氨燃料汽车发动机燃烧技术研究进展

为缓解全球气候变暖,可考虑在汽车发动机上燃烧零碳氨燃料以减少碳排放。但由于氨(NH₃)的燃点高、最小点火能量高以及燃烧缓慢等劣势,需要借助氢气(H₂)作为助燃剂,帮助改善氨燃料发动机的燃料燃烧过程。针对国内外相关文献进行综述,总结了氨氢双燃料发动机掺混燃烧调控方法的研究进展,并分析了氨催化分解制氢与氨燃料发动机耦合的研究现状,发现采用氨燃料在线重整制氢可以避免采用双燃料供给系统。研究结果表明,氢气助燃能提高氨燃料发动机的燃烧速度,降低NO_x的排放量。对于氨燃料发动机依旧存在的动力性能下降和未燃氨气排放等问题,仍需在今后的研究中探索解决。     

汽油掺混PODE3-4对发动机燃烧和排放的影响

为了实现汽油在发动机上的压缩燃烧，在一台4缸四冲程压燃式发动机上使用不同掺混比的聚甲氧基二甲醚(PODE_3-4)-汽油混合燃料，探究了在不同负荷下的燃烧和排放特性。结果表明：在小负荷工况(0.13,0.38 MPa)下，掺混PODE_3-4使缸内燃烧压力和放热率升高；在大负荷工况(0.88,1.13 MPa)下，放热率随掺混比增加逐渐降低；对于排放特性，随着负荷的增加，NO_x和Soot排放逐渐升高，当负荷大于0.38 MPa时，CO和HC排放均保持在较低水平；随着掺混比的增加，Soot、CO、HC、苯和甲醛等污染物排放呈现出降低的态势，而NO_x排放变化不大。     

三火花塞点火系统对混动专用发动机稀燃性能影响试验研究

基于一台三缸1.5TGDI增压直喷发动机研究了三火花塞点火均质稀燃对发动机性能的影响。结果表明：三火花塞可有效拓展稀燃极限，压缩比15时，采用三火花塞在2 000 r/min、8 bar BMEP的特征工况点可实现lambda 1.95的稳定燃烧，最低油耗相比单火花塞降低约5 g/(k W·h),NO_x原始排放可降低至约50×10^-6，此时lambda受增压能力限制难以进一步增加；压缩比增加至16所能实现的最低油耗相比压缩比15改善不明显，且稀燃极限有所下降。三火花塞对爆震倾向改善作用较小，但可显著加快稀混合气的燃烧速率，相同lambda条件下其燃烧持续期相比单火花塞可缩短约3-6°CA,lambda 1.95时的燃烧持续期相比当量燃烧仅增加约2°CA。通过对潜在最高热效率的研究表明，采用三火花塞设计可在压缩比15条件下最终实现45.02%的有效热效率。     

缸内直喷汽油机多种燃烧模式的试验研究

基于量产增压缸内直喷汽油机,采用可变升程机构实现多种燃烧模式,在低升程下实现了均质燃烧、分层稀燃和均质压燃。试验结果表明:在转速2 000r/min,负荷0.2MPa,0.4MPa下,均质压燃的燃烧持续期最短,放热最快;在转速2 000r/min,负荷0.2MPa下,均质压燃的燃油消耗率最低,达到337g/(kW.h),同时均质压燃的NOx排放远低于均质燃烧和分层稀燃。     

排气温度、排气流量和海拔高度对SCR系统NOx转化率和NH3泄漏量的影响研究

为研究不同海拔下SCR系统性能,分别在80、90、100 k Pa大气压力下对一台满足国五排放标准的高压共轨柴油机进行性能与排放试验,以研究排气温度、排气流量和海拔变化对NO_x转化率和NH₃泄漏量的影响。结果表明:在排气流量为350 kg/h情况下,NO_x转化率随排气温度升高呈现先增后减的趋势,不同温度下NO_x转化率最大差值为43.4百分点;NH₃泄漏量随着温度的升高大体上呈下降趋势,不同温度下NH₃泄漏量最大差值为328×10^-6;NO_x转化率随排气流量升高呈现先增后减的趋势,在250℃时,不同排气流量下NO_x转化效率最大相差21.5百分点;NH₃泄漏量随排气流量的增大而增加,在250℃时,不同排气流量下NH₃泄漏量最大差值为90.8×10^-6。相同工况下,海拔越高,NO_x转化率越高,NH₃泄漏量越小,大气压力为80和100 k Pa下NO_x转化率最大相差20.1百分点,NH₃泄漏量最大相差54.6×10^-6。     

氨-生物燃料双燃料发动机的燃烧与排放特性

针对双碳目标,应用低碳/零碳燃料是实现内燃机高效清洁燃烧的有效途径。本研究基于一个双燃料柴油机台架开展,缸内直喷燃料分别选用柴油、生物柴油/汽油混合燃料(BG70)和生物柴油/汽油/乙醇混合燃料(BG50E20);氨为进气道喷射,能量替代率为0～28%。试验工况为1 200 r/min、0.8 MPa指示平均有效压力(IMEP)。对比分析了不同燃料的一氧化碳(CO)、总碳氢(THC)、氮氧化物(NO_x)排放以及颗粒物粒径分布。结果表明：单燃料模式下,BG70和BG50E20的指示热效率高于柴油。BG70的CO排放相比柴油降低30%,但THC和NO_x排放在3种燃料中最高。BG70和BG50E20的总颗粒物数量(TPN)排放低于柴油。相比各燃料单燃料模式的燃烧与排放性能,添加氨后的3种燃料的指示热效率降低1%～2%;CO排放增加约1倍;柴油和BG70的NO_x排放减少接近50%,BG50E20的NO_x排放减少约30%。另外,氨的加入对BG70和BG50E20的TPN有显著影响,当氨能量替代率从0增长至28...     

天然气发动机燃烧方式分析

根据混合气形成和着火方式将天然气发动机的燃烧模式分成均质混合气点燃、非均质混合气点燃、均质混合气压燃和非均质混合气压燃/引燃4种。分析了这4种燃烧模式针对发动机性能和排放方面的特点,讨论了目前存在的问题。认为目前最有实用价值的模式为柴油引燃天然气非均质扩散燃烧,因为其热效率高于火花点火发动机,与传统柴油机相当,而有害排放物排放却较柴油机明显降低,并且相对于HCCI更易实现。     

节能减排的新型燃烧过程(一) 从HCCI到CCS和HDC及oCCS燃烧系统

将汽油机的空燃混合气均质化与柴油机的高效压燃结合在一起,并与新型燃料相结合被称之为CCS燃烧过程。这种燃烧过程能够同时降低NOx和微粒排放,并能明显提高效率。     

共轨柴油机燃用柴油-异丙醇混合燃料的燃烧与排放特性

在1台高压共轨柴油机上研究了柴油-异丙醇混合燃料的燃烧与排放特性。结果表明：在不同发动机负荷和不同EGR率下,与柴油相比,柴油-异丙醇混合燃料的滞燃期明显延长,预喷燃料峰值放热率增加,主喷燃料峰值放热率略有降低,中高负荷下扩散燃烧强度明显增加,峰值缸内平均温度增加;NO_x排放略有增加,炭烟排放、颗粒物数量浓度和体积浓度均显著降低。与燃用柴油相比,柴油-异丙醇混合燃料联合EGR可以同时降低NO_x和颗粒物排放。     

EGR和稀燃对甲醇发动机燃烧及排放特性的影响

在废气再循环(EGR)和稀燃策略下,以一台进气道喷射点燃式大功率甲醇发动机为试验对象,研究了两种稀释策略及复合稀释对甲醇发动机性能、燃烧及排放特性的影响。试验结果表明：在相同的稀释率下,稀燃比EGR能拥有更高的缸压峰值、更短的燃烧持续期、更低的燃油消耗率和更高的有效热效率。稀燃策略在降低HC和CO排放方面效果较为显著,而EGR策略能更为有效地降低NO_x排放。在未燃甲醇和甲醛排放方面,稀燃策略效果都较好。与EGR单独稀释相比,复合稀释能显著提高甲醇发动机的有效热效率。复合稀释对HC排放的影响较小,在降低CO排放方面和过量空气稀释效果相似,优于EGR稀释,最大降低幅度高达80.3%;拥有更好的抑制NO_x排放的效果,最大降低幅度为97%。复合稀释时,未燃甲醇排放与EGR单独稀释时相当,高于过量空气单独稀释;高稀释程度复合稀释时,甲醛排放有所下降。     

面向缸内直喷汽油机燃烧调控中若干基础问题研究综述

汽油机缸内直喷技术可比进气道喷射自然吸气均质混合气汽油机热效率提高20-25%。然而稀燃时火焰传播速率低,火核生成困难,因此采用分层混合气燃烧组织方式用于提高点火性能和燃烧速率,采用提高缸内充量运动强度和废气再循环在保证燃烧速率的同时降低NOx排放。因此对缸内直喷汽油机燃烧调控进行研究具有提高内燃机利用效率的意义。     

含氧燃料与进气氧浓度对柴油机燃烧与排放的影响

在1台4缸高压共轨柴油机上,通过向柴油中掺混0%,10%,20%正丁醇(质量分数),研究了在不同进气氧浓度条件下,掺混燃料含氧量对柴油机燃烧特性与排放的影响规律。研究结果表明:进气氧体积分数处于20%~21%之间时,燃用3种燃料的滞燃期均不随氧浓度的变化而变化;随着掺混比例的增加,燃料中含氧量增加,这导致了滞燃期的增加,且随着进气氧浓度的降低,滞燃期受燃料性质的影响作用不断增强;随着燃料中含氧量增加,炭烟(Soot)排放逐渐减小;掺混燃料的含氧量对NO_x排放的影响不明显,而对指示热效率的提升有积极作用,在进气氧体积分数小于15%时,燃料含氧量对指示热效率的促进作用减弱。     

甲醇汽油机怠速稀燃特性的试验研究

为改善传统汽油机怠速稀燃的燃烧与排放特性,在1台加装了电控甲醇喷射系统的汽油机上对燃用汽油(M0)、50%质量比例甲醇汽油(M50)和纯甲醇(M100)3种燃料的发动机的怠速稀燃特性进行了试验研究。试验先后在过量空气系数a=1.1和a=1.3两组稀燃工况下进行,怠速转速稳定在800r/min左右。试验结果表明:添加甲醇后,两组稀燃工况下指示热效率均有所提升;发动机的火焰发展期、快速燃烧期和平均指示压力的循环变动系数随着甲醇比例的增加而降低;甲醇能够显著降低发动机怠速稀燃工况下的HC和NOx排放,CO2排放随着甲醇含量的增加也略有降低。     

气门重叠角对GDI发动机性能和微粒排放的影响

本文中研究了可变进气正时(IVT)、可变排气正时(EVT)和可变进排气正时策略(IEVT)形成的气门重叠角对缸内直喷汽油机燃烧和微粒排放的影响。研究发现在小负荷下3种正时策略中正气门重叠角的增加均会导致缸内残余废气量增加，滞燃期和燃烧持续期推迟和延长，油耗和HC排放均先减小后增加，NO_x排放减小。在相同气门重叠角下，EVT的残余废气量最多，IVT对泵气损失改善最大达15.6%。相比IVT和EVT,IEVT在60°CA的重叠角仍稳定燃烧且减少了传热损失和排气损失，油耗可降低8.67%,NO_x减少了96.57%，微粒总数减少了89.43%。     

均质充气压缩点燃(HCCI)技术及其在汽油机上的应用

均质充气压缩点燃着火HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)作为新一代的内燃机燃烧方式,具有传统火花点火汽油机均质混合气特质,同时具有与传统压燃柴油机相当的高效率,具有实现高效、低排放燃烧的巨大潜力。在汽油机普遍采用电控技术,发动机性能得到较大改善的今天,稀薄燃烧技术为汽油机性能的提高提供了广阔的前景。文中在介绍HCCI燃烧技术的基础上,分析了汽油机实施HCCI的可行性及其实用化所面临的问题。     

掺烧LPG对直喷式柴油机性能的影响

提出一种柴油机混合燃用LPG的新方式,即LPG/柴油混合喷射方式。分析了不同LPG质量掺混比对发动机热效率、排放特性和燃烧特性的影响。试验结果表明,LPG掺混比较小时,可以改善发动机的热效率;掺混比较大时,烟度和NO_x排放大幅降低,平均有效压力较高时CO排放也有所降低,HC略有升高;LPG混入柴油中对发动机燃烧特性也有显著影响。     

汽油机稀薄燃烧技术发展分析

汽油机的燃油经济性比柴油机差,所以降低汽油机的能耗则显得更为迫切.稀薄燃烧是提高汽油机燃油经济性的重要手段.近些年来,对以分层稀薄燃烧缸内直喷汽油机和均质压燃汽油机为代表的新型稀薄燃烧模式的研究,极大地提高了汽油机的燃油经济性.本文论述了稀薄燃烧的实现方式及其优缺点,并重点介绍了稀薄燃烧的三种形式:气道喷射稀燃系统(PFI)、直接喷射稀燃系统(GDI)和均质混合气压燃系统(HCCI),且相互比较.文章最后简要论述稀薄燃烧的发展趋势及我国在这方面的研究状况.     

正丁醇-柴油对柴油机燃烧及排放影响的试验研究

通过配制不同正丁醇掺混比例的正丁醇-柴油混合油,在不改变供油提前角和燃油系统的条件下,测量了柴油机燃用正丁醇-柴油混合油的气缸压力、放热率以及NOx、炭烟等排放污染物,探讨了正丁醇掺混比例对柴油机燃烧过程的影响规律,分析了正丁醇对排放污染物的作用过程。结果表明:正丁醇掺混比例为0%,5%,10%时,低转速、低负荷工况下,缸内最大燃烧压力分别为6.2MPa,5.9MPa和5.8MPa,与燃烧柴油相比略有降低;高转速、高负荷工况时,缸内最大燃烧压力分别为7.5 MPa,7.6 MPa,7.7 MPa,与燃烧柴油相比稍有增加;随着正丁醇掺混比例增加,柴油机的CO和HC排放升高,在中低负荷下NOx排放有所降低,高负荷时升高明显,平均增加了6.4%,炭烟排放降低明显,燃用正丁醇添加比例为5%和10%时,在高负荷下炭烟分别下降了25%和36%。     

HCCI汽油机的控制策略

汽油机受控自点燃,又名均质充量压缩点燃HCCl（Homogenuos Charge Compession lgnition）,与传统的汽油机燃烧方法相比明显地提高了效率,相应地减少了CO₂排放,NO₂和颗粒物排放也达到了最低水平。博世公司对这一燃烧方法做了很多研究工作,在此基础上对采用HCCI燃烧系统的汽油机在整个工况区域内瞬态运行过程中的控制和调节策略进行了开发工作,并作了台架试验,这些成果值得国内发动机研发人员参考。     

柴油/聚甲氧基二甲醚混合燃料的柴油机性能与排放试验

试验研究了燃用不同掺混比的聚甲氧基二甲醚PODE2-4混合燃料时柴油机的动力、经济和排放特性。试验在未经改动的R180柴油机上进行,转速1 200、1 600、2 400 r/min,负荷20%~100%,使用了3种混合燃料,添加PODE2-4的体积百分比为5%、10%和20%。结果表明:随着PODE2-4掺混比的增大,柴油机功率和转矩下降,燃油消耗率和热效率增加。当掺混比达20%时,柴油机外特性功率和转矩下降5.3%,有效燃油消耗率增加13.6%,有效热效率增加1.8%。在各种转速、负荷时,随着掺混比的增大,HC和CO排放下降,排气温度和NOx排放增加,消光系数明显下降。因此,在低比例掺混条件下,PODE2-4适合作为柴油的添加组分使用。