燃烧方式对氢内燃机燃烧和排放的影响研究北大核心

基于氢内燃机试验样机建立内燃机三维实体模型,耦合详细氢空气化学反应机理,运用Converge软件建立氢内燃机CFD仿真模型并进行验证,仿真分析了中高负荷下稀薄燃烧和当量燃烧两种燃烧方式下氢燃料内燃机的燃烧特性和NO_x排放规律。仿真结果表明:在氢气供给量相同的情况下,稀薄燃烧比当量燃烧速度更快,OH浓度更高,因而稀薄燃烧会得到更高的缸内压力,更有利于动力性的发挥;两种燃烧方式下的缸内最高平均温度较为接近,但当量燃烧方式下最高温度相位相对滞后,可以有效降低NO_x排放。采用EGR技术可以实现当量燃烧,但过大的EGR率也会带来内燃机动力性能下降。     

EGR率对柴油机富氢EGR燃烧过程的影响

在一台柴油机可视化实验台上,用高速摄像机拍摄下柴油机富氢EGR燃烧过程的火焰照片,应用三基色法计算了燃烧温度场,结合示功图和放热率曲线分析了EGR率对富氢EGR燃烧过程的影响.结果表明:当掺氢比为2％时,随着EGR率的增加,着火时刻呈现推迟的趋势,燃烧持续时间先延长后缩短;缸内最大爆发压力减小,达到峰值压力的时间推迟;放热率峰值下降,放热率曲线整体推后;缸内最高温度和平均温度随之降低.     

EGR率和进气温度耦合作用下的低温燃烧试验研究

基于冷热废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)双回路系统,通过进气温度与EGR率解耦控制,研究了EGR率和进气温度对柴油低温燃烧和排放的影响,并在低温燃烧负荷上限探索EGR率和进气温度耦合作用规律。研究结果表明,负荷上限时,进气温度升高对进气充量的稀释作用占主导地位,进气温度升高对燃烧起抑制作用。EGR率和进气温度的耦合作用在负荷上限时体现在:低EGR率、高进气温度时,燃烧始点提前、燃烧持续期增大;高EGR率、低进气温度时,指示功增加,平均有效压力增大。EGR率升高,NO_x排放量降低,进气温度升高,HC,CO排放量升高。     

柴油机燃用生物柴油低温燃烧性能的仿真研究

采用GT-Power软件模拟分析了不同EGR率和喷油正时对柴油机燃用生物柴油低温燃烧性能的影响。研究表明:随着EGR率的增加,最高燃烧压力下降,缸内最高平均温度逐渐升高,燃烧相位后移,有效燃油消耗率增加,热效率降低,NO_x排放大幅度降低,炭烟排放、CO排放和THC排放都升高。在相同的EGR率下,随着喷油正时的延迟,最高燃烧压力和缸内平均燃烧温度降低,燃烧放热相位后移,燃油消耗率先减小后增加,热效率先升高后降低,NO_x排放降低,炭烟排放先升高后降低,CO排放和THC排放同时升高。通过调节EGR率和喷油正时可同时使NO_x排放和炭烟排放低于原机,但是会导致燃油消耗率和热效率大幅度恶化,且CO和THC排放升高。     

基于较详细机理的氢燃料内燃机排放特性研究

基于Converge软件建立了包含简化化学反应机理的氢燃料内燃机CFD仿真模型,研究了氢燃料内燃机缸内燃烧和NO生成机理。仿真结果表明,氢燃料内燃机缸内燃烧经历了椭球型火焰稳定传播和快速湍流燃烧两个阶段。氢气的燃烧非常迅速,在快速湍流燃烧结束时OH浓度迅速降低,出现温度和NO质量峰值,其后缸内温度逐渐降低,NO质量逐步减小。最终的排放取决于高温区域的峰值温度和NO分解时间。最高温度越高NO的质量峰值越大,降温越快则NO分解越少。采用EGR能降低最高缸内温度,低转速时NO分解充分,因而NO的排放较低。     

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。     

喷孔直径对PFI氢内燃机燃烧和排放特性的影响

通过对一台双孔对置式PFI氢内燃机进行三维数值模拟,对比分析了不同喷孔直径下氢内燃机混合气形成质量及缸内燃烧和排放特性。结果表明:随着喷孔直径的增加,缸内混合气均匀性系数逐渐降低,而缸内最大压力、最高温度、瞬时放热率、累积放热量和NOx排放均呈先增大后减小趋势。     

EGR对高压共轨柴油机小负荷工况燃烧过程及排放性能的影响

以某轻型车用高压共轨柴油机为样机,研究了在小负荷工况条件下,EGR率对柴油机排放、燃烧过程及燃油消耗的影响。试验结果表明:EGR减小了缸内最高燃烧压力及压力峰值,使压力升高率略有增加,降低了瞬时放热率与峰值,延长了燃烧持续期,降低了缸内温度峰值及平均温度。在小负荷工况,EGR可以同时有效改善NOx,HC及CO排放,当EGR阀全开,EGR率为42%时,NOx排放降低了38.7%,HC降低了39.6%,CO排放降低了21.3%;PM排放先随着EGR率增加而减小,EGR率超过某一值后,PM排放增加,整个PM排放曲线呈现"鱼钩"状变化趋势。EGR对小负荷工况燃油耗性能影响不大。     

EGR对乙醇HCCI发动机燃烧影响的模拟研究

在乙醇HCCI发动机中，随着EGR率的提高，燃烧始点提前。并且在引入EGR后，燃烧变得柔和，有效地避免了爆震的发生。但由于引入EGR后缸内燃烧温度升高，使得氮氧化物的排放增加。加入EGR后，混合气中二氧化碳、水、惰性气体等成分浓度的变化对燃烧有一定的影响。在增加混合气中二氧化碳和水的含量后，缸内的压力和温度都有所降低，且着火始点也都有延迟。混合气中惰性气体的作用则相反，惰性气体使得燃烧始点提前，且缸内压力、温度都升高。     

EGR氛围参数对柴油机颗粒物氧化特性的影响

针对柴油机EGR氛围产生的颗粒,采用热重分析法,考察了各颗粒样品的氧化失重过程,分析了EGR率、EGR废气组分、EGR温度等EGR氛围参数对颗粒氧化特性的影响,研究了不同氧化氛围、升温速率等氧化氛围参数对颗粒氧化过程的影响。结果表明,随着EGR率的升高,颗粒中SOF组分含量增加,炭烟组分含量减少,失重率峰值在低温失重区升高,在高温失重区降低,且对应的峰值温度均增加。相同EGR率时,随着EGR废气温度的升高,颗粒的氧化性能随着反应温度的提高而降低。EGR组分不同时,与废气、N2循环相比,在CO2循环下生成的颗粒失重速率更快,反应温度降低,颗粒更易氧化。随着升温速率的提高,颗粒的失重率峰值变化不大,颗粒的氧化反应出现滞后现象,特征点温度升高,颗粒的氧化性能随着升温速率的提高而降低。     

EGR 对甲醇-柴油组合燃烧柴油机燃烧和排放的影响

利用三维仿真软件AVLFire建立进气道喷射甲醇、缸内喷射柴油的模型,应用试验结果验证了模型的正确性。改变2200r／min,136N·m工况下的EGR率（0％,5％,15％,25％和35％）,分析了EGR对甲醇‐柴油组合燃烧发动机燃烧过程和排放的影响。结果表明：与EGR率为0相比,随着EGR率增加,甲醇‐柴油组合燃烧发动机着火延迟期先缩短后延长,缸内最高压力降低,EGR率为5％时,着火延迟期缩短2°曲轴转角;随着EGR率增加,放热率曲线由双峰分布向单峰分布转变,最高温度下降,高温持续时间缩短;随着EGR率增加,NOx排放降低,CO和炭烟排放上升,与EGR率为0时比,EGR率为15％时的NOx排放量降低了54％。     

用液氧固碳技术的内燃机富氧燃烧数值模拟和试验

为验证内燃机全封闭进排气系统的可行性,研究了液氧固碳内燃机燃烧的理论和实验基础。应用KIVA-3V程序,建立了汽油机燃烧室计算网格,分析了在废气再循环(EGR)率大于8%时,EGR率对缸内平均温度、压力、放热率和CO2浓度的影响。改造IP52FMI单缸四冲程汽油机,去掉了缸内喷水系统,试验了自制的二氧化碳捕集装置。结果表明:当EGR率为40%时为最优EGR率;持续1~10min向装置中通入液氧27~231 g,得干冰32~345 g。因而,验证了使用本二氧化碳捕集装置,可实现液氧气化,并冷凝CO2为干冰。     

燃烧相位对柴油机低温燃烧影响的试验研究

本文就燃烧相位CA50对柴油机低温燃烧性能和排放的影响进行试验研究。结果表明,CA50在上止点附近时,指示热效率最高,燃油消耗率最低,但最大压力升高率也最高,工作粗暴。随着CA50的推迟,CO和碳烟的排放升高,THC和NOx排放降低。为满足更严格的排放标准,可在小EGR率时采取晚喷方式;大EGR率时采取早喷方式。为兼顾性能和排放,在本研究的工况下,最佳的CA50为上止点后4°CA。喷油控制策略主要取决于爆发压力的限制和对原始排放的要求,EGR和喷油策略共同决定燃烧相位CA50。     

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。     

M15甲醇柴油的燃烧过程及循环变动分析

通过增压中冷柴油机燃用M15甲醇柴油混合燃料的台架试验,研究了外部EGR对柴油机燃烧过程及循环变动的影响。结果表明:与燃用0号柴油比,原机燃用M15甲醇柴油工作柔和,循环波动小。低转速低负荷时宜采用小EGR率,滞燃期短,放热重心基本不变,循环波动小;中等负荷时可采用大EGR率,随着EGR率的增大,滞燃期延长,放热重心推后,最大燃烧压力循环变动率稍有上升,平均指示压力和最大压力升高率波动大幅降低。经相关性分析,低转速中低负荷下,滞燃期对循环波动影响较小,放热重心与最大压力升高率有着很好的线性关系。     

大气压力和冷却液温度对柴油机性能影响的试验研究

利用内燃机高海拔(低气压)模拟试验系统,研究了大气压力和冷却液温度对柴油机性能与燃烧特性的影响规律。试验结果表明:随着进气压力降低,柴油机最高燃烧压力下降,缸内平均温度大幅升高,燃烧始点推迟且持续期延长,后燃严重,燃烧过程未能及时释放热量,动力性能和燃料经济性下降明显;随着冷却液温度的升高,最高燃烧压力增大,燃烧始点提前且持续期略有延长,燃烧重心略微前移,燃烧放热率减小,且大气压力越低冷却液温度对柴油机燃烧过程的影响越明显。在高海拔(低气压)条件下,提高柴油机冷却液工作温度,可以明显减少冷却液散热量,提高柴油机的热-功转换效率,显著改善柴油机的高原动力性和经济性,同时柴油机热负荷升高幅度并不大。     

废气再循环对高比例甲醇双燃料柴油机燃烧过程的影响

在4B26增压柴油机上,以进气管电控喷射的方式掺入甲醇,实现甲醇/柴油双燃料的燃烧。采用废气再循环技术拓宽高比例甲醇双燃料柴油机的工况范围,研究EGR对燃烧过程的影响规律。结果表明:适当的EGR率可以显著降低燃烧初期时的燃烧反应速度和加速度,缸内燃烧压力振荡明显减弱。随着EGR率的增加,甲醇/柴油预混合燃烧量减少,滞燃期缩短,燃烧持续期延长,燃烧最高温度降低;原甲醇/柴油双燃料燃烧放热以预混放热为主;引入EGR后,预混放热量减少,扩散放热量增加。随着EGR率的增加,放热率峰值降低;在相同工况下,保持掺混48%甲醇不变时,甲醇/柴油双燃料发动机的指示热效率随EGR率的增加而降低。     

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。     

点火正时和EGR对甲醇发动机爆震特性影响研究

以一台改装的点火式甲醇发动机为研究对象,通过控制进气压力保证每循环油量为定值,并且按过量空气系数为1进行燃烧,应用CFD软件Fire在易发生爆震的低速大负荷工况分别研究点火正时、EGR率和EGR温度对该发动机爆震指数的影响。结果表明:推迟点火正时可以使压力波动出现在缸压的下降段,有效改善爆震;随EGR率增加,初始爆震指数变化并不明显,之后爆震指数迅速下降;随EGR温度的降低,爆震指数也随之减小;上述3种方式中使用冷EGR降低爆震对缸压的影响最小。     

排气道EGR策略对CAI燃烧过程影响的模拟研究

通过一维流体动力学软件GT-Power与化学动力学软件CHEMKIN联合模拟发动机循环,建立乙醇燃料排气道EGR模型,研究了发动机CAI燃烧的控制因素。分析了排气道EGR策略中的排气门晚关、进气门晚开和进气门开启时刻与排气门关闭时刻同时变化3种配气定时方案对EGR率的影响。由模拟计算可知排气道EGR策略对发动机缸内的换气过程、燃烧过程有强烈的影响。模拟结果表明:随着排气门逐渐晚关,EGR率增大,进气门关闭时刻缸内温度升高;进气门晚开策略中,EGR率受进气回流的影响较大;排气门晚关、进气门晚开同时变化策略扩大了CAI燃烧的EGR率范围;适当的EGR率有利于CAI燃烧的实现,EGR率过低或过高将导致失火和爆震,在不同的转速下EGR率的分布也不相同。