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。     

用于柴油机节能减排的DUAP燃油喷射系统

内燃机的任务是在燃料燃烧期间将其化学能经热能转变成机械能。发动机发明至今,人们一直在追求高效而洁净的能量转换过程和方法。为实现这一目标,需要协调发动机、燃油和燃油喷射系统之间的关系。燃油喷射系统负责将燃油注入发动机燃烧室并促使其燃烧。虽然经过长期不懈的努力,甚至利用了电子装置,空气与燃料的均匀混合以及完全燃烧的理想仍然尚未实现。近十二年以来,在发动机、燃油喷射系统和排气后处理系统的研发过程中,虽然完全燃烧的问题仍未解决,污染物的成因仍不十分明确,但大量工作仍是围绕降低污染物排放进行的。作为整个能量传递系统的组成部分,燃油喷射系统的功能和所有参数非常重要,对其充分了解有助于提供理想的清洁能源。DUAP燃油喷射系统的开发重点是高效高质量地进行燃油的喷射、雾化和燃烧,以及在各种发动机负荷条件下和燃用不同类型、不同质量的燃油时的运用灵活性。沿着这一方向去思考,传统的机械式和现代的燃油喷射系统（诸如共轨系统,包括压电陶瓷技术）,在燃油雾化和在整个燃烧室的分布方面,均仍有很大潜力。这两个参数决定着燃油的燃烧效果和清洁能源的最佳化传递过程。必须对高性能材料的使用和生产-测量-试验过程进行不断改进。也就是说,重新设计流程,包括技术、商业和社会层面。利用这种系统化再造过程,遵循工程规范,井井有条,就可以使燃油消耗和喷射系统组件的寿命提高一个档次。一个实例就是：在一台采用传统机械式喷射系统改进型发动机中燃油消耗降低了3.5%;用共轨喷油器,运行寿命超9000 h。DUAP公司的燃油喷射系统适用各种燃油,通过燃油的高效燃烧可提供清洁能源。为生产最优化的部件需要对设计和工艺进行深入了解。具备这种能力,是全面满足制造方、购买方     

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。     

提高各种发动机热效率的技术

论述了改善发动机热效率的燃烧技术,并概述了汽车、船舶、发电等用途发动机的燃烧技术。汽油机通常采用的技术手段是提高压缩比,以及包括直喷、预混合压缩着火在内的稀燃技术和优化进、排气门正时及升程的技术。而柴油机的关键技术是增加喷油速率、多次喷射等喷油系统控制及高增压技术。进一步缩小发动机排量、增加燃烧控制系统柔性、回收废气热能将是未来改善系统效率的主要手段。     

采用快速燃烧法改善敲缸的潜力

利用柴油的自着火作为多点点火源,以改善汽油机的敲缸现象。试验与数值分析的结果均表明,通过控制燃烧开始时间及燃油空间分布,可以控制燃烧持续期。点火前的燃油广泛分布可以在抑制敲缸的前提下实现快速燃烧,从而改善热效率。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于异种燃油混合的预混合压缩着火燃烧控制

预混合压缩着火（PCCI）燃烧方式是一种清洁、高效的燃烧方式。但是，像柴油那样采用压燃着火而又缺乏挥发性的燃油会附着在燃烧室壁面上，难以形成混合气。另外，还存在需扩大运转范围等有待解决的问题。介绍了在改善PCCI燃烧控制的过程中，有效应用混合燃油的特性，随着混合燃油的早期喷射，实现2种不同燃油的分层分布。并且，高挥发性燃油促进低挥发性燃油的蒸发，避免因未蒸发燃油附着在燃烧室壁面上而引起燃烧恶化。     

柴油预喷着火增压燃气发动机中生物燃料的燃烧和排放特性

描述了柴油预喷着火的增压燃气发动机中生物燃料的燃烧和排放特性。认为，通过调整柴．油预喷的喷射量，即便使用生物燃料产生的热解气体，也能实现稳定的燃烧。     

低温氧化反应对均质压燃中着火控制的应用

着火定时是采用均质压燃方式发动机实现理想燃烧的一个重要因素，应对其加以准确控制。研究中应用了以低温氧化反应特性来控制着火定时的方法。在一台带可变容积副燃烧室的单缸发动机上燃用不同组分的燃料，在不同的发动机转速下进行了试验，测得的着火定时结果显示出不同的趋势。这些趋势揭示了低温氧化反应的范围。应用该特性所做的发动机试验表明，可以进一步改善不同发动机转速下着火定时的稳定性。     

商用车柴油机技术的发展

为适应全球市场的需要,日本已确定了2009年之后的轻型车及重型车排放法规。日本的柴油机技术正是伴随排放法规及降低燃油耗要求的不断提高而取得进步的。描述了自然吸气发动机及增压发动机的技术发展动向,介绍了这类发动机采用的新技术和新装置。同时,对柴油机喷油系统及排气后处理装置的技术变迁作了介绍。     

汽油机技术的10年回顾

在过去的10年中，汽油机的动力性能、燃油经济性及排放性能都得到了稳步发展。尤其是汽油机的燃油耗每年降低的幅度超过2％，这为降低二氧化碳排放作出了极大贡献。实现这些进步的关键技术是直接喷射的燃油喷射系统、可变气门配气机构，以及高效率的催化装置。预计汽油机技术今后将进一步得到稳步发展。     

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。     

2013年型Accord轿车用2．4L直列4缸汽油机的开发

全新开发的2．4L带智能可变气门正时及升程电控系统的4缸直喷汽油机是本田公司下一代机型,应用了带多孔高压喷油器的直喷系统,实现了低二氧化碳排放和高功率输出。对气缸盖进气道和燃烧室形状、喷油器喷雾形状,以及燃油喷射控制都进行了优化,以确保形成均质混合气,实现稳定、高效的燃烧。全新的发动机结构使摩擦也得到降低。新型发动机的功率和扭矩都增加10％,燃油耗则降低5％。配装新发动机的2013年型Accord轿车配合高效率无级变速器,以及改进后的底盘,使组合行驶工况燃油耗降低11％,并达到美国加州空气资源委员会排放法规中准零排放车级别的排放要求。此外,新结构的发动机减轻了质量．并通过优化气缸体刚度。使噪声一振动一平顺性性能优于旧机型。     

柴油机的油耗和磨耗优化

通过优化燃烧和各缸功率平衡,可有效降低燃油消耗和发动机磨耗。通过采用由发动机电子指示器读取的气缸压力曲线,优化机械调速发动机的燃烧,可以节省大量设备投资和试验时间。所有调整均遵循发动机技术文件中NOx排放限制的有关要求。     

AcuraRLX轿车用新型V63．5L汽油机的开发

本田公司应用最新的动力总成技术“地球梦科技”,开发了1款3．5I。V6汽油机。该发动机的总体设计目标是降低二氧化碳排放,并向客户提供驾驶乐趣。“地球梦科技”的理念旨在降低排放的同时改善燃油经济性。为达到这一目标,并为用户提供驾驶乐趣,采用了三级可变气门正时及升程电控技术和可变气缸管理系统。将这种配气机构技术与缸内直接喷射技术相结合,可提升3．3％的功率,并降低燃油耗20％。为满足中型豪华轿车对噪声及振动水平的要求,开发了新型发动机悬置系统,以改善3缸运行模式的发动机振动。阐述了带可变气缸管理系统及缸内直接喷射系统的三级可变气门正时及升程电控技术、减摩技术,以及新型发动机悬置系统的结构及优势。     

机车和船舶发动机未来的排放要求（上）——面临的挑战、技术方案以及来自其他重型发动机应用领域的经验借鉴

未来世界范围内的船舶和机车废气排放法规要求大幅减少废气中的有害物（尤其是氮氧化物）的排放量。大幅减少尾气排放,同时保持低的燃油消耗也是目前重型发动机和工业用发动机的开发重点。根据从这些开发工作中获得的经验,可以得出结论：严格的排放限值标准不能仅通过一个技术阶段（发动机机内措施／安装排气后处理净化系统）来实现,而必须开发一整套经济有效的手段,其中包括降低发动机本身输出的排放值,辅之以满足要求的高效排气后处理措施。 关于氮氧化物的减排,在重型发动机和工业用发动机领域,当前主要是研究和采用SCR（选择性催化还原）技术。虽然船舶和机车发动机与公路用重型发动机和较小的工业用发动机在具体要求和边界条件方面有显著不同,但是已经取得的经验（尤其是在公路应用领域）仍可用于未来船舶和机车低排放方案开发。 在本文第一部分,将对船舶和机车发动机在排放法规和典型运用边界条件方面与公路用重型发动机和小型工业用发动机进行比较。进一步指出公路用重型和工业用小型发动机应用领域的新技术和发展趋势,包括基本发动机减排方案（EGR、增压、喷油系统等）、后处理技术（柴油机氧化催化器、SCR、主动／被动式柴油机颗粒过滤器、颗粒物氧化催化器等）以及传感器和控制技术。在此基础上,提出适用于船舶和机车应用的技术方案,对于这类应用场合,将考虑具体的边界条件（例如：法规要求、燃油品质及具体运行模式）。 将来把基本发动机与后处理措施结合起来,将会明显增大系统布置和校准方面的难度和工作量。尤其是大型船舶和机车发动机,在最终应用之前对大量金属部件变体进行试验将会受到很大的限制。在这方面,高效开发工具（诸如后处理系统的详细一维模拟,在综合气体试验台上确定催化剂的特性,根据模拟对控制方案和传感器方案进行评估）以及针对公路应用开发的高效标准程序,都可以用来提供可靠的系统布置和校准,同时又可保持短的开发周期和发动机试验时间。     

降低发动机二氧化碳排放的减摩技术

在车用发动机的开发中，改善燃油经济性、减少二氧化碳排放、降低发动机组件的摩擦等都是有待解决的重要课题。基于发动机减摩的常用策略，即降低滑动部位的摩擦因数，降低滑动摩擦部位承受的载荷，缩小滑动部位面积等，介绍近年来发动机减摩技术应用的部分实例，并评价其效果。同时，阐述降低机油泵及辅机皮带传动部件摩擦对发动机减摩的作用及其潜力。