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。     

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。     

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。     

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。     

柴油机低温燃烧试验研究

在一台光学高速直喷柴油机上采用多级喷射方法进行了低温压缩发火燃烧研究。对放热特点进行了分析。通过对自然火焰光度摄像,实现了整个循环燃烧过程可视化。测量了排气管内的NOx排放值,分析了引喷定时、引喷燃油量、主喷定时、运行负荷以及喷射压力对燃烧和排放的影响。低温燃烧模式是通过采用喷射定时远在上止点之前的小量引喷及随后在上止点之后的主喷来实现的。试验结果与传统柴油机（扩散）燃烧进行了对比。在所有低温燃烧下观察到以预混合为主的放热率曲线模式,而在传统燃烧方案下观察到典型的扩散火焰燃烧放热率模式。在传统的燃烧条件下观察到高亮度火焰,而在低温燃烧方案下观察到亮度低得多的火焰。在较高负荷和喷油量较低的方案,观察到在有些方案下有液态燃油喷入低温预混合火焰中。与传统扩散燃烧相比,低温燃烧在相似的运行负荷下取得了碳烟和NOx同时降低的效果。对于高负荷条件,由于缸内温度较高,NOx排放量较大。不过,与传统燃烧相比,高负荷条件下碳烟量有明显降低,这表明,增大喷射压力可显著减少碳烟排放量。     

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。     

燃料性质的变化对重型车用发动机均质充量压燃的影响

均质充量压燃（HCCI）为显著改善效率和大幅削减排放提供了可能。然而，在实用负荷和转速下实现重型车用发动机的HCCI运行面临大量的技术挑战。必须把HCCI的运行范围成功地扩展到全部负荷和速度范围，同时要保持适当的燃烧相位，控制最高缸内压力和压力升高率，并限制氮氧化物和颗粒排放。Caterpillar和ExxoMobil公司的合作研究已在这方面取得重大进展。评估了燃料对HCCI发动机运行范围和排放的影响。测试燃料是在汽油和柴油的馏程范围内开发的，涵盖很大范围的着火性、燃料化学性质和挥发性。所有燃料均利用Caterpillar3401E单缸油料试验机、在HCCI条件下测评。测量了废气排放和性能等关键变量，以及发动机转速、废气再循环率、燃油喷射定时等参数。结果表明，燃料品质和发动机条件的适当组合可实现重型车用发动机在宽广负荷范围内的HCCI运行，同时显著削减排放。在发动机压缩比为12的条件下进行测试，发现某种着火性介于目前汽油和柴油之间的燃料可提供最大的高负荷运转能力。     

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。     

直接喷射汽油机的废气再循环阀

自20世纪90年代中期柴油机采用直接喷射以来,外部废气再循环（EGR）就被用于降低压燃式内燃机的氮氧化物（NOx）排放。与柴油机类似,充量分层直接喷射汽油机也会产生较高的NOx原始排放。已经证实,与柴油机一样,这种直接喷射汽油机采用电动EGR阀的外部EGR是降低NOx原始排放的有效措施。德国Gustav Wahler公司开发并生产轿车及商用车柴油机和汽油机用的EGR阀部件,而瑞士Sonceboz汽车集团为电动EGR阀开发并生产电磁驱动装置和机电一体化系统。     

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。     

在废气再循环条件下的柴油机富氧燃烧试验研究

为在尽量不恶化氮氧化物（NOx）排放性能的情况下减少颗粒物（PM）排放量,应用试验设计技术,通过控制喷油定时、进气空气中的二氧化碳（CO2）和氧（O2）体积分量,对一台单缸直喷柴油机富氧燃烧进行了研究。结果表明,在富氧条件下,CO2的添加降低了平均燃烧温度,NOx排放量的增加被控制在最小程度。还观测到,在CO2添加量达最大值时出现的燃油消耗率以及碳氢化合物和PM排放率的恶化趋势通过富氧得到极好的控制。     

降低直接喷射汽油机未燃排放物的研究

通过一种独特的混合气形成方法,使直接喷射火花点火汽油机在低负荷分层燃烧时的效率得到改善。使用扇形燃油喷雾,使混合气中的燃油分配更均匀。并通过一个局部隔热的活塞和高温废气再循环（EGR）进一步降低了未燃排放物。为了达到局部隔热的目的,使用钛合金隔热板,从而使该区域因喷雾撞击提高了表面温度,并消除了湿壁现象。即使在利用高EGR率降低NOx排放的情况下,高温EGR也阻止了火焰传播的衰减。     

低温废气再循环及低压缩比对降低欧6柴油机氮氧化物排放的影响

采用低温废气再循环（EGR）和低压缩比降低氮氧化物（NOx）排放,开发大型多功能运动车用欧6柴油机。低温EGR是通过低温EGR冷却液来降低再循环废气的温度,因而能在颗粒排放相同的情况下降低NOx排放。由于燃烧温度低,低压缩比可降低NOx排放。这两种方法在实际应用中部适用于常规柴油机。另一方面,EGR冷却液温度和压缩比过低可能会导致一些问题,如EGR积炭和冷起动能力不足等。因此,必须具备避免产生这些异常现象的NOx排放降低策略。结果表明,低温EGR在EGR流量较低的低负荷条件下可显著降低NOx排放,在新欧洲行驶循环的14个32．况点,可降低NOx排放约4％。考虑到冷起动的持续时间、怠速变动系数和生产偏差,将压缩比确定为15．2。在调整EGR率和主喷油定时以保持相同的颗粒排放后,将压缩比调至15．2可降低NOx排放约5％。     

各种废气再循环策略在多缸柴油机中的适用性——高压回路和低压回路废气再循环系统联合应用的效果

采用1台多缸柴油机在稳态工况下研究了高压回路（HPL）和低压回路（LPL）废气再循环（EGR）系统联合应用对发动机性能和排放特性的影响。在低负荷下,增加HPL-EGR率会导致较高的碳烟排放,而增加LPL-EGR率则会导致燃油耗较高。为了解决这一问题,在低负荷下联合应用HPL-EGR和LPL—EGR系统,能在不牺牲燃油耗的情况下减少排放。反之,在高负荷下,由于泵气损失对燃油耗的影响较小,增加LPL-EGR率并采用较高的增压压力后,能同时减少氮氧化物和碳烟排放。     

喷孔几何形状对降低柴油机排放的影响

在一台采用高压共轨喷射系统的多缸柴油机上对3种喷嘴形状各异的喷油器进行了试验。试验采用多种喷射压力,并结合使用废气再循环技术,以获得低的NOx和碳烟排放。研究中采用的喷油器包括6孔喷嘴的、10孔喷嘴的和K系数为3的6孔收敛形喷嘴的。所有3种喷油器具有相同的流量值。所试的所有3种喷油器在各自适当的条件下均有NOx和碳烟减排效果。研究发现,低温燃烧可通过采用高的废气再循环率与晚喷相结合来实现。在传统的喷油定时下,高喷射压力明显减少了碳烟的排放。在推迟的喷射定时（即上止点后5°曲轴转角）下,喷射压力的影响不明显。研究发现,在相同的喷射条件下,与直孔喷嘴相比,收敛形喷嘴会产生更高的碳烟排放量。收敛形喷嘴对NOx排放和燃油消耗率的影响不明显。10孔喷油器中的小喷孔喷嘴可产生较小的燃油滴从而导致更好的雾化。10孔喷油器在宽广的运行条件下似乎具有更好的空气利用率从而有显著的NOx和碳烟减排作用。     

试验性的废气再循环系统在EMD 12-645E3型机车柴油机上的应用

本文研究在一台EMD公司的1715kW、二冲程、12-645E3型柴油机上采用废气再循环（EGR）、独立回路后冷却器和延迟喷油定时在减少排放和降低燃油消耗方面的优点,该型柴油机在北美广泛应用于船舶和机车。试验结果表明,采用EGR、4°静态喷油定时延迟和最低进气歧管温度,使得在US-EPA（美国环保局）干线牵引工作循环下...     

预混合压燃式发动机的燃烧特性及着火控制

在1台均质充量压燃式发动机上测定了着火定时的特性、失火条件、燃烧噪声和排放。在发动机试验中,利用详细的化学反应动力学模型进行发动机循环模拟,揭示出着火定时的特性,并观察到了低氮氧化物（NOx）燃烧。通过利用动力学模型的定容燃烧模拟,推算出燃烧期内燃烧噪声与压力升高率的关系。基于废气再循环、进气温度、压缩比和燃料组分对着火定时、燃烧噪声和NOx排放的影响,探讨了均质充量压燃式发动机的燃烧控制方法。     

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。     

进一步提高喷射压力对大功率中速柴油机烟排放的影响

有很多措施能够将NOx排放调整到规定值,诸如冷却排气再循环(EGR)、选择性催化还原(SCR)等。然而,使用捕集器降低烟度值却不一样,由于成本、安装控件以及维修方面的原因,其可行性受到质疑。碳烟形成及氧化过程极其复杂,使得烟排放目标的实现比NOx的控制要困难许多。在原理上,碳烟的控制需要配给足够的空气,并需要与蒸发的燃油形成良好的混合。最有效的途径是优化喷油系统,亦即增大喷油压力、实施多级喷射、优化喷嘴几何形状。为了解非常高的喷射压力对烟度的影响,在格拉茨大功率柴油机技术中心(LEC)安装了一套先进的轨压可高达3 000 bar的喷射系统,并配有Bosch喷油器。为定量研究喷射对烟排放的影响,在试验台上以固定转速按螺旋桨运行规律考察了全负荷和部分负荷各工况的运行。试验中,在改变喷射定时和空燃比的情况下,采用了SCR和EGR方法。另外,试验规划法的采用有助于减少试验次数。喷雾和燃烧过程的研究采用了光学设备。为更清晰地了解碳烟的起源以及为了能够对喷射压力高达3 000bar的3D CFD FIRE喷雾模型进行核准,获取了用两色法表示的碳烟浓度曲线。用很高的压力喷射可以获取非常低的烟排放值,其中包括使用EGR的条件。采用试验规划法获取的结果清晰地表达了各参数之间的关系,从而可用来优化整个转速和负荷范围内的数值。可靠的油束碎裂模型可用于进一步的3D CFD FIRE仿真,以探索如何进一步降低碳烟的排放。