利用电控燃油喷射装置控制柴油机燃烧和排放的研究

为了降低直喷式柴油机瞬态工况排放,集中介绍了喷油器闭环控制。通过对共轨压力和气缸压力的实时测量,在闭环共轨喷油系统中实现了对喷油压力、燃烧正时和发动机输出功率的同步控制。通过对碳烟排放的实时测量,实现并评估了通常在发动机输出功率急剧增加时可以观察到的峰值碳烟排放的降低。结果显示,可以通过采用每个执行器3种比例积分微分控制器的方式,实现喷油压力、燃烧正时和发动机输出功率的同步控制,而峰值碳烟排放的降低则可以通过控制喷油压力来实现。     

一种同时降低直喷式柴油机碳烟和氮氧化物的新喷油策略的研究

直喷式柴油机燃烧时碳烟生成的一个主要来源是液态燃油或很浓的空燃混合气与火焰的相互作用,这种现象在现代直喷式发动机中尤为明显。由于噪声原因,这种发动机通常将喷油分为预喷油和主喷油。预喷的燃油着火后,由于主喷燃油直接喷向已经燃烧的气缸区域,部分主喷燃油会与仍处于液相的火焰相互作用,这就导致大量碳烟的生成。采用空间分离喷油来克服这一问题,一方面能减少燃烧早期的碳烟生成,另一方面能增加燃烧后期的碳烟氧化。特别是采用了一种能按照所述方法自由改变喷油的结构。因此,在一台重型单缸试验发动机的气缸盖上安装了一个辅助共轨喷油器。用辅助喷油器将预喷燃油喷入燃烧室中央,而主喷燃油则采用7孔喷油器按传统方式进行。在第一阶段,采用三维计算流体动力学的KIVA-3V程序模拟空间分离的预喷燃油和主喷燃油混合气形成,以获得混合气形成的第一印象。然后,用该单缸发动机研究新喷油策略对燃烧过程本身的影响,采用气缸压力显示、排气分析以及双色法来观察燃烧过程中燃烧室内的碳烟生成和碳烟氧化,并与传统发动机的运行作了比较,以评定发动机的运行特性,评估其降低排放的潜力。     

重型柴油机部分预混合燃烧的燃烧特性研究

部分顸混合燃烧（PPC）在燃烧可控性高和排放特性方面接近于均质充量压燃发动机。为了实现PPC,滞燃期必须足够长,以使燃油在燃烧前与空气充分混合。喷油需足够早,同时采用高废气再循环（EGR）率,以获得较长的滞燃期。为了明确PPC的原理,创建了燃烧特性随喷油定时、EGR率变化的脉谱图。在一台6缸重型柴油机上进行燃烧特性的研究,喷油始点由早到晚变化,EGR率的范围也很大。在参数扫描期间监控发动机的排放情况,在低排放、高效率的最佳区域内,研究了喷油压力和发动机转速对燃烧的影响,以获得对燃烧更全面的了解。     

柴油机研发中运用的模拟技术

介绍了在柴油机研发中应用的计算机模拟技术。模拟技术不仅对于基本燃烧过程来说是至关重要的，而且由于各种参数优化的复杂性，以及有限的研发时间和成本，它对整个研发过程而言都是极为关键的技术。零维和（或）一维发动机系统模拟技术已被广泛应用，以应对不断增加的各种装置及其运行参数的要求，诸如整个发动机系统、涡轮增压器、废气再循环管路及电控喷油系统的设计，以及这些装置运行参数的设定。介绍了2种发动机系统模拟器的实例：（1）一种用于评价发动机进气空气流的模型预测控制逻辑；（2）一种高效率且精确的缸内燃烧模型，被用于分析瞬态燃烧模式的转换现象。     

用极高喷油压力提高高速直喷式柴油机升功率的潜力

发动机缩缸强化是提高发动机效率的最佳途径之一,但因发动机排量较小,需要较高的升功率。研究以法国石油研究所的轿车用单缸样机试验为基础。该发动机升功率极高,且能承受高的热和机械应力。利用喷油压力高达250MPa的共轨喷油试验设备,在全负荷和部分负荷工况下进行了试验。结果表明．在全负荷工况下,提高喷油压力的措施比增大喷孔直径的措施更能提高燃油流量。这主要是因为较小的喷孔直径改善了空气卷入效果。将提高发动机的热和机械负荷限值与先进的涡轮增压系统相结合,会更有利于提高喷油压力。将高的喷油压力与高的增压压力和高的缸内最高燃烧压力相结合,能够得到极高的升功率（85～90kW）和高的燃空当量比（0．9）。     

低峰值气缸压力高功率柴油机的研究

对1台采用斜顶燃烧室和直气道的高速高功率柴油机进行了试验研究。目标是要在最高气缸压力增幅最小的情况下提高发动机的升功率。市场和社会都期望改善柴油车的驾驶性能,并期待提高发动机的升功率,以减小排量,进而减少二氧化碳排放。当采用会伴随最高气缸压力大幅增加的传统方法来提高升功率时,发动机的质量会增加,摩擦状况会恶化。因此,对提高升功率的新技术进行了试验研究,通过将转速由基准发动机的4000r／min提高到5000r／min,能使最高气缸压力的增幅最小,同时又能使制动平均有效压力保持基准发动机的原有水平。为了确定发动机额定转速增加1000r／min后的进、排气系统技术参数,首先进行了发动机的循环模拟研究。在模拟研究结果的基础上,制造了1台采用斜顶燃烧室和直气道的单缸发动机。这些参数的更改导致了燃烧恶化,并且,总指示平均有效压力比基准发动机的低。分析了试验中燃烧恶化的原因,确定了斜顶燃烧室的形状和能提供更佳燃烧的喷油系统技术规格。然后,按照这些技术参数制造了1台4缸发动机。在5000r／min的额定转速下,测得的升功率为76kW,比基准发动机的高25％以上,同时实现了最高气缸压力和排气温度增幅最小的目标。结果还发现,除了提高额定转速外,提高进气质量流量也是抑制最高气缸压力和排气温度升高的影响因素之一。     

小型非道路用共轨直喷式柴油机的技术理念

近年来,由于对工业用发动机运行平顺性和低燃油耗方面的要求日益提高,因此,要求农业、园林及工程机械等非道路用发动机具有高功率、低燃油耗和低噪声的特点。此外,即使是小型发动机,其电子控制装置的发展趋势也需保持一致。基于这些背景,开发了采用共轨燃油喷射系统的新型非道路用直喷式柴油机,以满足上述要求。评述了在小排量非道路用柴油机上采用共轨燃油喷射系统,以及优化燃烧系统和喷油特性的技术。     

为达到欧3排放标准采用Taguchi技术优化重型柴油机的喷油参数

为了追求高功率密度、提高燃油经济性和达到排放标准,柴油机的性能在过去几十年中得到持续提高。燃烧技术、先进的电控喷油以及精确的发动机和喷油参数的开发帮助柴油机实现了环保方面的调整,同时降低了NOx和颗粒（PM）排放。了解发动机和喷油参数,以及它们对排放的影响对于生产更清洁的柴油机极其重要。研究的目的是优化一台重型直喷式柴油机的喷油参数,以尽可能降低法规限制的排放物,从而达到欧3排放标准。为了缩短开发周期,采用了仔细编制的试验设计和Taguchi技术。利用平均值分析、信一噪比分析和方差分析从L9正交排列的试验结果中筛选出最佳的参数。通过分析,保证这些参数能使各排放组分以确定的工程裕度达到欧3排放标准。对诸如凸轮转速、喷嘴流量、喷嘴头部在燃烧室中的凸出量和喷孔数等喷油参数的影响进行了试验研究。其中,凸轮转速会影响喷油速率,喷孔数会影响喷油压力和油束雾化,因而对降低NOx和PM排放起着直接作用。另外,喷嘴头部凸出量会影响到对油柬撞击燃烧室壁的位置,并对PM和HC排放产生中等的影响。就满足欧3排放标准而言,在已确定的试验工况范围内,喷嘴流量对柴油机排放的影响几乎可忽略不计。NOx、CO、HC和PM排放总体上能分别以11．5％、61．5％、76．5％和23％的裕度满足欧3排放标准的限值。此外,与原发动机性能相比,功率和扭矩提高了约30％,全负荷的燃油消耗率降低了10．6％,而且车辆的驾驶性和燃油经济性也得到了改善。     

Bosch公司轿车用200MPa喷射压力共轨喷油系统

为了满足现在和未来的排放法规限值,先进的燃烧过程对喷油系统提出了更高的要求。Bosch公司开发出一种具有压电直接控制式喷油器和CP4高压泵的200MPa喷射压力共轨喷油系统,为柴油机开发新型燃烧过程提供了前提条件,也为发动机制造商提供了达到排放法规限值并进一步降低燃油耗和二氧化碳排放的机遇。     

Cummins2007涡轮增压柴油机整机高效计算模型

本文介绍一种精确、灵活而且高效的柴油机整机计算模型,其包括一个适用于排量为6.7L、带冷却的废气再循环(EGR)、空气冷却和多级喷油装置的6缸涡轮增压柴油机的多区准维燃烧子模型.该模型的发动机性能和Nox排放量预测能力已在22种发动机运行工况下得到验证.模型的输入值仅是实际的发动机控制模块"控制作用",包括喷油率、喷射...     

商用车发动机增压式共轨喷射系统

成功开发商用车柴油机燃烧过程的关键在于把握住高负荷运转工况,为此,Bosch公司开发了一种喷油特性曲线形状可变的共轨喷射系统,其中,第2个电磁阀激活集成在喷油器中的1个增压装置,通过优化电磁阀喷油嘴针阀控制时间的偏差,可使喷油开始时的喷油速率减半,从而限制氮氧化物的形成,这样有可能使发动机制造商在达到废气排放法规限值的同时,进一步降低燃油耗和发动机在空气系统方面的费用。     

V6柴油机怠速声品质的改善

Hyundai公司对V6柴油机用于由新8档自动变速器组成的动力总成时的怠速声品质进行了广泛的研究，以便分析机械激励噪声和燃烧激励噪声所起的作用。首先，在发动机研发初期，可以采用试验模态分析及按发动机各功能系统的稳定性设计来改善动态特性。另外，增强发动机的结构阻尼，能在燃烧激励增强时使发动机的燃烧噪声维持在目标值水平。在整个结构阻尼分析的频率范围内，发现有些零件较好，有的零件较差，然后对系统中的薄弱环节进行优化。在本研究中，正时链罩采用被动约束涂层减振处理来改善发动机前端2～3kHz范围内的辐射噪声，并运用了最大喷射压力为180MPa的第3代共轨系统，它配装了压电式喷油器，该喷油器有成型消声罩，并能进行充、放电时间控制。为使该发动机达到欧5排放标准，采用新喷油策略的低排放燃烧概念也很重要。然而，这种燃烧模式会产生粗暴的高频噪声，并使怠速稳定性变差。所以，应优化对预喷射和后喷射的控制，以降低和优化燃烧室内的燃烧激励噪声。因此，在发动机研发过程中就应考虑到车内声品质和辐射噪声的最佳化，而且，要确保乘客更易接受的声品质。     

适应环保与节能要求的工程机械柴油机共轨式电控燃油喷射技术

代表着当今柴油机技术最新水平的共轨式电控燃油喷射技术,通过优化喷油特性,改善燃油燃烧过程,有效降低了柴油机的油耗和污染排放。对该技术的形成背景、原理和性能进行分析,以便提出下一步研究方向。     

采用超高喷射压力降低重型非道路用柴油机的排放

利用广泛的发动机试验和运行循环仿真，确定了在非道路瞬态循环和特定用途中降低运行成本的潜力。采用1台6缸柴油机作为试验发动机，配装电装公司第4代G4S共轨喷油系统，能够达到300MPa的喷射压力，并采用FEV公司的先进重型燃烧系统。基本型发动机在装备喷射压力达200MPa左右的现代喷油系统时，在不带后处理装置的前提下可满足美国第4阶段中期排放标准。电装公司的G4S喷油系统除了能达到300MPa的喷射压力外，还具有静态防漏喷油功能，因此对于给定的喷油量，可最大限度地减少建立压力所需的泵油能量。     

通过高压直接喷射实现高效率和低氮氧化物排放的氢燃烧方式

氢可以从各种再生能源中产生,因此预计,氢将会在社会长期能源需求中起到重要作用。传统氢发动机存在的一些缺点是：冷却损失较高导致热效率较低,以及不正常燃烧（回火、早燃、燃烧速度较快）限制了大负荷运行。氢燃料直接喷射是克服这些缺点的一种有效办法,但是要实现高效率和低氮氧化物（NO。）排放的燃烧方法还需要进行更详细的研究。采用一种试验性氢高压喷射器（最大喷射压力30MPa）对高效率和低NOx排放的氢燃烧进行了研究。采用1台2．2L4缸涡流形燃烧室柴油机进行试验,氢喷射器安装在气缸中心,火花塞安装在预热塞位置。为了能向1个气缸提供氢气,对这台发动机进行了改装。通过控制喷油定时和点火定时研究了氢气的均相和分层燃烧。另外,还研究了联合使用火花点火的扩散燃烧（即火花点燃辅助扩散燃烧）。结果显示,采用高压直喷的分层扩散燃烧与传统的均相燃烧相比,指示热效率提高了约39／6。热效率提高的原因是：（1）分层扩散燃烧改善了冷却损失与等容度之间的折衷关系;（2）接近上止点喷射的压力恢复效应十分有利于热效率的提高;（3）在废气再循环（EGR）与扩散燃烧相结合的情况下,能使EGR更为有效。通过抑制喷束的贯穿度以减少较多的冷却损失,使这台小型发动机达到了52％的优良指示热效率,并通过计算流体动力学和可视化缸内燃烧研究得到了证实。另外,还获得了一些有价值的认识：EGR除湿能增加工作气体的比热比,并能在降低NOx的同时提高热效率。     

汽油直接喷射点燃式发动机起动过程的研究

要降低汽油机的碳氢化合物（Hc）排放,了解有关冷起动期间燃油喷射、蒸发及燃烧的过程非常重要。为了了解更多关于冷态发动机起动过程的情况,在1台4．2L8缸直接喷射汽油机上进行了研究。改变喷油定时、点火定时和喷油量等参数,以了解它们对燃烧过程和转速上升的影响。特别是在发动机加速运行期间,对每个后续的燃烧进行研究非常有必要,因此,在发动机各缸中安装了高压示功装置。发动机的瞬态压力和瞬时曲轴转速借助于l套显示系统进行记录。此外,还采用快速响应的氢火焰离子化分析仪来测量发动机初始几次循环期间的瞬态HC排放。各缸的压力用最高压力和平均指示压力评定。并且,转速信号用每次点火的增加量进行分析。为了获得关于燃烧品质的额外信息,对未燃HC的排放进行了分析。基于这些测量结果,得出了发动机起动期间每次后续点火的最优参数设置。     

燃油温度对直喷式柴油机燃料喷射、燃烧和排放的影响

液体燃料进口温度对直喷式柴油机的影响是显著的。本文研究进口燃油温度对中速柴油机燃油喷射、缸内燃烧及对输出性能及排放的影响,介绍受进口燃油温度影响的主要喷油参数的变化,并开发了简化模型。研究指出：受影响的主要喷射参数包括喷油器喷射终点定时相对于喷油泵致动定时的变化量、喷油率、喷油持续期以及喷油油束的雾化。燃油温度对喷油参数的主要影响来自于燃油体积弹性模量和密度,而燃油黏度的影响不大。开发的模型可以预测由于进口燃油温度的变化引起的喷射参数的改变。预测结果指出,当进口燃油温度升高时,嘴端喷射始点定时相对滞后,喷油率降低,针阀开启持续期相对于基准状态有所延长。通过考察燃油温度对缸内燃烧过程的影响,分析了发动机输出和排放相对于燃油温度的变化趋势。预测指出,对于运行在全负荷下的普通柴油机,燃油温度的升高将会使CO、HC、PM以及烟排放值增高,而使NOx排放值降低,对燃油效率有不利影响。对一台中速四冲程柴油机进行试验得到的输出和排放值结果与趋势分析预测结果吻合。研究结果和开发的模型通常可以用于压燃直喷式液体燃料发动机。     

发动机燃烧火焰的可视化技术

为了降低发动机的燃油耗,实现高效燃烧,使用高速彩色摄影机等光学摄影装置,使观察发动机缸内的燃烧火焰成为可能。介绍了气缸内爆震的观察方法、气体燃料发动机机内着火及火焰传播过程的详细观察技术,以及运用小孔观测器观察柴油机柴油喷束产生的着火燃烧图像。运用上述观察技术将有助于掌握燃油雾化及喷雾燃烧机理,探索抑制爆震、降低氮氧化物和颗粒排放,以及实现高效燃烧的途径。     

Opel公司采用两级增压空气冷却的2．0L双涡轮增压柴油机

Opel公司运用两级增压空气冷却和压电喷油技术开发了2．0L双涡轮增压柴油机。采用闭环燃烧调节技术，降低了排放和燃油耗，并首次将上述技术措施与两级增压空气冷却相结合，进而获得了最大的功率和扭矩值，并进一步改善了加速响应性能。     

紧凑型3缸汽油机的开发

全球许多汽车制造商均研发了各自的内燃机,并运用了许多具有竞争力的新技术。其中,运用3缸技术正是改善发动机性能的最有效途径之一。然而,3缸汽油机技术也有不足之处,即3缸汽油机的燃烧会引发发动机振动。新研发的3缸汽油机运用了一些可改善燃烧的新技术,以及怠速停机系统,以提高车辆燃油经济性和减轻汽车振动。3缸汽油机在汽车振动方面达到了4缸汽油机同等水平。