喷射压力对电热塞引燃甲醇发动机的影响研究

基于电热塞引燃式直喷甲醇发动机,采用三维数值模拟方法研究了喷射压力对甲醇雾化、空燃混合、燃烧、排放的影响。研究表明:提高喷射压力使可燃混合气的均匀程度提高,而缸内平均温度和压力降低。火核形成于电热塞端部,火焰传播呈现出与柴油机和汽油机不同的规律。在高喷射压力下,处于靠近电热塞一端的燃烧室凹坑中的可燃混合气首先燃尽,而后火焰向外部传播。在排放物方面,喷射压力越大,膨胀行程中甲醛的含量越高,但排气中甲醛残余量越低,膨胀段甲醛与排气过程产生的甲醛相比可忽略不计。增大喷射压力有利于增加发动机的膨胀功,提高动力性,但喷射压力过高导致早燃,反而有损动力输出。     

点火时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响

针对甲醇发动机低温冷起动困难,在1台由1130单缸柴油机改造而成的直喷火花点火甲醇发动机上,利用CFD模拟软件AVL-Fire耦合甲醇氧化反应机理,通过电热塞将进气温度加热到283K,研究了点火时刻对甲醇发动机低温(266K)冷起动燃烧及非法规排放的影响。结果表明:提前点火时刻能够使缸内混合气得到较充分燃烧,减少未燃甲醇排放,当点火时刻由8°BTDC提前到11°BTDC时未燃甲醇排放显著减少;提前点火时刻能够降低甲醛排放,当点火时刻提前到17°BTDC、缸内最高燃烧温度超过1 300K时,甲醛快速氧化,甲醛排放显著减少。     

高压缩比甲醇发动机非常规排放影响分析

采用一维GT-Power和三维CFD仿真软件耦合甲醇氧化详细化学动力学机理，以某传统柴油机参数为基础，搭建了火花点火式甲醇发动机的一、三维物理模型，研究了该甲醇发动机的非常规排放。研究表明：随着负荷的增大，未燃甲醇与甲醛的排放呈现先减少后增多的趋势；小负荷时，增加点火提前角更能有效降低未燃甲醇及甲醛排放；随着转速增加，未燃甲醇排放有增加的趋势，而甲醛排放呈现先增加后减少的趋势；增大EGR率更能明显地降低未燃甲醇及甲醛的排放；压缩比增大可以降低未燃甲醇及甲醛排放，且其增加到17.5之后，排放量几乎接近于0;当压缩比较小时，当量比的增大能有效减少未燃甲醇及甲醛排放；未燃甲醇与甲醛主要分布在缸壁、缸盖底面与活塞顶面的一些缝隙区域。     

喷射时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响

针对甲醇发动机低温冷起动困难,在一台由1130单缸柴油机改造的直喷火花点火甲醇发动机上,利用商用CFD模拟软件AVL-Fire耦合甲醇氧化反应机理,通过电热塞将进气温度加热到283 K,研究了喷射时刻对甲醇发动机低温(266 K)冷起动燃烧及非法规排放的影响。结果表明:推迟喷射时刻能够改善缸内燃烧,使得缸内混合气能够得到较为充分燃烧,减小未燃甲醇排放,当喷射时刻由53°BTDC推迟到49°BTDC时,未燃甲醇排放显著减少;喷射时刻由57°BTDC推迟到49°BTDC时,甲醛排放增大,但当喷射时刻继续推迟到45°BTDC时,缸内最高燃烧温度超过1 200 K,使得甲醛快速氧化,甲醛排放显著减少。     

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。     

燃空当量比对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响北大核心

基于一款经柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机,使用三维流体动力学模拟软件AVL-Fire耦合甲醇氧化反应机理,研究了不同燃空当量比对缸内混合气浓度分布、燃烧特性及未燃甲醇和甲醛排放的影响。结果表明:当燃空当量比增加时,缸内最高燃烧温度、最高燃烧压力及放热率峰值均显著升高,甲醛和未燃甲醇排放均得到改善;当燃空当量比从0.33增加到0.67时,最高燃烧压力、燃烧温度和放热率峰值分别增加65%,72%及51%;燃空比超过0.4时,未燃甲醇及甲醛排放急剧减小,且主要集中在气缸壁附近。     

低比例甲醇汽油发动机排放建模与预测

在1台进气道多点电喷EQ491i汽油机上,采用AVL傅里叶变换红外光谱多组分分析仪SESAM-FTIR测量了燃用低比例甲醇汽油的排放成分。使用发动机循环模拟软件Boost耦合化学动力学软件Chemkin,建立了甲醇汽油发动机循环计算模型并用试验结果进行标定,模拟了甲醇汽油发动机中的常规排放NOx和非常规排放甲醛的生成情况。模拟结果表明,在相同工况条件下,随着甲醇比例的增大,甲醛排放基本呈线性增长。发动机负荷对甲醛排放影响不大,NOx排放主要受空燃比和燃烧温度影响。     

柴油微引燃乙醇发动机燃烧、性能及排放特性研究

柴油微引燃乙醇发动机采用进气道喷射乙醇、缸内直喷微量柴油引燃的方式进行燃料供给。基于单缸四冲程柴油机,对其燃烧、性能及排放特性进行研究,固定引燃柴油喷射量为发动机能实现压燃着火的最小值,在进气压力为0.15 MPa时比较不同乙醇喷射量的工况组,通过改变柴油喷射时刻进行工况扫描。结果表明,引燃柴油的喷射时刻对发动机的燃烧、性能和排放影响显著。柴油微引燃乙醇发动机在中高负荷能够稳定运行,指示热效率可达34%以上,通过适当调节柴油喷射时刻,可以有效控制未燃碳氢(UHC)、NO_x与CO排放,同时可以实现极低的炭烟排放。柴油微引燃乙醇发动机燃烧模式为预混合或部分预混合燃烧,燃烧有两阶段放热特征,改变引燃柴油喷射时刻,可以有效控制燃烧相位。     

醇醚燃料发动机非常规污染物排放特性研究

在1台经过改装的单缸柴油机上,采用气相色谱和FT-IR红外光谱检测技术,开展了进气道喷射DME和甲醇双燃料HCCI燃烧方式,以及进气道喷射DME、缸内直喷甲醇双燃料复合燃烧方式下,非常规污染物排放特性的试验研究。结果表明,在不同的燃烧方式下均检测到甲醛、乙醛、甲酸、甲酸甲酯等非常规排放物,且甲醛是非常规排放物中的主要成分。DME—甲醇HCCI燃烧方式下,在同一负荷下随着甲醇喷射量的增加,甲醛、乙醛、甲酸甲酯的排放都有所增加;在同一甲醇浓度下随着发动机负荷的增加,甲醛的排放增加,乙醛的排放减少,甲酸甲酯的排放先减少后增加。复合式燃烧方式下,甲醛的排放随着有效功率的增大呈先降低后升高的趋势;甲酸甲酯和甲酸的排放均随着有效功率的增加而减少,随着DME喷射比例的增加而增加。DME—甲醇HCCI燃烧方式下,甲醇排放量增加十分明显。     

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。     

引燃量与压缩比对甲醇/F-T柴油发动机燃烧特性的影响

为改善双燃料发动机大负荷粗暴燃烧,通过一系列台架试验,研究了费托(Fischer-Tropsch,F-T)柴油比例和发动机压缩比对此燃烧模式的燃烧特性的影响。试验中,采用煤基甲醇和F-T合成油柴油形成的全煤基双燃料发动机,采用高十六烷值的F-T柴油引燃甲醇预混合气。结果表明:与原机相比,双燃料发动机的燃烧更柔和,燃烧持续期明显缩短,经济性随F-T柴油比例增大和压缩比的减小而变差;随F-T柴油比例增加,燃烧粗暴程度增大,但在低F-T柴油比例下,降低压缩比有利于降低燃烧粗暴程度。因此,采用低比例F-T柴油适当减小压缩比有利于改善甲醇/F-T柴油双燃料发动机的燃烧和经济性能。     

甲醇发动机与汽油发动机瞬态排放特性的对比研究

将一台电控多点喷射式汽油发动机改造为燃用甲醇燃料的甲醇发动机,并对甲醇发动机与原汽油发动机的瞬态排放特性进行了对比研究,分别检测了三效催化转化器后的常规污染物(CO、THC、NOx)和非常规污染物(甲醛、乙醛、甲醇、乙醇、氨)的排放。结果表明,甲醇发动机3种常规污染物的排放都明显低于汽油发动机,但非常规污染物甲醛和乙醛的排放高于汽油发动机;装用三效催化转化器使二者的氨排放都增高,前者增高的幅度更大。     

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。     

甲醇-汽油复合喷射发动机燃烧排放性能研究

为了研究不同比例甲醇和汽油混合燃料对发动机燃烧排放性能的影响,对1台1.4 L缸内直喷发动机加装了进气道喷射系统,改造为甲醇进气道喷射(MPI)+汽油缸内直喷(GDI)发动机,运用CFD技术建立该发动机模型,对不同甲醇热值替代比下的缸内混合气形成、燃烧和排放特性进行了研究。研究结果表明:在混合气形成方面,随着甲醇替代比的提高,缸内温度逐渐下降(但在点火时刻缸内温度下降趋势减缓),未蒸发燃料质量迅速增加。在缸内燃烧方面,提高甲醇替代比能够有效地加速缸内燃烧过程,提高缸内峰值缸压和峰值放热率,缩短滞燃期和燃烧持续期,使燃烧重心提前,但较高甲醇替代比下加速燃烧过程趋势减缓。在排放物生成方面,随着甲醇替代比的提高,NO_x排放逐渐增加,CO总排放量降低,但峰值CO量却呈现先增后减趋势,THC排放逐渐增加,其中大部分为未燃甲醇。     

柴油掺烧甲醇预混合燃烧和排放特性

在一台六缸柴油机上搭建了进气喷射甲醇掺烧系统,对不同替代率下的柴油掺烧甲醇工况燃烧和排放特性进行了试验研究。试验结果表明:掺烧甲醇改变了发动机的燃烧特性。随甲醇替代率的上升,预混合燃烧比例逐渐增大,扩散燃烧比例则减小。掺烧甲醇后,缩短了整体工况的燃烧持续期,使放热更加集中,改善了燃烧等容度。掺烧甲醇还会从散热系统回收一部分热量,共同作用下使热效率得到大幅提高。但大比例掺烧甲醇也会对NOx及CO排放带来恶化,并生成甲醇与甲醛等非常规排放物。同时掺烧甲醇还会延长滞燃期,因此需要调整柴油的主喷正时以保证发动机运转稳定。     

甲醇—柴油混合燃料在共轨发动机上的燃烧和排放特性研究

在1台电控高压共轨增压发动机上,不改变原机结构,采用甲醇—柴油混合燃烧的方式,进行燃烧排放特性分析。结果表明:在相同转速下,发动机的当量燃油消耗率随负荷的增加而降低;随着甲醇含量增加,发动机的最高燃烧压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度都逐渐升高;中低负荷时,发动机的CO和HC排放随着负荷的升高而减小,燃用混合燃料时较燃用柴油略有升高,且甲醇含量越高升高越多;燃用混合燃料时发动机的NO_x和炭烟排放较燃用柴油时有所降低,且随着负荷的升高而增大。     

压缩比和EGR率对预混压燃柴油机燃烧和排放的影响

利用CONVERGE软件研究不同压缩比和EGR率对预混压燃(PCCI)柴油机燃烧和排放的影响规律。在1 650 r/min转速50%负荷下,采用小喷油锥角和4次多脉冲预喷射喷油策略实现PCCI燃烧。结果表明,降低压缩比能够显著推迟缸内着火时刻,强化油气混合,同时降低NOx和干碳烟的排放,但油耗会提高;随着EGR率的增大,缸内着火延迟时间越长,燃烧爆发压力、缸内平均温度、瞬时放热率峰值和缸内压力升高率则相应降低,同时NOx排放下降,干碳烟排放升高,油耗升高。     

掺氢比对氢-甲醇发动机稀薄燃烧及排放影响

为探究掺氢比对氢-甲醇发动机稀薄燃烧性能的影响，在一台1.8 L涡轮增压缸内直喷汽油机 （GDI） 改装的氢-甲醇发动机上，开展了不同燃空当量比和不同掺氢比条件下的甲醇发动机掺氢燃烧和排放试验研究。结果表明，在稀燃条件下，增大掺氢比能提高发动机缸内最高燃烧压力及放热率峰值，且燃烧相位提前，燃烧持续期缩短。在稀燃情况下适当掺氢有助于改善循环变动，混合气越稀改善效果越好，但随燃空比和掺氢量增大时，循环变动却有恶化的趋势。当燃空当量比大于 0.71 时，增大掺氢比能改善 HC 排放；当燃空当量比大于 0.83 时，掺氢能改善 NOx排放，但 CO 排放恶化；当燃空当量比小于0.83时，增大掺氢比导致NOx排放恶化但CO排放降低。     

高效混动专用发动机技术研究

针对高效混动专用发动机开发过程中发动机热效率未达到设计目标的问题，使用试验数据校正了热力学模型，应用模型对问题原因进行了量化评估，提出了提高热效率的优化方案。结果表明：样机燃烧速率慢、抗爆震性能差、压缩比低是热效率未达标的原因；优化方案包括：优化燃烧系统、提高压缩比到12、增加进排气升程的高度；优化方案的部分负荷平均燃油消耗率平均降幅为4.4%,最低燃油消耗率为209 g/(kW·h),对应热效率为40.5%,满足设计目标。米勒循环+冷却EGR技术需要匹配快速燃烧系统使用。     

MPI+GDI发动机稀薄燃烧性能研究

为了研究甲醇替代比和过量空气系数对复合喷射发动机稀薄燃烧及排放特性的影响,本研究基于1台自行改造的包含甲醇进气道喷射和汽油缸内喷射(M PI+GDI)的光学复合喷射系统发动机,建立三维仿真模型,进行缸压试验验证,研究稀薄燃烧条件下不同过量空气系数和甲醇替代比下缸内燃烧和排放特性.研究结果表明:随着过量空气系数的增大,火焰传播变慢,放热率峰值出现也晚,后燃现象增强,缸内压力峰值降低且相位推迟,指示热效率呈上升趋势;CO和NO x排放下降,未燃碳氢化合物(THC)排放先降后升,过量空气系数为1.4时最低,原因是适当增加过量空气系数可使燃烧更充分,但是过量空气系数过大导致燃烧不稳定.随着甲醇替代比增加,缸内压力峰值不断增加且相位提前,高甲醇比例的燃料燃烧速度快,燃烧重心前移,排气温度降低,NO x排放增加,T HC排放先降后升,CO排放降低.研究结果为甲醇汽油复合喷射发动机的参数优化设计提供了理论依据.