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。     

降低和预测柴油机NOx排放的方法

主要介绍体低燃烧室内ＮＯｘ生产成量的方法。通过对影响燃烧的几个最主要的因素的优化组合，获得了在不使燃油消耗率和烟度恶化的条件下降低约５０％ＮＯｘ排放量的良好结果。还介绍了根据运转地点的大气温度和相对湿度的测定值，以及燃油比重、气缸进气温度和Ｎｏｘ排放测定值来预测不同气温、不同相对湿度条件下柴油机ＮＯｘ排放值的方法。     

对机车柴油机采用富氧进气燃烧的研究

采用热动力模拟就富氧进气对机车柴油机性能和氮氧化物 (NO)排放的影响进行了研究 ,并就提供富氧进气所需空气分离膜片的附加功率进行了评定。在限定了气缸峰值压力的情况下 ,对在不同富氧水平下工作的发动机与采用高涡轮增压的发动机就所获总输出功率和净输出功率方面进行了比较。当使用的进气氧含量为 2 8% (按体积计 )且喷油定时推迟 4°时 ,气缸峰值压力每提高 4 % ,发动机净功率可提高约 10 %。如果对发动机进行高涡轮增压而使进气压力进一步增高 ,提高同样大小的气缸峰值压力 ,所增加的发动机净功率却只达到 4 %。如果能将一部分因富氧产生的相当高的废气焓加以回收利用 ,就可以满足空气分离膜片的功率要求 ,使净功率得到显著提高。伴随产生的高燃烧温度 ,还使富氧燃烧减少了颗粒和可见烟的排放 ,但却增加了氮氧化物的排放 (是氧含量为 2 6 %时的 3倍 )。所以 ,若想在提高机车柴油机性能的同时充分发挥富氧的潜力 ,就需要进行废气后处理和热量回收。     

《国外内燃机车》2004年总目次

ТЭП 70А型客运内燃机车А .В .Подопросветов等 (俄 ) 11Alstom/GM联手研制瞄准欧洲市场的大功率货运内燃机车 14内燃机车和内燃动车辅助驱动装置的高速弹性联轴节А .М .Хотеева (俄 ) 15通过进气增氧燃烧降低机车柴油机NOx和颗粒排放R .B .Poola (     

柴油机的油耗和磨耗优化

通过优化燃烧和各缸功率平衡,可有效降低燃油消耗和发动机磨耗。通过采用由发动机电子指示器读取的气缸压力曲线,优化机械调速发动机的燃烧,可以节省大量设备投资和试验时间。所有调整均遵循发动机技术文件中NOx排放限制的有关要求。     

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％。     

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。     

为达到欧3排放标准采用Taguchi技术优化重型柴油机的喷油参数

为了追求高功率密度、提高燃油经济性和达到排放标准,柴油机的性能在过去几十年中得到持续提高。燃烧技术、先进的电控喷油以及精确的发动机和喷油参数的开发帮助柴油机实现了环保方面的调整,同时降低了NOx和颗粒（PM）排放。了解发动机和喷油参数,以及它们对排放的影响对于生产更清洁的柴油机极其重要。研究的目的是优化一台重型直喷式柴油机的喷油参数,以尽可能降低法规限制的排放物,从而达到欧3排放标准。为了缩短开发周期,采用了仔细编制的试验设计和Taguchi技术。利用平均值分析、信一噪比分析和方差分析从L9正交排列的试验结果中筛选出最佳的参数。通过分析,保证这些参数能使各排放组分以确定的工程裕度达到欧3排放标准。对诸如凸轮转速、喷嘴流量、喷嘴头部在燃烧室中的凸出量和喷孔数等喷油参数的影响进行了试验研究。其中,凸轮转速会影响喷油速率,喷孔数会影响喷油压力和油束雾化,因而对降低NOx和PM排放起着直接作用。另外,喷嘴头部凸出量会影响到对油柬撞击燃烧室壁的位置,并对PM和HC排放产生中等的影响。就满足欧3排放标准而言,在已确定的试验工况范围内,喷嘴流量对柴油机排放的影响几乎可忽略不计。NOx、CO、HC和PM排放总体上能分别以11．5％、61．5％、76．5％和23％的裕度满足欧3排放标准的限值。此外,与原发动机性能相比,功率和扭矩提高了约30％,全负荷的燃油消耗率降低了10．6％,而且车辆的驾驶性和燃油经济性也得到了改善。     

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％。     

MAN公司为减少NOx排放试验废气再循环技术

多年以来，废气再循环（EGR）系统一直是为卡车和公共汽车提供发动机的高速柴油机制造商广为采用的技术。这种NOx减排技术所依据的前提是：通过改变氧／氮比来影响氧和氮反应物的分压。通过使废气返回到进气系统，这种氧／氮比值就会改变。15％的废气再循环会使进气空气的氧浓度约由21％减小到18％，从而使NOx的形成量显著减少。     

在一台EMD 16-645E型机车柴油机上对各种动力组的机油消耗率排序

在一台 15 0 0kW的EMD 16 6 45E型调车机车柴油机上进行了实时机油消耗 (RTOC 111)测量 ,以评价各种商用动力组 (气缸盖、活塞、气缸套和活塞环 )在降低机油消耗和因而减少排气中的颗粒物质排放量方面的潜力。传统的容积式机油消耗测量技术不适用于测量单个动力组的机油消耗。通过使用超低硫含量 (15ppm)的柴油和以矿物质为基本成分的商用机油 ,RTOC 111技术将排气中的二氧化硫作为机油消耗的示踪物质。可利用机油中的硫含量和排气中的瞬时SO2 浓度以及空气与燃油流量对实时机油消耗率逐秒进行计算。在该项研究中 ,对 7种商用动力组的机油消耗率进行了排序 ,试验条件为北美货运机车典型的稳定运行状态。从最高到最低 ,机油消耗率约相差 4 0 %。选出了机油消耗率最低的商用动力组以用于下一步评估柴油机应用排气颗粒过滤器的可行性的发动机试验。     

喷孔几何形状对降低柴油机排放的影响

在一台采用高压共轨喷射系统的多缸柴油机上对3种喷嘴形状各异的喷油器进行了试验。试验采用多种喷射压力,并结合使用废气再循环技术,以获得低的NOx和碳烟排放。研究中采用的喷油器包括6孔喷嘴的、10孔喷嘴的和K系数为3的6孔收敛形喷嘴的。所有3种喷油器具有相同的流量值。所试的所有3种喷油器在各自适当的条件下均有NOx和碳烟减排效果。研究发现,低温燃烧可通过采用高的废气再循环率与晚喷相结合来实现。在传统的喷油定时下,高喷射压力明显减少了碳烟的排放。在推迟的喷射定时（即上止点后5°曲轴转角）下,喷射压力的影响不明显。研究发现,在相同的喷射条件下,与直孔喷嘴相比,收敛形喷嘴会产生更高的碳烟排放量。收敛形喷嘴对NOx排放和燃油消耗率的影响不明显。10孔喷油器中的小喷孔喷嘴可产生较小的燃油滴从而导致更好的雾化。10孔喷油器在宽广的运行条件下似乎具有更好的空气利用率从而有显著的NOx和碳烟减排作用。     

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。     

用喷水法控制柴油机NOx排放量

简要介绍了日本三菱柴油机公司为降低柴油机排气中的ＮＯｘ排放量而开展的在燃烧室中喷水的试验研究。试验结果表明，采用喷水方法，可显著地减少ＮＯｘ排放量，且对燃油消耗率无明显影响。     

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。     

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。     

利用二级增压降低Wartsila四冲程中速柴油机排放

NOx和CO2的减排要求是促进未来内燃机发展的主要因素。NOx排放可通过使用Miller循环冷却燃烧过程来有效地降低。但是高度Miller循环（进气门提前关闭）需要高增压压力。对此,有效的措施之一就是采用二级增压系统,可使增压压力达到10bar。采用二级增压还可提高发动机效率以及降低CO2排放。发动机效率的提高是采用高效二级增压系统以及通过Miller循环使发动机压缩和膨胀冲程之间实现更佳的比例划分的结果。因此,Miller循环与二级增压系统相结合能使NOx和CO2排放都得到有效降低。为查明进气门关闭（IVC）提前与二级增压系统相结合所蕴含的潜力,采用一维模拟软件进行了研究。为寻求各种负荷下的最佳IVC,还利用可变的IVC系统进行了研究。在Wartsila 20型柴油机上进行了二级增压系统样机、极端提前的Miller定时以及短的扫气期的试验。将这些试验结果与模拟结果以及与前期试验（一级增压,压比最高达6．2bar,中度Miller定时）的结果进行了对比。本文还介绍了样机的结构以及目前的发动机为适应增压度的提高以及为增设辅助设施而需要作出的修改。模拟结果以及作出的假定通过试验得到验证。以下几点是在Wartsila 20型机上通过二级增压技术结合IVC提前技术所得到的结果：①极端提前的Miller定时使NOx排放减少达50％;②燃油消耗率的改进潜力得到证实;③由于高空／燃比使高负荷区热负荷得到改善,但由于进气流量受到限制,使部分负荷性能较差;④负荷承受能力及烟排放性能变差。但可采取可变的进气门关闭（VIC）系统加以解决。     

以同时降低燃油耗和排放为目的的两级增压系统研究

为降低重型柴油机的实际燃油耗和排放,对采用不同低压涡轮流量和进气控制策略的2种两级增压系统进行对比研究。结果表明,所选择的增压系统可在发动机宽广转速及负荷范围内获得更高的增压压力,如再结合较高的压缩比,就能在改善车辆实际行驶工况排放性能的同时,降低燃油消耗率。     

进气参数对涡轮增压柴油机性能及排放的影响

涡轮增压柴油机的燃烧和排放性能在很大程度上受进气管增压空气参数(诸如进气总管空气压力和温度)的影响。为更深入地了解两种进气变量之间的关系及其对增压柴油机缸内燃烧和输出性能(包括燃油效率和排放)的影响,进行了分析和试验研究,本文概述其研究结果。了解和描述了进气总管状态对缸内燃烧性能参数的影响。研究指出,进气总管空气压力和温度是紧密相关的,与部分负荷工况或自然吸气柴油机相比,增压柴油机高负荷工况下两者有更强的依赖关系增压柴油机全负荷下进气总管空气温度改变时,总管空气压力亦随之变化,并且因此增压空气密度、柴油机效率和CO以及排烟都将发生变化,而NOx的变化相对来说更为明显。只改变进气总管空气压力,则性能和排放在部分负荷下的变化情况不同于全负荷。在进气总管温度保持不变的情况下,得出了进气总管空气压力随柴油机进口空气温度(即环境温度)的简单的变化关系式。还通过试验对进气总管空气变量对柴油机燃烧及其性能和排放的总的影响进行了研究。分析得出的预测值与试验值非常吻合。     

综合利用多种方式降低直喷式中速柴油机NOx排放量

对一台配有米勒（Ｍｉｌｌｅｒ）系统、新开发的高压废气再循环系统（ＨＰＥＧＲ）、共轨燃油喷射系统（ＣＲ）及具有可变涡轮几何形状（ＶＴＧ）的增压器的中等尺寸中速直喷式柴油机的排放和性能参数进行了测定，并与标准发动机进行了对比。在功率、燃油消耗、烟度及其它排放指标保持不变的情况下，氮氧化物排放量可降低３０％～５０％。若允许燃油消耗增大１％～３％以及允许烟度略有提高的话，则根据负荷的不同，氮氧化物排放量电