喷射时刻,可以有效控制燃烧相位。     

微量柴油引燃高压直喷天然气发动机燃烧循环变动研究

微量柴油引燃高压直喷天然气发动机排放低于同排量柴油机,热效率与同排量柴油机相当,具有良好的发展前景。对于高压直喷天然气发动机,循环变动特性直接影响了其运行的稳定性,但目前的研究大多针对发动机的燃烧和排放特性,对循环变动的研究十分有限。以一台微量柴油引燃高压直喷天然气发动机为研究对象,对其外特性工况下不同运行参数的循环变动进行了研究。结果表明:随天然气喷射提前角增加,最大燃烧压力的循环变动呈现先增加后减小的趋势,低速下最大燃烧压力的循环变动相对较高;滞燃期和50%燃料燃烧相位角的循环变动随天然气喷射的提前和转速的增加而增加;在24MPa喷射压力下,平均有效压力的循环变动随天然气喷射提前角的增加而增加,而在30MPa下,平均有效压力循环变动随天然气喷射提前角的变化规律与转速有关;在高转速下,平均有效压力的循环变动相对较高;燃料的喷射压力对各参数的循环变动影响很小。     

引燃柴油喷射时刻对缸内直喷天然气燃烧的影响

应用三维数值仿真技术,通过改变微引燃柴油的喷射时刻,对柴油微引燃缸内直喷天然气发动机的燃烧过程进行了模拟。结果表明,保持微引燃柴油及天然气两者的喷射时间间隔及喷射持续期不变,则微引燃柴油喷射时刻越靠后,天然气燃烧过程越远离上止点,燃烧等容度越差,缸内压力和温度的峰值越低,喷油时刻每推后2°,缸内压力峰值约降低7.4%,温度峰值约降低3%,NO的排放减少,炭烟排放基本不受影响。     

天然气发动机燃烧方式分析

根据混合气形成和着火方式将天然气发动机的燃烧模式分成均质混合气点燃、非均质混合气点燃、均质混合气压燃和非均质混合气压燃/引燃4种。分析了这4种燃烧模式针对发动机性能和排放方面的特点,讨论了目前存在的问题。认为目前最有实用价值的模式为柴油引燃天然气非均质扩散燃烧,因为其热效率高于火花点火发动机,与传统柴油机相当,而有害排放物排放却较柴油机明显降低,并且相对于HCCI更易实现。     

正丁醇-柴油对柴油机燃烧及排放影响的试验研究

通过配制不同正丁醇掺混比例的正丁醇-柴油混合油,在不改变供油提前角和燃油系统的条件下,测量了柴油机燃用正丁醇-柴油混合油的气缸压力、放热率以及NOx、炭烟等排放污染物,探讨了正丁醇掺混比例对柴油机燃烧过程的影响规律,分析了正丁醇对排放污染物的作用过程。结果表明:正丁醇掺混比例为0%,5%,10%时,低转速、低负荷工况下,缸内最大燃烧压力分别为6.2MPa,5.9MPa和5.8MPa,与燃烧柴油相比略有降低;高转速、高负荷工况时,缸内最大燃烧压力分别为7.5 MPa,7.6 MPa,7.7 MPa,与燃烧柴油相比稍有增加;随着正丁醇掺混比例增加,柴油机的CO和HC排放升高,在中低负荷下NOx排放有所降低,高负荷时升高明显,平均增加了6.4%,炭烟排放降低明显,燃用正丁醇添加比例为5%和10%时,在高负荷下炭烟分别下降了25%和36%。     

内部EGR及增压拓展柴油HCCI燃烧负荷范围试验研究

在135单缸柴油机上对比了传统燃烧模式和HCCI燃烧模式的负荷特性,优化了HCCI燃烧模式的喷油始点,分析了内部EGR率及增压压力对HCCI燃烧负荷范围及排放的影响。试验结果表明:对于负气门重叠期喷油的HCCI燃烧模式,1 500r/min下,最佳喷油始点为370°BTDC,气门重叠期为-30°时既保证了较低的NOx排放,又可以获得较佳的负荷范围;提高增压压力不仅可以拓展HCCI燃烧的负荷上限,对负荷下限的燃烧稳定性也有利;将增压压力提高到0.18MPa时,负荷上限从传统燃烧的0.594MPa上升到0.723MPa,但负荷下限较传统燃烧模式要高,CO排放、烟度和燃油经济性都较差。     

纯柴油、柴油/CNG两种燃烧模式下应用EGR的发动机性能研究

在一台单缸柴油机上加装天然气电控喷射系统，改造成柴油／CNG双燃料发动机。通过示功图、放热率、排放特性和经济性的实验与分析，研究了纯柴油和双燃料两种燃烧模式下应用冷却EGR的效果。研究表明：不管是纯柴油模式还是双燃料模式，使用EGR之后，NOx都有大幅度降低；纯柴油模式使用EGR之后，会带来碳烟排放的恶化，但是对于双燃料模式，当EGR比例在22％以内，负荷小于75％时，不会造成碳烟排放的恶化。随着EGR比例的增大，燃烧放热率曲线由双峰过渡到单峰形状，具有均质压燃(HCCI)燃烧过程的特征。     

柴油/甲醇组合燃烧在增压柴油机上的应用

在4102增压柴油机上采用柴油/甲醇组合燃烧方式(在柴油机的一部分工况采用现有的扩散燃烧方式,另一部分工况采用柴油引燃醇燃料均质混合气的组合燃烧方式)进行试验;试验结果表明,采用组合燃烧后柴油机的NOx排放和燃料的消耗率较原机有显著减少。     

单缸直喷柴油机涡流室燃烧系统外部增压的实验研究

为满足非道路用柴油机的排放法规,从改善柴油机缸内混合气形成质量出发,提出了直喷式柴油机涡流室燃烧系统;设计了柴油机外部增压系统,进行了新型燃烧系统在外部增压下性能的实验研究。结果表明,外部增压能降低柴油机的油耗和排放;增压压力为0.15MPa时,柴油机油耗率最低。增压压力为0.18MPa时,使用4×0.36×140°喷油嘴在供油提前角为8°CA、90%负荷下,NOx排放量仅为常压下的25%。     

CNG/柴油双燃料发动机燃烧特性研究

基于某高压共轨柴油机进行CNG/柴油双燃料发动机的燃烧特性研究。在不同工况下通过改变引燃柴油的喷射参数及空燃比改变燃烧特性,对发动机燃烧压力进行实时测量,对比分析双燃料发动机与柴油机的燃烧差异及引燃油量、引燃时刻和空燃比对双燃料发动机燃烧的影响。基于试验得出双燃料发动机的放热率、起燃时刻及燃烧持续期等特征,从而给出双燃料发动机性能提升建议。     

等热值替代的天然气双燃料发动机的改装和控制策略

为提高经济性和降低排放,开发了双燃料发动机电控单元(ECU);对一高压共轨柴油发动机进行了双燃料改装,以实现柴油引燃天然气的燃烧模式。用实验方法,验证了基于柴油等热值替代的双燃料控制策略。结果表明:相比纯柴油模式原机,双燃料模式下给定替代率的实时控制的误差不超过5.2%;外特性曲线基本一致,最大扭矩增加了2.6%;CO2排放降低了40%,NOx排放降低了33%;但总碳氢化合物排放的最大值比原机高出20倍,CO排放的最大值高出6倍。这说明,本控制策略合理可行,适合天然气双燃料发动机。     

氨-生物燃料双燃料发动机的燃烧与排放特性

针对双碳目标,应用低碳/零碳燃料是实现内燃机高效清洁燃烧的有效途径。本研究基于一个双燃料柴油机台架开展,缸内直喷燃料分别选用柴油、生物柴油/汽油混合燃料(BG70)和生物柴油/汽油/乙醇混合燃料(BG50E20);氨为进气道喷射,能量替代率为0～28%。试验工况为1 200 r/min、0.8 MPa指示平均有效压力(IMEP)。对比分析了不同燃料的一氧化碳(CO)、总碳氢(THC)、氮氧化物(NO_x)排放以及颗粒物粒径分布。结果表明：单燃料模式下,BG70和BG50E20的指示热效率高于柴油。BG70的CO排放相比柴油降低30%,但THC和NO_x排放在3种燃料中最高。BG70和BG50E20的总颗粒物数量(TPN)排放低于柴油。相比各燃料单燃料模式的燃烧与排放性能,添加氨后的3种燃料的指示热效率降低1%～2%;CO排放增加约1倍;柴油和BG70的NO_x排放减少接近50%,BG50E20的NO_x排放减少约30%。另外,氨的加入对BG70和BG50E20的TPN有显著影响,当氨能量替代率从0增长至28...     

生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的燃烧与排放特性

为了改善发动机燃用高比例生物质混合燃料的性能,在中等比例的生物柴油-柴油混合燃料中分别添加5%、10%和20%体积比的乙醇（分别用BD50E5,BD50E10和BD50E20表示）,在一台6缸增压共轨柴油机上,将发动机的转速稳定在1 600 r·min^-1,选择7个不同的负荷点测定不同掺混比生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的燃烧与排放性能,并将其与柴油进行对比。结果表明：在平均有效压力为0.322 MPa的低负荷条件下,发动机为预喷加主喷喷油策略,在预喷的低温反应阶段生物柴油-柴油-乙醇混合燃料产生了大量羟基自由基,因此混合燃料的缸内最大压力和最大瞬时放热率均高于柴油;随着负荷的增大,当平均有效压力为0.805 MPa时,发动机的喷油策略转变为单段喷射,乙醇的热值较低导致生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的缸内最大压力和最大瞬时放热率低于柴油;随着乙醇掺混比的增大,受乙醇低十六烷值和高汽化潜热的影响,生物柴油-柴油-乙醇混合燃料的滞燃期明显延长;强烈的预混燃烧和乙醇的高含氧量使混合燃料的燃烧速度明显加快,乙醇的添加有利于燃料集中放热从而缩短燃烧持续期;与纯柴油相比,BD50E5,BD50E10和BD50E20的NO_x排放量分别升高了10.46%、12.59%和17.52%,碳烟排放量分别降低了37.91%、45.85%和49.25%,CO排放量分别降低了20.24%、36.43%和46.43%,HC排放量分别降低了12.53%、4.40%和0.76%。     

天然气发动机最高转速准均质压燃特性的研究

就国产6110增压中冷发动机燃烧天然气的一些性能进行了研究。在压缩终了被少量柴油引燃的均匀天然气混合气的燃烧接近均质压燃燃烧过程。采用了发动机缸内分析以及相应工况的排放测试对比分析方式，对发动机的燃烧特性进行了试验研究。     

二甲醚均质压燃模式非常规排放的试验研究

在ZS1100柴油机上进行了二甲醚均质压燃、二甲醚—柴油混合燃料燃烧模式下的非常规排放试验研究。试验结果表明,二甲醚均质压燃非常规排放物主要是甲醛,其排放量主要与负荷变化相关,柴油机能够稳定运行的最大扭矩是20 N.m,混合燃料燃烧时,负荷可达到45 N.m。     

掺烧LPG对直喷式柴油机性能的影响

提出一种柴油机混合燃用LPG的新方式,即LPG/柴油混合喷射方式。分析了不同LPG质量掺混比对发动机热效率、排放特性和燃烧特性的影响。试验结果表明,LPG掺混比较小时,可以改善发动机的热效率;掺混比较大时,烟度和NO_x排放大幅降低,平均有效压力较高时CO排放也有所降低,HC略有升高;LPG混入柴油中对发动机燃烧特性也有显著影响。     

丁醇-柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性试验研究

为了深入研究丁醇同分异构体在双燃料发动机上燃烧和排放的差异,基于1台重型6缸涡轮增压柴油机,在转速1 500 r/min、缸内循环总能量1 280 J/cycle工况下,针对正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料的燃烧和排放特性进行了试验研究。研究结果表明:随着柴油喷射定时的提前,正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的最大缸内压力相位、放热率峰值相位和θ_(CA10)提前,最大缸内压力、缸内最高平均温度和燃烧持续期增加,放热率峰值和最大压力升高率先增大后减小,HC,CO和颗粒物排放降低,而NO_x排放先增加后减少。在相同的柴油喷射定时和丁醇替代比条件下,相比于正丁醇-柴油双燃料燃烧,异丁醇-柴油双燃料燃烧的θ_(CA10),θ_(CA50)和θ_(CA90)均提前,滞燃期和燃烧持续期变短,最大缸内压力、放热率峰值和最大压力升高率降低,HC和NO_x排放较高,而CO和颗粒物排放较低。     

预喷射对生物柴油发动机燃烧及排放特性影响研究

研究了不同预喷条件下满足国Ⅴ排放的高压共轨柴油机燃用混合燃料BD20（含80％体积分数的国Ⅴ柴油和20％体积分数的餐饮废油制生物柴油）的燃烧及排放特性。结果表明：采用预喷射后滞燃期有所缩短,燃烧持续期有所增大。相比于预喷间隔,预喷油量对滞燃期及燃烧持续期的影响更为显著;预喷射显著减小了主燃烧的压力升高率,改善了燃烧的剧烈程度,且低负荷取较小预喷间隔、高负荷取较大预喷间隔效果较优;采用预喷射后NO x 排放均有所降低,大部分预喷射条件下PM 排放有所增加,各负荷均存在着较佳预喷射方案,可以同时改善NO x 及PM 排放。     

预喷策略耦合EGR对DN双燃料发动机工作过程的影响

基于三维流体力学软件,模拟研究了不同预喷策略耦合EGR对柴油/天然气(DN)双燃料发动机燃烧和排放特性的影响,研究表明:柴油预喷射量(FDIR)固定,预喷时刻(FDIT)提前至-10(°)CA ATDC以前时,燃烧质心(CA 50)更加靠近上止点,有利于降低CH_4、HC、CO和Soot排放,但NO_x排放大于单次喷射且在-20(°)CA ATDC时达到峰值;FDIT提前至-10(°)CA ATDC时,FDIR的增加对排放影响不大,FDIT提前至-10(°)CA ATDC以前时,较大的FDIR使CH_4、HC、CO和Soot排放保持在较低水平;随EGR率增加,不同预喷策略下CH_4、HC、Soot、CO排放总体呈上升趋势;当EGR率达到15%、FDIT提前至-20(°)CA ATDC、FDIR为30%时各项排放值均低于单次喷射;当EGR率达到25%时,缸内燃烧变差,不同预喷策略下NO_x排放均降至最低,CO、Soot排放都超过了单次喷射。     

聚甲氧基二甲醚与柴油混合燃料的燃烧与排放特性

聚甲氧基二甲醚(PODEn)是一种高含氧、高十六烷值的新型燃料。为了降低柴油机的颗粒物排放,该文在一台轻型柴油机和一台重型柴油机上对柴油和10%、20%PODE3-4/柴油混合燃料进行了燃烧、排放和热效率的测试。结果表明:添加20%的PODE3-4,轻型柴油机大负荷工况下的碳烟排放下降90%,指示热效率能够提高2%;重型柴油机欧洲稳态循环(ESC)的颗粒物(PM)排放下降36.2%,有效热效率上升0.8%。添加PODE3-4,在指示平均有效压力(IMEP)为0.2~0.6 MPa时,对放热率曲线影响不大;在IMEP为0.8 MPa时,使主喷放热的滞燃期延长,主喷放热峰值增加。因此,PODEn是很有前景的柴油添加成分。