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。     

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。     

用燃油喷射策略和废气再循环提高二甲醚均质充量压燃发动机的性能

研究了二甲醚均质充量压燃（HCCI）发动机的燃烧和排放特性。测试了废气再循环（EGR）条件下不同喷射量及喷射定时的燃油喷射策略。缸内直喷和EGR导致缸内温度及混合均匀性的改变,也改变了HCCI燃烧相位。随着空燃当量比的提高,总平均指示压力（IMEPgross）升高,碳氢（HC）和一氧化碳（CO）排放降低。由于二甲醚具有更高的十六烷值和更好的自燃性,大部分燃烧在上止点前完成。缸内直啧二甲醚的潜热作用导致滞燃期延长,所以缸内直喷的IMERgross比气道喷射的高。但是,2种喷射的HC和CO排放很接近。直喷时,IMEPgross持续升高,直到喷射定时达到260°CA之后下降。气道喷射时,喷射时刻对IMEPgross的影响较小,因为随着直喷定时的推迟,IMEPgross随缸内气体均匀性而改变。局部较浓的燃烧会产生较高的燃烧温度,导致在较晚喷射时生成氮氢化物（NOx）。研究表明,HCCI燃烧最佳的喷射定时约在260°CA。喷射定时延迟到260°CA之后会使NOx增多。EGR可以提高IMEPgross因为燃烧推迟使燃烧相位从上止点前改变到上止点后,同时,更低的燃烧温度使HC和CO排放增加。缸内直喷和更高的空燃当量比使燃烧效率提高,从而导致更高的燃烧温度。随着EGR率的增大和喷射定时的推迟,燃烧推迟,从而提高了热效率。此外．较大的空燃当量比会导致过早自燃,降低热效率。     

GM公司采用均质充量压燃技术的汽油机

GM公司介绍了一种以缸内压力为发动机控制基础的均质充量压燃-燃烧过程。一种可变气门机构在工作中控制残余废气量,并且采用直接喷射均衡了气缸差异。研究认为,为了调节最大效率的燃烧重心位置和弥补在实际运行中无法控制的边界条件的影响,必须有一种能对发动机可靠控制的缸内压力传感技术。     

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。     

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。     

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。     

符合日本排放法规的2．0L直喷式柴油机的开发——发动机概要

日产汽车公司新开发的2．0L直列4缸直喷式柴油机采用了压电式喷油器等新技术,获得了同等级发动机的顶级性能,同时,还首次在柴油机上应用了稀燃氮氧化物捕集催化系统,从而满足了日本最新的后新长期排放法规的要求。介绍了新发动机的概要及其性能。     

“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。     

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.     

基于光谱测试的均质充量压缩着火燃烧的研究

介绍利用光谱测试方法对均质充量压缩着火（HCCI）的燃烧特性进行分析的实例。分析结果显示,一定波长的消光系数与低温氧化反应的活性程度有关,相关知识将对解释HCCI燃烧的机理有所帮助。     

减少发动机废气排放的技术及装置

针对降低柴油机废气排放的一系列问题进行了研究;分析了减少柴油机有害排放的控制方法;介绍了Mega-5废气分析系统和Puriclean净化装置的工作原理和功能。     

用于北美铁路牵引的低排放发动机

简述了美国机车制造商及铁路运用部门为了满足日益严格的排放规要求而进行的铁路机车低排放发动机的研究开发活动。这些活动主要包括：对传统柴油机进行个性或优化设计，如加长行程，提高压缩比，采用电子燃料喷射等；开发气体燃料发动机，其中包括采用柴油引燃的双燃料发动机和纯烧天然气的发动机；开发能满足下一代高速铁路计划需要的燃气轮机车发动机。     

满足日本排放法规的2．0L直喷式柴油机的开发——稀燃氮氧化物捕集催化系统的开发

为了满足严格的排放法规要求,开发了带稀燃氮氧化物捕集催化剂的排放控制系统;开发过程中的难点是如何在不影响驾驶性能的前提下实现过量空气系数的控制。介绍了新开发的过量空气系数控制系统,该系统已被应用于2．0L柴油机。这一新开发的排放控制系统满足了日本2009年排放法规的要求。     

发动机运转条件对柴油机颗粒排放的影响

研究了1台单缸柴油机的颗粒排放特性。使用扫描电迁移率颗粒粒径谱仪测量颗粒的粒径分布。检测了发动机运转条件（当量比、喷射压力、喷油定时和废气再循环率）对颗粒粒径分布的影响。结果表明,颗粒粒径分布随发动机运转条件的变化而发生变化。在所有的条件下,核态颗粒与聚集态颗粒都呈现出相反的趋势。     

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。     

以氢为补充燃料的直喷式柴油机的燃烧和碳烟排放

已证实,在乙烯和乙炔与空气的层流扩散火焰中添加氢气（H2）可以大大减少碳烟的生成。将H2雾化喷入单缸自然吸气直喷式柴油机,对燃烧和碳烟排放进行研究。随着H2的加入,特别是H2能量分数增加到15％以上时,发现与以往报道相反,滞燃期明显缩短,压力升高率峰值很高,烟度增加,燃料效率下降。当H2能量分数占30％左右时,滞燃期降到0～1℃A,最大压力升高半上升到2．5～3．0MPa／℃A。当H2比例较低时,碳烟排放稍有减少,但在H2能量分数高于15％～20％时,碳烟急剧增加。H2与空气混合,有效地参与燃前反应,导致滞燃期缩短,随之对燃烧压力一时间历程、碳烟排放和效率产生影响。有必要通过进气加入H2或往发动机气缸内直喷H2进行燃烧控制,以评估H2减少碳烟排放的潜力。     

柴油发动机及车辆排放法规的发展动态

介绍了现行排放法规主要实施执行的欧盟、美国和日本3大体系,分析了柴油发动机排放法规的最新动态,详细论述了新颁布法规或法规新修订内容对柴油发动机限值要求、限制对象、测试方法等方面的要求.在此基础上,介绍了我国柴油发动机及车辆排放现状及法规执行情况,分析了改善柴油发动机及车辆对环境排放可采取的措施.此外,介绍了用于认证的全球统一测试循环.     

重型柴油机达到欧4和欧5标准的排放控制方案

现代柴油机是最通用的车辆动力之一。柴油机因较高的燃油经济性和扭矩得以长期用于全球重型车辆。此外,如今的涡轮增压小型高速柴油机有很高的动力性,以及优异的驱动性,加上很低的CO2排放,使得柴油机驱动的轻型车也越来越多。然而,只有当柴油车的废气排放满足日益严格的排放法规,它才可能被接受。在美国,重型柴油车和轻型柴油车要满足2007年开始生效的严格的排放法规,必须加装颗粒过滤器。从2010年起,排放法规将进一步收紧,这些车辆还必须加装NOx控制系统。欧洲与美国相似,先是欧4、欧5,最终将实施欧6排放法规。实际上,这样的目标意味着NOx和颗粒排放要比之前降低多达90％。评述了世界范围内重型柴油车为满足现行以及即将实施的欧6排放法规所使用的废气排放控制装置,以及控制策略的发展,探讨了有助于满足重型车法规要求的柴油机氧化催化器、通流式颗粒过滤器以及NOx控制催化器（选择性催化还原系统）的应用,并给出了不同控制方案的比较分析。