一种天然气发动机尾气净化技术路线探索

为使天然气发动机满足现阶段排放要求,主流企业均采用当量燃烧+EGR+TWC技术路线,文章通过研究一种提高天然气发动机进气量的燃烧及相应的尾气净化技术,同样可以满足排放要求,且发动机无需EGR,结构简单,气耗更低,同时有效降低整车热负荷,为重型天然气发动机满足更高排放要求提供新的解决思路。     

一种实现组合燃烧模式闭环控制的宽域氧传感器控制器

为了降低重型增压燃气发动机燃料消耗和热负荷,并使之运行在稀薄燃烧区,设计了一种宽域氧(UEGO)传感器控制器和基于此控制器快速实现稀薄燃烧控制的方法。该控制器通过采集UEGO、发动机转速和进气压力等信号,精确计算得到当前工况下的空燃比值,并与可标定的目标空燃比值进行比较,判断当前混合气的浓稀状态,向基于理论空燃比控制的燃气发动机ECU实时输出模拟的开关型氧传感器信号。试验表明:控制器结合基于理论空燃比控制的ECU能实现燃气发动机理论空燃比燃烧和稀薄燃烧组合模式的闭环控制。     

Enhancement of NOx-PM trade-off in a diesel engine adopting bio-ethanol and EGR

For realizing a premixed charge compression ignition (PCCI) engine, the effects of bio-ethanol blend oil and exhaust gas recirculation (EGR) on PM-NOx trade-off have been investigated in a single cylinder direct injection diesel engine with the compression ratio of 17.8. In the present experiment, the ethanol blend ratio and the EGR ratio were varied focusing on ignition delay, premixed combustion, diffusive combustion, smoke, NOx and the thermal efficiency. Very low levels of 1.5 [g/kWh] NOx and 0.02 [g/kWh] PM, which is close to the 2009 emission standards imposed on heavy duty diesel engines in Japan, were achieved without deterioration of the thermal efficiency in the PCCI engine operated with the 50% ethanol blend fuel and the EGR ratio of 0.2. It is found that this improvement can be achieved by formation of the premixed charge condition resulting from a longer ignition delay. A marked increase in ignition delay is due to blending ethanol with low cetane number and large latent heat, and due to lowering in-cylinder gas temperature on compression stroke based on the EGR. It is noticed that smoke can be reduced even by increasing the EGR ratio under a highly premixed condition.     

基于负阀重叠EGR策略的HCNG发动机仿真

为降低HCNG发动机NOx排放,采用负阀重叠EGR策略,利用AVL-Fire软件对HCNG发动机不同进气门开启角(θIVO)下的进气过程和燃烧过程进行了三维仿真计算,对比分析了采用负阀重叠前后发动机缸内EGR分布和燃烧过程。仿真结果表明:负阀重叠EGR策略下,排气门关闭角(θEVC)固定为340°曲轴转角不变,当θIVO为380°曲轴转角时,既可避免发生回火又能保证一定的进气量及充气效率;采用负阀重叠后,在压缩冲程后期,缸内EGR率呈梯度分布(靠近火花塞位置EGR率较低),更有利于着火及火焰传播;采用负阀重叠可降低缸内最高燃烧压力及最高温度,但会减少进入气缸的新鲜工质,降低发动机功率;通过负阀重叠实现内部EGR可降低NOx排放,但会导致着火困难,燃烧速度变慢;提高点火能量可缩短着火落后期和燃烧持续期,加快燃烧速度。     

Emission analysis of a compressed natural gas directinjection engine with a homogenous mixture

In an era in which environmental pollution and depletion of world oil reserves are of major concern, emissions produced by automotive vehicles need to be controlled and reduced. An ideal solution is to switch to a cleaner fuel such as natural gas, which generates cleaner emissions. In addition, control over the in-cylinder air-fuel mixture can be best achieved through a direct-injection mechanism, which can further improve combustion efficiency. This need for cleaner automobiles provides the motivation for this paper’s examination of the use of computational fluid dynamic (CFD) simulations to analyze the concentrations of the exhaust gases produced by a compressed natural gas engine with a direct-fuel-injection system. In this work, a compressed natural gas direct-injection engine has been designed and developed through a numerical simulation using computational fluid dynamics (CFD) to provide an insight into complex in-cylinder behavior. The emissions analyzed in this study were carbon monoxide (CO), nitric oxide (NO) and carbon dioxide (CO₂), i.e. the main pollutants produced by natural gas combustion. Based on a stoichiometric mixture, the concentrations of CO and NO were computed using the dissociation of carbon dioxide and the extended Zeldovich mechanism. CO₂ was calculated using a mass balance of the species involved in the combustion process. The simulation results were then compared with the experimental data generated by a single-cylinder research engine test rig. A good agreement was obtained with the experimental data for the engine speeds considered for all emissions concentrations.     

HCNG发动机排放特性分析

对EQD210N—20天然气发动机燃烧HCNG(氢气—天然气混合燃料)时的排放特性进行了试验和分析。试验结果表明,CO的排放浓度受燃空当量比、点火提前角、进气管绝对压力和燃料成分的影响较大;HC排放浓度有随掺氢比的增大呈降低的趋势,提高进气管绝对压力,点火提前角对HC排放浓度的影响减弱;天然气掺氢气后NOx排放升高。     

车用天然气发动机技术与性能研究

把天然气发动机分为均质混合气预混合燃烧型和非均质扩散燃烧型 ,详细分析了前者的燃烧特点与排放性能 ,指出了采用天然气高压缸内直喷技术的必要性。高压缸内直喷天然气发动机的燃烧过程以非均质扩散燃烧为主 ,因而热效率高 ,最大平均有效压力达到甚至超过同型柴油机 ,NOx 排放低而且无可见烟度排放     

浅谈柴油机满足国IV两条技术路线

近年来,随着人们对环境保护的日趋重视,世界各国对内燃机废气排放的要求变得越来越严格,轻型柴油车开始实施国Iv标准。目前由于机内排放控制并不能完全起到净化效果,因此对已排出燃烧室但尚未排到大气中的废气进行处理,采取机外控制技术显得很有必要。PM和NOx是柴油机主要排放污染物,如何同时降低这两种尾气组成,达到国Ⅳ排放水平,是当今世界柴油机技术的难点和研究热点。本文介绍目前国内满足柴油机国IV排放标准的SCR和EGRDPF／DOC两种主流技术路线。通过对比分析两种系统的原理和优缺点得出适合国内发展的路线,并浅谈未来柴油机排放控制的发展方向。     

EGR对柴油-天然气双燃料发动机稀燃的影响

在一台由柴油机加装天然气供给系统改装而成的双燃料发动机上进行试验,分别研究了EGR率和过量空气系数(a)随喷油提前角变化对双燃料发动机的影响。结果表明:当EGR率为0时,a过大导致热效率降低。增大喷油提前角使着火提前,燃烧得以改善,最大压力升高率和最高燃烧压力提高,热值折合燃料消耗率降低。喷油提前角一定时,最大压力升高率、最高燃烧压力随EGR率的增大先升高后降低,热值折合燃料消耗率先降低后升高,EGR率为20%时热值折合燃料消耗率达到最低值。采用EGR技术能有效降低NOx排放,但HC,CO,CH4和炭烟排放随着EGR率的增大而增大;增大喷油提前角使缸内柴油预混燃烧比例增加,HC,CO,CH4和炭烟排放降低。因此,采用EGR时应适当增加喷油提前角。     

气相射流点火天然气发动机的燃烧及排放特性

射流点火是实现稳定的稀薄燃烧,大幅度提升发动机热效率的有效技术途径。该文利用设计的一种射流点火器,对气相射流点火(GJI)的燃烧开展研究,揭示了主动式射流点火(射流室内有补充燃料)和被动式射流点火(射流室内无补充燃料)的燃烧和排放特性。结果表明:相比于被动式射流点火,主动式射流点火将过量空气系数拓展至2.0,热效率提升1.5%;进一步引入废气再循环(EGR)后,热效率提升至44.5%。主动式射流点火时,最高热效率点NOx排放较被动式射流点火下降低66%,THC及CO排放的增加使燃烧效率降低3%;引入EGR后,NOx进一步降低79%,燃烧效率保持稳定在96%。     

HCNG发动机掺氢比选择试验研究

在东风EQD210—20天然气发动机上改变ECU中的空燃比和点火提前角等控制参数进行了HCNG燃烧试验。选择不同的掺氢比,进行排放和空燃比特性试验,比较发动机排放和动力性的变化,并采用四工况试验来综合评价发动机燃烧15%,20%,25%和30%4种体积掺氢比HCNG燃料的排放性和动力性。发动机燃烧20%体积掺氢比的HCNG燃料具有较好的综合性能,在保持动力性变化不大的情况下,有着较好的排放性能。     

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。     

EGR增压柴油机的燃烧及排放特性研究

在1台增压中冷柴油机上,采用从涡轮前取气回流到压气机后的高压EGR系统,研究了恒定转速不同负荷下发动机的燃烧和排放特性。在同一工况下,随着EGR率增加,压缩终了混合气温度升高,着火延迟期缩短,燃气压力和温度下降,燃烧持续期延长。分析了柴油机燃烧过程及排放污染物的形成机理。研究发现,当发动机负荷由大变小时,随着EGR率增加,CO的形成因受温度控制增幅越来越大,HC受着火延迟期和供氧的影响增幅越来越小,NO_x的降幅几乎随EGR率呈线性变化,而排气烟度则呈二阶多项式趋势的恶化。     

基于天然气发动机排气余热回收系统的非共沸混合工质性能分析

针对一台车用天然气发动机排气能量的变化规律,建立了带回热器有机朗肯循环系统,对比分析了采用纯工质R245fa和非共沸混合工质R416A时,带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率、热效率、效率和单位工质能量输出密度。结果表明,采用非共沸混合工质R416A时上述各项性能指标均优于采用纯工质R245fa。最后,构建了天然气发动机-带回热器有机朗肯循环联合系统,采用非共沸混合工质R416A,分析了联合系统的热效率。结果表明,加装带回热器有机朗肯循环系统后,发动机热效率最大可提高7%。     

基于一维/三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟

以某1.0L3缸汽油机为基础,利用GT-Power与Converge建立了天然气发动机耦合仿真模型,并利用原机试验数据对模型进行了验证,研究了进气富氧与EGR对天然气发动机性能的影响特性,对利用进气富氧与EGR改善天然气发动机的性能进行了探讨。结果表明,随进气氧气体积分数提高,天然气发动机平均有效压力显著提高,最大可提高22.8%(氧体积分数为28%时);同时缸内温度和NOx排放升高,排气与传热的能量损失增加,燃气消耗率略有升高。加入EGR可以降低富氧燃烧下天然气发动机燃气消耗率,随着EGR率增加,燃气消耗率主要呈先减小后增加趋势;且随进气氧浓度提高,各浓度下最低燃气消耗率对应的EGR率逐渐提高;NOx排放随EGR率增加而逐渐降低,在进气氧体积分数为23%,25%,27%,29%时,EGR率分别为10%,15%,20%,25%即可将NOx排放降到原机水平;利用进气富氧与EGR可以有效地改善天然气发动机动力不足与NOx排放高的状况。     

增压稀燃天然气掺氢发动机稳态标定

以东风EQD210N—20天然气发动机为原型机,在燃用体积掺氢比为20%的HCNG燃料的条件下,根据某公司电控系统的相关资料,分析了电控系统内部的控制策略,结合HCNG燃料自身的特点,对HCNG发动机进行稳态工况标定。外特性和其他工况采用不同的空燃比控制策略以使标定后的电控系统可以同样适用于HC-NG发动机,并且标定后的HCNG发动机满足国Ⅲ排放标准,其动力性和经济性与原型机水平相当。     

国六排放天然气发动机的开发

将柴油机改造为点燃式单点集中喷射预混天然气发动机.该发动机采用无废气再循环EGR的当量比燃烧+三元催化器的技术路线,通过匹配增压器、三元催化器和电控系统的优化标定,按全球统一瞬态循环WHTC进行排放试验.结果表明,所开发的国六天然气发动机动力性和燃料经济性达到设计指标,排放满足GB17691—2018《重型柴油车污染物...     

外部热EGR对基于优化动力技术的汽油HCCI燃烧的影响

考察了外部热EGR对基于优化动力技术的汽油HCCI发动机燃烧的影响。试验结果表明:外部热EGR可以推迟HCCI燃烧的着火时刻,减缓放热速率,但对于高辛烷值燃料的HCCI燃烧,它对更高EGR率的兼容能力不强,需要提高进气温度来提高燃烧的稳定性;随着EGR率的增加,燃烧持续期延长,缸内温度和压力峰值均减小,指示热效率也随着减小;NOx排放随着EGR率的增加在经过一个"拐点"后始终维持在一个较低的水平,而CO和HC的排放随着EGR率的增加显著增加,燃烧恶化。     

单燃料天然气发动机试验研究

将一台6105Q柴油机改造为点燃式单燃料天然气发动机。对发动机的进气系统、燃烧系统等进行了优化设计。试验过程中配用了不同形式的天然气供气系统及点火系统。试验结果表明，天然气供气方式及点火系统的不同对天然气发动机的性能有较大影响。该天然气发动机采用电控多点燃气喷射技术及电控点火技术时，动力性与原柴油机相当，排放性能明显改善。     

欧Ⅵ天然气发动机关键技术研究

利用GT‐SUITE软件建立天然气发动机湍流火焰预测燃烧模型,结合试验数据验证了模型的计算精度,基于该模型对实现欧Ⅵ排放的当量燃烧路线关键技术,包括增压器匹配、米勒循环、瞬态参数优化进行了分析。研究表明：非对称流道增压器在实现相同EGR率前提下泵气损失最小;米勒循环可以抑制爆震,提升发动机经济性和可靠性,适当减小油门响应速度和增加放气阀响应速度可以降低发动机瞬态超负荷率。研究结果对欧VI天然气发动机开发具有一定指导意义。