HCCI技术应用于大型天然气发动机的潜力

在性能、燃料消耗和排放方面对大型天然气发动机提出了更高的要求。未来的排放限制将需要开发新的、在不降低发动机效率和功率的前提下显著降低排放的技术。达到此目的的一条途径就是使用催化剂（氧化催化剂、SCR催化剂）。这种方法的缺点是催化剂和为了减少氮化物的排放而使用的添加剂的成本较高。另一途径是采用新的燃烧技术达到减少排放的目的,例如均质充量压燃（HCCI）技术。本文将介绍采用天然气达到均质自燃目的的各种方法。采用非常高的压缩比、高废气再循环率以及很高的进气管温度,实现了纯天然气的HCCI技术。此外,亦研究了双燃料系统。采用了柴油作为第二种燃料用于内部混合以及采用了正庚烷、汽油、柴油用于外部混合等方式。所有的实验均是在一台排量约为6·2L的单缸试验机上进行的。研究结果显示出在采用HCCI技术的条件下不同参数（压缩比、进气管温度、废气再循环率）对燃烧过程的影响,以及发动机所能达到的效率和对排放性能的影响。     

汽油机均质充量压燃控制系统的开发——火花点燃与均质充量压燃的切换控制方法

在设计未来的汽油机时,均质充量压燃（HCCI）堪称为理想的燃烧方式。但目前HCCI燃烧方式仅限于低转速、中低负荷区域,并有待拓展其运行范围。目前,大部分汽油机仍在采用火花点燃（SI）燃烧方式。介绍了一种构想,鉴于HCCI燃烧还不能在所有发动机运行条件下实现,在高负荷及高转速条件下仍要采用SI燃烧方式,因此建议应用SI燃烧与HCCI燃烧互为切换的控制技术,针对燃烧方式切换的研究,以及实现切换的控制方法择要作了阐述。     

“石脑油发动机”高负荷压燃运行的研究——一种从油井到车轮低二氧化碳排放的燃烧策略

对一种使用低辛烷值汽油（或称为“石脑油”）运行的燃烧系统在高负荷时的效率和排放潜力进行了计算和试验研究。石脑油发动机在低负荷时采用火花点燃,中负荷时采用均质压燃,高负荷时采用压燃方式运行,重点讨论高负荷时的压燃运行。试验在1台压缩比为16、采用共轨喷射系统的单缸柴油机上进行。考查了3种燃料：轻质石脑油（研究法辛烷值（RON）≤59,十六烷值（CN）≤34）,重质石脑油（RON≤66,CN≤31）、添加十六烷改进剂的重质石脑油（CN≤40）。在上止点单次喷射燃料（类似柴油机燃烧）,随负荷的增长会产生很大的燃烧噪声。与计算流体动力学预测的一致,噪声限制了最大功率。单次预喷后,受噪声限制的最大功率略为增加。在与传统轻型柴油机功率水平差不多的峰值负荷下运行,要求采用一种“分段燃烧”方法,即采用间隔很大的预喷和主喷。试验结果表明,发动机在低速、中高负荷下具有很好的性能和效率。由于加入十六烷改进剂后石脑油的着火性仍不佳,发动机分段燃烧高速运行时的转速被限制在2700r／min以下的范围内。中低负荷下的大量预混燃烧使氮氧化物和颗粒排放降低,分段燃烧在高负荷下出现了很高的排放（类似柴油机）。因此,为了高效率运行,虽然这种方法能达到不错的峰值负荷水平,但是,转速和排放限制了这种方法的应用,需要进一步的研究。     

直喷式柴油机燃用柴油和生物柴油时的高均质压燃技术

在直喷式柴油机上很难实现高均质压燃。其主要原因是很难实现燃油充分气化和存在燃油喷雾撞壁问题。这种燃烧状况还会因压力升高率增加而限制最大运转负荷。与常规的燃烧过程相比,均质压燃的碳氢（HC）和一氧化碳（CO）排放会明显升高,且排放值很高。在一台直喷式柴油机上研究了2种实现高均质压燃的方法：采用日产公司MK型喷油系统和提早喷油。利用一台普通2L4缸共轨柴油机,以18．4和14．4的压缩比分别研究了喷油压力、喷油定时、废气再循环（EGR）率、EGR冷却器效率和压缩比的影响。鉴于目前人们对生物燃料的兴趣,结合高均质压燃方式,采用柴油和生物柴油,研究了燃料氧化特性对HC、CO、碳烟和氮氧化物（NO：）排放的影响。通过测量气态排放物、滤纸烟度值和压力进行研究。并用缸内压力计算出放热率和缸内压力升高率。减小压缩比能扩大高均质压燃充量的运行范围。在低负荷时,柴油和生物柴油的NOx和碳烟排放均可忽略不计。燃用生物柴油能使HC和CO排放减少。在高负荷时,碳烟排放变得较高,而燃用生物柴油则能使碳烟排放减少。简要介绍了实现低排放的几种柴油直喷方式,并分析了含氧生物柴油对这些燃烧方式的适应性。     

均质充量压燃发动机一氧化碳及碳氢排放的分析

欧6排放标准对减少氮氧化物（NOx）排放的要求迫使发动机制造商开发柴油机均质压燃（HCCI）燃烧过程。作为应对环境挑战一种有前途的方法,HCCI可同时减少NOx和颗粒排放。遗憾的是,HCCI燃烧通常使一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放增加。现在用于欧4车辆的常规氧化催化技术可能由于活性催化点的饱和而无法转化这些排放物。因此,必须利用新型催化剂或新生技术,把这些增加了的CO和HC排放降低到标准限制以下。研究在“新一代柴油机后处理”项目框架下由欧洲委员会资助进行。目的是开发先进的新型催化剂,以提高低温下CO及HC的转化效率,可能与基于低温等离子理念的新生技术相结合,适应HCCI特定的废气排放。介绍了初步研究结果：在HCCI燃烧下定义氧化催化剂的边界条件。为此,在1辆装有2．2L4缸机的乘用车上,对窄角直喷（NADITM）双模式发动机（低负荷下的HCCI燃烧转换到高负荷下的常规燃烧）的CO和HC排放特性做了详细研究。法规排放物（COx总碳氢）由标准气体分析装置测量,HC物种分析由连接在火焰离子化分析仪系统上的C1-C9气相色谱仪进行。此外,醛和酮的排放用高压液相色谱仪分析。结果表明,HCCI燃烧易造成比常规燃烧更高的甲烷排放,且高EGR率会导致较高的含氧物（尤其是甲醛）排放。假如醛在催化剂热起后容易转化,那么,甲烷在该温度下就不会被氧化。今后将确定HCCI专用高效氧化催化剂的成分,并制造催化剂和进行测试,以达到CO和HC排放标准。在排气管中还将安装低温等离子反应器以促进氧化反应。     

大功率双燃料发动机用宽泛喷油器

与柴油发动机相比,双燃料发动机具有废气排放低、易于在不同燃料间转换,以及可用低价气体燃料、实用性高等特点。近年来,双燃料发动机越来越受到重视。最先进的柴油-天然气发动机的缺点是系统复杂性高,因为它们配备了两个喷油器(一个主喷油器用于柴油运行和一个引燃喷油器用于双燃料运行)或双喷嘴喷油器。此外,双喷油器性能会受到其引燃喷油器偏心位置的不良影响。因此,在发动机整个运行范围内仅采用一个位于中央的喷油器是首选解决方案。然而,以微量柴油特别是1%柴油分量实现所需的喷射精度,喷油系统在设计上极具挑战性。在发动机整个运行范围内柴油分量高达100%时调整喷嘴几何形状以获得良好的喷雾性能,也仍是一个重要的课题。文章对L’Orange(以下称罗润)公司先进的宽泛(wide range)喷油器与最先进的引燃喷油器的喷射性能进行比较。在喷油率测量及喷雾箱光学调查的基础上,评估两种喷油器的喷射特点。采用高速纹影技术和高速米氏散射可视化技术来描述喷雾汽相和液相的特点。调查的重点是少量柴油(柴油全负荷运行柴油用量的1%~10%)用于高速双燃料发动机。利用选择的单缸发动机试验结果对两种不同的喷油器进行再次对比。为避免喷油器安装位置对评估产生影响,两种喷油器均被安装在气缸盖的中心。通过试验测定维持稳定燃烧所需的最小柴油分量。此外,在发动机的不同工况下,对新型喷油器和最先进的柴油引燃喷油器对发动机整体性能的影响进行比较。     

针对乙醇优化的Saab9-5型生物能源汽车的燃料经济性和排放

Saab汽车公司推出1款生物能源发动机,燃用乙醇燃料时,能借助提高涡轮增压器压力和点火提前角提高性能。这款2L涡轮增压发动机与Saab9-5型2t汽车配套,燃用汽油时的功率为112kW,燃用E85燃料（85％乙醇,15％汽油）时的功率增加了20％,为134kW。美国法规要求境内销售的柔性燃料汽车使用联邦认证汽油或E85乙醇汽油时,车辆的排放性能必须都合格,而欧洲法规仅要求车辆在用汽油时的排放性能合格。由于美国不断增加对使用乙醇燃料的兴趣,能源部和橡树岭国家试验室要求对符合欧洲技术标准的2007年Saab9-5型2t生物能源汽车进行基准评估。按联邦测试循环（FTP）和公路燃料经济性测试循环对该车型进行测试的结果表明,其汽油等效燃料经济性与同类符合美国法规的柔性燃料汽车处于同等水平。而按FTP和美国2006年（US06）严酷测试循环（FTP的补充部分）试验时所测得的法定和非法定排放物表明,尽管欧洲没有要求用E85燃料或按关国工况进行认证试验,但该车仍满足美国第2阶段第5级（Tier2Bin5）排放标准（但没有测定全使用寿命的排放）,而且在6400km的US06排放法规限值以内。在燃用联邦认证汽油时,碳氢化合物排放较多;用乙醇汽油时,乙醇和醛类排放较多。在底盘测功器和道路上的加速性试验均证实,燃用E85时能达到所宣称的功率增加量。     

BMW公司喷束引导式汽油直喷燃烧系统的潜力

介绍了BMW公司的喷束引导式汽油缸内直喷燃烧系统,它解决了壁面引导和气流引导的第一代缸内直喷燃烧系统的最大问题。由于喷油器中置,喷束引导式系统提供了火花塞附近的分层混合气,并显著降低了湿壁效应。外开式压电喷油器的低喷雾贯穿度和高喷雾稳定性可使分层汽油机的运行脉谱拓宽到更高的负荷和转速。压电驱动使喷油器针阀开启非常迅速,能以极短的时间滞后完成多次喷油,可以灵活地标定,以提供高效的燃烧,使未燃HC、CO的排放很低。与传统的节流式汽油机相比,喷柬引导系统在新欧洲测试循环下可节省燃油约20％。此外,与涡轮增压的进气道喷射汽油机相比,BMW的喷束引导式缸内直喷燃烧系统具有很大的气门重叠角,气缸得到完全扫气、不留残余废气的运行策略导致在很低的发动机转速下也能得到极好的全负荷性能,发动机的动态响应得到改善,因此很适合涡轮增压。     

面向未来的双燃料发动机技术进展

当前双燃料发动机正在大缸径发动机市场逐步觉醒。长期以来双燃料技术仅应用于电站发电领域,然而近十年来,由于纯天然气发动机性能的大幅度提高,以及采用大型中速发动机实现功率等级的延伸,电站市场显著萎缩。除了先前大量的陆用外,移动式应用也为大缸径双燃料发动机提供了更广阔的市场。上述应用包括船用主推进（例如液化天然气运输船,豪华游轮）和辅机应用（例如集装箱船）以及铁路牵引（例如,长途机车）。促使业界关注双燃料发动机的主要动力是,与使用昂贵的重油或柴油相比较低的燃料成本,以及降低以NOx为主的排放污染物进而满足未来的排放法规。另外,对于大量的移动式发动机的应用,天然气将很快成为一种潜在的低硫燃料。除天然气之外的典型液态替代燃料通常不利于在电站双燃料发动机的应用,然而对于移动式应用却是一种可靠的备用燃料。对于船舶应用可以在ECA（排放控制区）区域内外通过天然气和柴油模式切换,从而使双燃料发动机更容易满足IMO（国际海事组织）的排放法规。移动式应用的难点在于,频繁的转速工况变化、快速的负荷响应要求、天然气品质变化和复杂工况下,对发动机运转可靠性的考验。由于双燃料发动机具有两种典型运转模式（天然气工况和柴油工况）,在发动机设计时必须进行折中考虑（例如压缩比、活塞碗形状、气门正时等）,这就导致了目前效率和功率密度方面的缺陷。关于上述问题,奥地利AVL公司通过单缸中速发动机测试研究了双燃料发动机相关技术问题。对大量参数进行了评估并对工况边界条件进行了研究。基于获得的数据,将给出当前双燃料发动机技术的短期预测。AVL公司关于双燃料发动机技术的展望也将促进中期开发需求。     

Deutz公司在欧洲推出的“天然燃料”发动机

不久前，Deutz股份公司在欧洲农业机械展览会上展出其“天然燃料”发动机。这些发动机是在TCD2012和TCD2013系列发动机基础上开发出来的，可使用100％生物柴油。符合DINEN14214的菜籽油甲基酯燃料和DINV51605的菜籽油燃料的要求。Deutz宣称，这些使用生物柴油的发动机排放完全符合欧3标准，并承诺提供整车质量担保。Deutz天然燃料发动机采用德国DCR共轨技术，以及具有Deutz专利的燃料管理系统。该系统由集成控制系统、双油缸和燃料预热器组成。双油缸可进行柴油和菜籽油燃料间的自动切换，燃料预热器用以保证在低温下使用菜籽油时发动机正常工作。全面诊断功能可预测临界操作状态的出现，以防止燃油滤清器堵塞。     

柴油清净剂的现状与发展趋势

柴油清净剂相对于汽油清净剂来说发展得较晚。柴油以及润滑油由于热裂解在喷嘴处容易形成积碳，这些沉积物能够使裸漏的喷嘴部分或完全地堵塞，影响喷嘴的正常工作，延迟燃烧，压力增长，导致发动机噪音增大，污染物排放恶化以及油耗增加。柴油清净剂可有效地清除喷嘴积碳，确保良好的雾化性能，并保持发动机性能以及排放水平。此外排放法规的日益科学合理使得柴油质量不断提高，重新配方的柴油一个重要性质就是它的清净性。随着对高品质燃油的需求，以及环保要求的日益严格，柴油清净剂正呈现出良好的潜在发展前景。１柴油清净剂的概况柴油…     

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。     

柴油机自动诊断专家系统

介绍了澳大利亚阿德莱德大学提出并正在开发的一种用于柴油机的自动诊断专家系统。该系统采用振动信号，并结合使用机油压力和温度，曲轴箱压力，排气温度和压力，废气排放值，进气管噪声值，并结合使用机油压力和温度，曲轴箱压力，排气温度和压力，废气排放道，进气管噪声值，进气管压力，燃油供给压力以及发动机瞬时转速，对柴油机进行了监近和故障诊断。介绍了先进的信号处理技术，还介绍了与故障状态有关的信号分析技术。     

燃料着火性对预混合压缩着火燃烧特性的影响

研究目的是为预混合压缩着火燃烧方式建议一种最适宜的燃料特性。在一台单缸试验发动机上探讨了燃料着火性对废气排放和燃油耗的影响。研究结果表明，降低燃料着火性（十六烷值）可以增加预混合周期，因而不容易形成碳烟，并可将着火时刻向上止点延迟。所以，可以在改善排放和燃油耗的同时扩大柴油机的工况范围。     

采用新型混合动力系统改善中型载货车的燃油经济性——配置电动增压器的柴油机性能及排放特性研究

为了改善中型载货车在实际行驶工况下的燃油经济性,研究人员提出一种全新的混合动力车概念。该混合动力系统的关键技术是电动增压器。采用1台4缸柴油机并配置电动增压器,对发动机的性能和排放特性进行研究。在高增压压力与大流量废气再循环相结合的条件下进行发动机试验。研究结果证实,车辆的燃油经济性和排放性能同时得到改善。而且,在底盘测功器试验中还成功证实,车辆所用电动增压器消耗的电能可以由中型混合动力车在行驶过程中产生的制动再生能量提供。     

发动机燃用GTL柴油的颗粒数量排放

以一台电控高压共轨柴油机为样机,研究了发动机燃用天然气制油(GTL)的排气颗粒数量及粒径分布规律.所用燃油分别为纯柴油、纯GTL柴油以及GTL柴油掺混比为10％,20％的G10、G20燃料.试验工况为最大转矩转速1 500 r/min和标定转速2 300 r/min的负荷特性试验,负荷百分比分别为10％,25％,5％,75％和100％.结果表明无论燃用柴油,还是GTL柴油或混合燃料,该柴油机排气颗粒数量随粒径变化大都呈现明显的双峰对数分布状态.其排气核态颗粒的峰值粒径在10 nm附近,聚集态颗粒峰值集中出现在40～50 nm之间.随着GTL柴油配比的增加,各工况下不同粒径的颗粒数量大都持续下降,其中排气核态颗粒数量明显下降,在高速高负荷下更为显著;而聚集态颗粒也较纯柴油有一定的降幅,其中G20和纯GTL柴油更为明显.     

以同时降低燃油耗和排放为目的的两级增压系统研究

为降低重型柴油机的实际燃油耗和排放,对采用不同低压涡轮流量和进气控制策略的2种两级增压系统进行对比研究。结果表明,所选择的增压系统可在发动机宽广转速及负荷范围内获得更高的增压压力,如再结合较高的压缩比,就能在改善车辆实际行驶工况排放性能的同时,降低燃油消耗率。     

对燃用植物系生物燃料的柴油机性能及排放性能的研究

部分国家采用从废弃食用油中制取的酯化燃料作为柴油机的代用燃料,但这种代用燃料会产生黑烟或白烟,同时还会影响发动机的起动性能。由于生物燃料属含氧燃料,因此也担心在批量使用时会产生醛类物质等含氧有害物质。探讨了在低温下燃料析出固态物质的原因,以及生物燃料生成醛类物质的趋势,并在1台柴油机上,用3种生物燃料和柴油进行试验研究,比较各自的排放性能,同时明确脂肪酸组成对排放性能的影响。当饱和脂肪酸的比例升高,浊点和析出点也会上升,同时浊点与析出点之间具有明显的相关性。采用油酸甲酯时,醛类排放物在400℃时开始增加,而在低温范围内其生成数量较少。相比柴油,燃用甲酯燃料时,氮氧化物的排放会有所增加,而未燃碳氢化合物、一氧化碳及烟度均呈下降趋势。     

使用生物柴油混合燃料对GE Tier2干线机车排放的影响

本文介绍了标定牵引功率为3280kW、符合Tier2标准的GEES44DC干线机车的排放测试结果和使用生物柴油混合燃料对机车排放的影响。使用含硫约400ppm的试验燃料进行基准排放测试,然后分别使用掺混比为2％、10％、20％和100％的生物柴油（由大豆提炼的）进行测试。气态和颗粒排放物按照美国联邦法规第40章92款进行采样。测试结果表明,与基础油相比,在美国环保局（EPA）干线机车牵引循环和调车循环时每种掺混油的颗粒物（PM）排放量均有所降低。混合10％生物柴油时,PM排放量降低最为显著。相比较而言,继续增加生物柴油比例对于进一步促进PM排放降低的效果有限。使用生物柴油时,就PM排放而言,调车循环比干线循环时降低更显著。使用B2、B10、B20混合燃料时循环加权氮氧化物（NOx）排放量的增加不明显,在试验误差范围内。然而,使用B100燃料干线机车牵引循环时NOx排放增加近15％。除使用纯生物柴油时碳氢化合物（HC）排放在干线和调车分别降低了21％和24％外,其他各工况碳氢化合物排放量在正常试验误差内。与使用基准油相比,测得干线牵引循环下使用B20和B100燃料一氧化碳排放量分别降低了17％和24％。使用B2和B10混合燃料时,体积燃油消耗增加了约1％。使用B20混合燃料时,体积燃油消耗略高于2％,使用B100燃料时增加了近7％。     

重型发动机喷油嘴结焦试验方法的开发

当今，柴油机仍是最常见、最高效的移动式能源转换设备。尽管如此，它还是受到许多问题的困扰，如喷油嘴的结焦。由于引入更先进的喷油系统和燃用更为多样的燃料（包括生物燃料），这个问题变得更加复杂。现在的喷孔尺寸比以前更为细小，因此对结焦更为敏感。已有2种经欧盟委员会批准的柴油机结焦试验方法，但还没有公认的适用于大型发动机的结焦试验方法。以大型发动机为基础，采用含锌量为1×10^-6的B10生物柴油，在单缸发动机上进行研究，目的是开发一种简单、快速的结焦试验方法。为了与实际应用情况相符，采用1台满足欧5排放标准的高功率发动机，在几个实际负荷工况点进行试验。研究了发动机在各种转速最大负荷点的结焦倾向，在此基础上确立一种重复性好、便捷的单一负荷点6h试验法，试验中途保温1h，以产生显著的结焦。用嵌装热电偶的啧油器测得喷嘴平均温度约为255℃。根据试验中测得的功率损耗评价结焦状况，并在流量试验台上予以验证。此时从喷油器上拆下喷嘴，在结焦试验前后单独测量流量，以判断喷嘴结焦产生的影响。由于试验的初始状态极为关键，因而发动机的运转工况十分重要。试验结果显示，发动机在50％负荷状态下运行不会对结焦产生显著影响，并且，整夜保温后功率输出平均升高1．2％，而缩短保温时间对积炭的形成没有显著影响。