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。     

降低直接喷射汽油机未燃排放物的研究

通过一种独特的混合气形成方法,使直接喷射火花点火汽油机在低负荷分层燃烧时的效率得到改善。使用扇形燃油喷雾,使混合气中的燃油分配更均匀。并通过一个局部隔热的活塞和高温废气再循环（EGR）进一步降低了未燃排放物。为了达到局部隔热的目的,使用钛合金隔热板,从而使该区域因喷雾撞击提高了表面温度,并消除了湿壁现象。即使在利用高EGR率降低NOx排放的情况下,高温EGR也阻止了火焰传播的衰减。     

氢发动机的最新研究动态

最近的研究成果已证明了氢燃料用于发展清洁高性能发动机的潜力。在节气门全开时展示了不同设计及运行参数条件下火花点燃氢发动机的功率和热效率。特别是在喷射和点火方式经优化的直接喷射方式下可以相比柴油机获得更高的发动机输出功率和热效率。     

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。     

重型柴油机部分预混合燃烧的燃烧特性研究

部分顸混合燃烧（PPC）在燃烧可控性高和排放特性方面接近于均质充量压燃发动机。为了实现PPC,滞燃期必须足够长,以使燃油在燃烧前与空气充分混合。喷油需足够早,同时采用高废气再循环（EGR）率,以获得较长的滞燃期。为了明确PPC的原理,创建了燃烧特性随喷油定时、EGR率变化的脉谱图。在一台6缸重型柴油机上进行燃烧特性的研究,喷油始点由早到晚变化,EGR率的范围也很大。在参数扫描期间监控发动机的排放情况,在低排放、高效率的最佳区域内,研究了喷油压力和发动机转速对燃烧的影响,以获得对燃烧更全面的了解。     

直接喷射汽油机的废气再循环阀

自20世纪90年代中期柴油机采用直接喷射以来,外部废气再循环（EGR）就被用于降低压燃式内燃机的氮氧化物（NOx）排放。与柴油机类似,充量分层直接喷射汽油机也会产生较高的NOx原始排放。已经证实,与柴油机一样,这种直接喷射汽油机采用电动EGR阀的外部EGR是降低NOx原始排放的有效措施。德国Gustav Wahler公司开发并生产轿车及商用车柴油机和汽油机用的EGR阀部件,而瑞士Sonceboz汽车集团为电动EGR阀开发并生产电磁驱动装置和机电一体化系统。     

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。     

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。     

Caterpillar公司推出超低排放发动机

目前的美国环保局固定式火花点火发动机新源性能标准（以下简称NSPS）排放标准规定NOx排放量为2g/英制马力-小时。     

低温废气再循环及低压缩比对降低欧6柴油机氮氧化物排放的影响

采用低温废气再循环（EGR）和低压缩比降低氮氧化物（NOx）排放,开发大型多功能运动车用欧6柴油机。低温EGR是通过低温EGR冷却液来降低再循环废气的温度,因而能在颗粒排放相同的情况下降低NOx排放。由于燃烧温度低,低压缩比可降低NOx排放。这两种方法在实际应用中部适用于常规柴油机。另一方面,EGR冷却液温度和压缩比过低可能会导致一些问题,如EGR积炭和冷起动能力不足等。因此,必须具备避免产生这些异常现象的NOx排放降低策略。结果表明,低温EGR在EGR流量较低的低负荷条件下可显著降低NOx排放,在新欧洲行驶循环的14个32．况点,可降低NOx排放约4％。考虑到冷起动的持续时间、怠速变动系数和生产偏差,将压缩比确定为15．2。在调整EGR率和主喷油定时以保持相同的颗粒排放后,将压缩比调至15．2可降低NOx排放约5％。     

Deutz公司采用螺旋滑动珩磨技术降低柴油机的磨损和机油耗

Deutz发动机公司进一步开发2012型4L和6L柴油机,在满足美国第3阶段排放标准要求的同时,提出了在2100r／min时最大功率达到178kW,以及采用冷却的废气再循环（EGR）达到更高EGR率的新任务。在不改变结构设计的情况下,这些边界条件将会导致气缸组件较严重的磨损。Nagel公司与Deutz公司共同合作,在现有基础上为气缸组件提出了一种解决方案,不仅能解决气缸组件的磨损问题,而且还有望获得降低机油耗并延长维修周期的经济效果。     

“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。     

燃料的混合特性对天然气发动机性能的影响

评价了各种供油条件下单缸火花点燃式发动机燃用天然气时的性能和燃烧特性。在同一台发动机上,采用激光诱导荧光法测定进气行程缸内燃油的分布,并分析了燃气状态。通过调整喷嘴在进气道的位置,控制混合气形成及其对发动机性能、尤其是热效率和氮氧化物排放的影响。     

通过强力增压空气冷却实现低温燃烧

为使排气后处理系统设计得尽可能小，必须通过发动机内部措施来降低排放。研究了通过降低增压空气温度使发动机原始排放降低的可能性。在选定的全负荷和部分负荷工作点，通过把气门处的新鲜气体温度从50℃降到O℃，研究其对工作过程和有害物排放的影响。全负荷运转时，在通过增压压力修正使燃烧比恒定和不采用废气再循环（EGR）的状态下，且在温度下降的情况下，得出NOx排放下降40％。此时，黑烟只是略微有些变化，从0．2FSN提高至0．25FSN。不过，这种情况下，即使采用EGR也不会使排放进一步下降。在恒定的增压压力时，温度下降同样能促使NOx排放降低。值得一提的是，在这种状况下会使EGR率上升。将2种措施相结合，视工作点的不同可使NOx排放量从11g／（kW．h）下降至3g／（kW．h），     

用于废气再循环汽油机的双线圈点火系统

摘要：未来,高增压汽油机对点火能量的要求不断提高,由于废气再循环（EGR）在汽油机上变得越来越重要,因此,这种趋势变得更为强烈。BorgWarner公司开发了一种新型双线圈点火系统,可明显改善汽油机对EGR的相容性,这是发动机在较高EGR率和动态运行状态下稳定运行的重要前提条件,能够进一步降低燃油耗。     

电热塞辅助点火的直喷式天然气发动机的设计和研制

由于受爆燃的限制和需要在接近理论空燃比的条件下运行，常规（奥托循环）的天然气发动机与柴油机相比，功率和热效率都较低。现正在开发在直接喷嘴的狄塞尔循环中燃烧天然气的技术，这种燃烧方式不易产生爆燃也不易受空燃比控制的限制。采用直接喷射天然气（ＤＩＧ）技术能使天然气发动机达到与同型柴油机相同的功率和热效率水平。现在正在进行的实验的研究目标是对铁路调车机车用的、功率为１５００ｋＷ的ＤＩＧ３５１６型发动机进     

用于发动机开发的气缸内测试技术

描述了用于揭示气缸内过程的光学诊断技术.说明了可在气缸内安装光学通路的可视化发动机特点和激光诊断技术的原理.给出了典型的测试结果,如气体流动、燃油喷射、混合气形成、燃烧及燃烧产物.此外,探讨了光学诊断技术在发动机内部及外部废气再循环研究中的应用.     

天然气制油燃料对直喷式柴油机排放的影响

在1台安装先进排气后处理系统的柴油机上燃用天然气制油（GTL）燃料,进行了降低排放的试验研究。GTL燃料是一种更清洁的柴油机代用燃料,它几乎不含硫和芳香烃,且十六烷值高。采用几种专门制备的GTL燃料样品,研究了GTL燃料蒸馏特性对改进前发动机废气排放的影响。试验结果表明,GTL燃料的馏程对发动机的颗粒（PM）排放有重大影响。高十六烷值还能减少碳氢化合物和一氧化碳的排放,而这些燃料特性对氮氧化物（NOx）排放几乎没有影响。结果表明,低馏程和高十六烷值的GTL燃料有利于解决NOx与PM排放的折衷关系。为了改善柴油机的最终尾气排放,针对最有利的GTL燃料样品,对发动机进行了改进。为了在保持燃油耗不变的同时降低NOx排放,对废气再循环量、喷射定时和催化用排气管喷油进行了校正。车辆排放试验表明,发动机和GTL燃料的优化能进一步降低NOx和PM排放。此外,为便于今后柴油机使用GTL燃料,对发动机的压缩比、喷油嘴等技术规格进行了仔细研究。研究结果表明,低压缩比和大流量喷油嘴有利于进一步降低排放和提高输出功率。     

高速直喷式柴油机在不同废气再循环路线下的瞬态性能

为了满足未来排放法规的要求，各种可供选择的以提高废气再循环（EGR）率的EGR技术路线正受到研究人员的广泛关注，由于稳态排放在不断降低，排放试验运转循环中瞬态部分的排放峰值变得十分重要。因此，需要分析不同EGR技术路线的瞬态性能。对装有冷却式短线EGR和可变截面涡轮增压器的1．9L轿车柴油机采用GT—Power软件进行了1维仿真分析。为了对仿真进行标定，测量了瞬态负荷，包括采用快速二氧化碳分析仪测量瞬态EGR率和气缸压力，以测取放热数据。采集了瞬态燃烧放热率的数据库进行仿真。用瞬态EGR率和进气压力作为选择某一循环正确放热率的判据。     

在废气再循环条件下的柴油机富氧燃烧试验研究

为在尽量不恶化氮氧化物（NOx）排放性能的情况下减少颗粒物（PM）排放量,应用试验设计技术,通过控制喷油定时、进气空气中的二氧化碳（CO2）和氧（O2）体积分量,对一台单缸直喷柴油机富氧燃烧进行了研究。结果表明,在富氧条件下,CO2的添加降低了平均燃烧温度,NOx排放量的增加被控制在最小程度。还观测到,在CO2添加量达最大值时出现的燃油消耗率以及碳氢化合物和PM排放率的恶化趋势通过富氧得到极好的控制。