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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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％。     

生物柴油对发动机润滑油性能的影响

从分析市场回收的发动机润滑油特性入手,比较了在发动机润滑油中柴油、废弃食用油甲酯等的残留比例。实施发动机耐久试验,并间隔一定时间,对发动机润滑油采样,分析试样的总酸值、总碱值、动黏度,以及对部件的磨损等参数,调查了生物柴油对柴油机润滑油品质及润滑系统零部件的影响。指出发动机燃用脂肪酸甲酯（FAME）或FAME混合柴油时,会对发动机润滑油及润滑系统零部件产生较大的影响。’     

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。     

未来柴油多样化的挑战和解决方法

排放控制、二氧化碳值、舒适性、驾驶性、可靠性和成本是未来所有动力装置开发的主要框架。为了在保持燃油耗优势、良好运行性能和可接受成本的同时,满足未来的欧洲排放法规和现行的美国排放法规,在这个框架内,无论是轿车,还是商用车的柴油动力装置都面临一些挑战。其中之一是不同国家柴油品质的差异,包括不同的十六烷值、挥发性、含硫量和分子成分。此外,由于经济和环境的原因,越来越多具有不同燃油品质和特性的代用燃油将被推向市场。目前,大多数柴油机采用的喷油系统控制算法是开环控制。采用这种控制方法时,燃油品质的变化会增加校准的难度和校准持续时间,同时还会降低燃烧强度和排放。控制不同燃油燃烧的一种可能解决方案是采用闭环燃烧控制。一旦这种设想被发动机试验证实,针对不同品质燃油的校准会变得更快、更容易。另外,车辆使用期间的在线校准修正还可以避免发动机故障,并确保适宜的驾驶性能和排放性能。介绍一种补偿燃油品质变化的创新方法。依据2种市售燃油（EN590欧洲柴油和低十六烷值美国柴油）的品质,通过燃烧分析研究了燃油对燃烧特性和排放的影响。基于这些数据和结果,介绍了一种能补偿燃油品质变化的创新闭环燃烧控制策略。     

英国铁路高速列车试用生物柴油

作为评估生物柴油混合燃料应用于高速铁路试验的一部分，欧洲的首列燃用生物柴油混合燃料的列车按预定计划最近在英国开始投人旅客运输。据英国Virgin公司声称，它的Virgin Voyager旅客列车是欧洲首列采用一种可实际使用的混合燃料的列车（图1），据说，这种燃料能显著减少二氧化碳（CO2）排放量。Virgin Trains公司的试验是英国国家生物柴油计划中的一个步骤，该计划由Virgin列车公司、列车运营公司协会（ATOC）和铁路安全与标准委员会（RSSB）共同实施，目的是率先为铁路运输行业开发一种具有突破意义的代用燃料。     

代用燃料柴油机的润滑问题

生物柴油或植物油燃料等生物燃料的使用给发动机润滑带来机油更换期缩短等问题。Fuchs欧洲润滑油公司介绍了它们之间的关系并提出了可能采取的措施。     

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。     

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…     

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.     

发动机燃烧火焰的可视化技术

为了降低发动机的燃油耗,实现高效燃烧,使用高速彩色摄影机等光学摄影装置,使观察发动机缸内的燃烧火焰成为可能。介绍了气缸内爆震的观察方法、气体燃料发动机机内着火及火焰传播过程的详细观察技术,以及运用小孔观测器观察柴油机柴油喷束产生的着火燃烧图像。运用上述观察技术将有助于掌握燃油雾化及喷雾燃烧机理,探索抑制爆震、降低氮氧化物和颗粒排放,以及实现高效燃烧的途径。     

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。     

活塞环摩擦学特性在下一代弹性燃料发动机上面临的挑战

目前,随着可再生生物燃料的使用,考虑到从种植、燃料生产到汽车使用的整个生命周期,乙醇在弹性燃料汽车上的应用被认为是低二氧化碳排放的代用方案。在巴西,80％以上的量产汽车都使用弹性燃料。由于乙醇热值较低,为了获得相同的发动机功率,与汽油相比,乙醇的燃烧标定更为激进。这种燃用乙醇时不断增加发动机比功率的需求所产生的机械热负荷对活塞环摩擦学特性是一种挑战。乙醇的使用也带来一些特定的未被明确的摩擦学差异,如燃料稀释润滑油（尤其是在冷起动时）,以及具有腐蚀性的工作环境等。在特定的驾驶条件下,曾观察到氮化钢的第1道活塞环表面剥落等早期失效情况。当采用乙醇运行时,弹性燃料发动机呈现更高的最高燃烧压力,并且该峰值出现在曲轴转角上止点附近。这种状况增加了活塞环的磨损、擦伤的风险及摩擦学上的困难,这些都可能导致氮化层的裂纹及剥落。从摩擦学角度探讨弹性燃料发动机的第1道活塞环性能。讨论了弹性燃料发动机使用乙醇后对第1道活塞环的磨损、擦伤、氮化层剥落及摩擦等特性的影响。用发动机试验来评定耐磨损性和耐剥落性。有关擦伤,进行了环块法摩擦磨损试验,并给出了活塞环的涂层分级。还讨论了第1道活塞环的摩擦特性及对燃油耗的影响。给出了发动机浮动气缸套的试验结果。最后,讨论了克服这些挑战的活塞环技术方案。其中,有改进氮化处理以增加韧性的钢制活塞环,以及应用一种物理汽相沉积涂层,以提高耐磨损性和摩擦特性。介绍了一些摩擦试验台和发动机试验,以支持所讨论的技术方案。发动机试验基于严酷程序,目的是证明或预测弹性燃料发动机燃用乙醇时对性能的影响。     

欧洲首列生物柴油混合燃料列车在英国投入运营

欧洲首列生物柴油混合燃料列车最近在英国开始载客运营,有关部门对高速列车使用的燃油进行评估。根据英国Virgin公司的数据,生物柴油动力列车的CO2排放量明显减少。Virgin列车试验是英国全国生物柴油推广计划的一部分。英国列车运营公司协会（ATOC）和铁路安全标准局认为这是铁路产业的一项突破。     

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。     

若干关键变量对柴油颗粒过滤器系统再生策略开发和优化的影响

为了满足美国环境保护署2007／2010年排放法规要求,在颗粒排放控制技术方面,柴油颗粒过滤器（DPF）的再生面临着重大挑战。由于设计DPF、开发再生策略和控制再生过程的复杂性,DPF的再生涉及到多方面的问题。探讨了采用有源再生系统的必要性,论述了再生的主要制约因素及再生策略、化学动力学、排气温度与再生效率之间的折衷关系。众所周知,DPF系统的无源再生十分依赖于发动机排出的氮氧化物／颗粒比,以及整个负荷循环的排气温度。采用向DPF系统喷射辅助燃料来实现催化氧化的方法能成功地提高排气温度,因而有利于DPF的再生。然而,视颗粒氧化的机理而定,这种有源再生方法引起的排气温度升高对再生效率各有利弊。利用发动机试验和反应器台架试验的结果评价了这种再生方法的效果。所得的信息有助于根据发动机的排放特性、负荷循环和DPF的型式,针对不同的使用对象,开发出最佳的再生策略。