燃烧室抛光技术对汽油机经济性影响的研究

在一台单缸汽油机上,进行了燃烧室壁面抛光前后燃烧相位、燃烧持续期与平均指示热效率相互影响变化规律的试验研究。结果表明:单缸汽油机以化学计量空燃比、低负荷、低圧缩比运行时,抛光后的燃烧室传热损失减少、经济性改善,平均指示热效率从40.8%上升到了42.2%,而随着负荷的增大、压缩比的提高,抛光后燃烧室传热损失减小带来的爆震效果增强,燃烧相位推迟和燃烧持续期延长,最终导致平均指示热效率下降;当汽油机以稀薄燃烧模式运行时,平均指示热效率上升,最高热效率超过45%;当汽油机进入爆震区域以10.5 bar负荷运行时,抛光后燃烧室传热损失减少增强了爆震效果,导致平均指示热效率相比于抛光前总体下降。

基于进气节流耦合后喷策略的柴油机排气热管理

为研究柴油机颗粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生升温过程中排气热管理策略对柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)入口温度、发动机性能及污染物排放的影响,该研究分别选取低速低负荷、低速中负荷及中速低负荷工况,通过试验研究进气节流和喷油控制参数对DOC入口温度、燃油经济性及排放性能的影响。试验结果表明:通过进气节流、推迟后喷正时和增大后喷油量能够有效提高DOC入口温度,主喷正时和喷油压力对DOC入口温度的影响较小。基于Box-Behnken试验设计与响应曲面法对低速低负荷工况下进气节流耦合后喷策略的排气热管理策略进行多目标优化,以进气量、后喷正时和后喷油量为因子,DOC入口温度、有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)、氮氧化合物(nitrogen oxides,NOx)和烟度排放为优化目标。响应曲面分析结果表明:各因素对DOC入口温度的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时;对BSFC和NOx排放的影响程度从大到小为后喷油量、后喷正时、进气量;对烟度排放的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时。当后喷正时为上止点后30℃A、进气量为87 kg/h、后喷油量为6 mg时,DOC入口温度达到最高,此时BSFC为275.4 g/(kW·h),NOx及烟度排放分别为7.38 g/(kW·h)和1.85 mg/m^(3)。优化后最佳进气量、后喷正时和后喷油量分别为87 kg/h、29℃A和5.4 mg,与优化前相比,DOC入口温度提升43.9℃,BSFC增加31.8 g/(kW·h),NOx和烟度排放分别降低18%和29%。研究结果可为DOC入口温度优化控制提供参考。

DPF和CDPF主动再生排放特性对比分析

基于外加热源再生台架和颗粒物加载装置,探究了不同再生温度和碳载量下柴油机颗粒捕集器(DPF)和催化型DPF(CDPF)主动再生时出口气体和颗粒物排放特性.结果表明:催化剂铂(Pt)的涂敷有利于碳黑(PU)的氧化,在相同碳载量条件下,CDPF更易产生温度波峰,且再生效率略高于DPF;DPF再生过程中伴随着较高体积分数的CO排放,且升温阶段会出现一个低浓度的核模态颗粒排放窗口,后续再生阶段几乎无颗粒物释放;CDPF再生过程中几乎没有CO生成,但在再生阶段会伴随着大量的30 nm以下的小颗粒释放,且随着再生温度和碳载量的升高,CDPF出口颗粒物浓度逐渐升高.DPF和CDPF再生时分别具有不同优化窗口,既有利于减少颗粒物排放同时又保持较高的再生效率.

La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)-Ba/Al_(2)O_(3)催化剂对NO选择性生成NH_(3)的影响

为了实现碳中和目标,降低内燃机碳排放,稀薄燃烧技术成为了当前重要的研究方向.该技术不仅能提高发动机燃油热效率,还能有效降低CO_(2)排放.但是稀薄燃烧往往会伴随着大量氮氧化物的产生,为了解决该问题,采用LNT-SCR耦合的NO_(x)净化技术,此时LNT的作用是将排气中部分NO_(x)转化为NH_(3),为下游的SCR提供还原剂.基于此,制备了LNT催化剂,研究催化剂对NO选择性生成NH_(3)的影响.采用溶胶-凝胶法制备了La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)系列钙钛矿氧化物,并通过分步浸渍法得到了La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)-Ba/Al_(2)O_(3)负载型催化剂.利用XRD、H_(2)-TPR、NO-TPD等表征手段研究了钙钛矿氧化物的晶相结构,以及负载型催化剂的还原特性、NO_(x)吸附-脱附性能等物化性质,并且通过H_(2)选择性催化还原NO实验探究了催化剂掺杂Ce对NO转化成NH_(3)的影响.结果表明,Ce掺杂催化剂具有良好的NH_(3)产物选择性,并且显著提高了NO转化率.温度是NO转化和NH_(3)产物选择性生成的决定性因素,而H_(2)和NO体积比是NO转化和NH_(3)产物选择性生成的关键性因素.其中,La_(0.95)Ce_(0.05)MnO_(3)-Ba/Al_(2)O_(3)在低温下催化活性表现最佳,在350℃、H_(2)和NO体积比为5.0时NH_(3)产物选择性为65%,NO转化率为100%.此外,所制备的La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)都形成了钙钛矿型结构,而且Ce掺杂催化剂的大部分Ce离子可以进入到LaMnO_(3)结构中.在催化剂适量掺杂Ce后,H_(2)消耗总面积增大、还原峰的峰值温度降低,表明掺杂Ce改善了催化剂的还原特性;同时NO吸附和脱附面积增大,表明Ce掺杂改变了催化剂的NO_(x)吸附-脱附性能.

基于GT-PowerDOE的柴油机性能优化

为研究进排气门正时角度和进气歧管长度对于柴油机综合性能的影响,利用发动机仿真软件GT-Power对某款国产柴油发电机的柴油机部分进行建模,并基于台架实验验证其模型准确性。在额定转速为1500 r/min、负载为90%的工况下,应用实验设计(design of experiments,DOE)工具,以发动机进排气门正时角度和进气歧管长度作为自变量,柴油机功率、比油耗和碳烟(soot)排放率为因变量,进行了最大功率、最小比油耗和最低碳烟排放量的多目标优化。结果表明:适当缩短进气歧管长度可以提高发动机进气压力和进气效率,提高发动机动力性和燃油经济性,增大气门重叠角可以有效降低气缸的泵气损失,提升柴油机做功效率,同时降低气缸内温度,从而降低碳烟的排放率。最终,各个目标值分别实现了1.3%、1.0%和2.6%的优化。

运用米勒循环与生物柴油对柴油机性能优化分析

本文基于GT-Power软件,对比分析了B20生物柴油在1000 r/min转速、2种负荷工况(100%和50%)下的2种米勒循环最佳方案,找到关于动力、经济、排放性能最佳的进气门提前关闭角;再基于米勒循环方案,对其性能进行了优化和分析,得出了B20生物柴油发动机在2种工况下功率、油耗、soot排放与NOx排放最佳性能的进气正时方案。结果表明:变气门重叠角米勒循环在整体性能方面优于变凸轮型线米勒循环,变气门重叠角米勒循环燃用B20生物柴油在2种不同负荷工况下,当处于进气门提前关闭角30℃A时功率性能最佳,并且通过模型优化后2种工况分别在进气门正时179.0℃aA和排气门正时174.0℃aA、进气门正时224.5℃aA和排气门正时119.0℃aA区域内有功率极大值;同理,油耗、soot与NOx排放也同样存在相对应的最佳进气门提前关闭角与优化后相对应的区域。

进气歧管喷水对发动机燃烧性能的试验研究

为研究进气歧管喷水技术对汽油发动机热效率的提升潜力,基于一台研究型单缸汽油发动机,采用试验的手段对比研究了不同的喷水比例、不同的负荷工况及不同的压缩比下进气歧管喷水对发动机燃烧性能的影响。结果表明,采用进气歧管喷水技术可有效降低发动机的爆震趋势,随着喷水比例的增加,CA50逐渐提前,燃料的滞燃期及燃烧持续期增加,同时伴随着传热损失逐渐增加。相比于无喷水(w/o PWI)的结果,喷水的引入虽然导致未燃损失增加,但有利于排气能量损失大幅降低,最终反应到经济性的表现为热效率随着喷水比例的增大呈先增加后降低的趋势,油耗率的表现同热效率的结果相反;此时最佳的净指示热效率(GITE)为43.1%,相比于w/o PWI的结果升高了2.5%;最佳的净指示油耗率(GISFC)为197.9 g/(kW·h),相比于w/o PWI的结果降低了11.8 g/(kW·h)。高负荷运用喷水技术将达到更显著的热效率改善及油耗改善效果;同时,喷水技术的引入使得发动机高压缩比的应用成为可能。

稀燃模式下直喷氢气发动机性能试验

为研究氢气直喷发动机在稀薄燃烧下的燃油经济性、环保性和动力性,进行不同混合气浓度和不同负荷下的氢气直喷发动机燃烧特性研究。结果显示稀薄燃烧可以降低燃烧率和缸内压力升高率,并通过提高工质多变系数降低传热损失,从而显著提高热效率。混合气变稀对火焰传播的影响较大,负荷对燃烧持续期的影响较小。过量空气系数λ在1.1~1.6范围时,NO_(X)排放最高,但加浓和稀释混合气均可降低排放。负荷增加也会显著增加NO_(X)排放。在小负荷下(平均有效制动压力BMEP=0.2 MPa),当λ>1.8时,NO_(X)排放低于10-5;而在负荷较大(BMEP=1.2 MPa)时,即使λ=2.0,NO_(X)排放仍超过0.002。

甲醇-柴油反应活性控制压燃发动机排放特性与经济性预测及优化

基于甲醇-柴油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机台架试验数据,建立了基于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)优化BP神经网络的甲醇-柴油RCCI发动机排放特性、经济性预测智能模型,以发动机负荷、甲醇替代率、EGR率为输入参数,NO_(x)、烟度、CO、THC排放和当量有效燃油消耗率为输出,预测模型的决定系数(R^(2))分别为0.99,0.97,0.99,0.98和0.96,平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)为6.46%,0.56%,3.12%,1.21%和0.3%,表明构建的PSO-BPNN模型能够有效预测甲醇-柴油RCCI发动机的NO_(x)、烟度、CO、THC排放和经济性。基于偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)分析了不同控制参数对发动机污染物排放和经济性的相关性,将PSO-BPNN预测模型与NSGA-Ⅱ算法相结合,以NO_(x)、烟度和当量有效燃油消耗率为目标对负荷、甲醇替代率和EGR率进行协同优化,将最优控制参数组合标定至双燃料发动机的控制系统进行试验验证。结果表明:优化后烟度变化不明显,NO_(x)排放平均降低39.6%,当量有效燃油消耗率平均降低2.6%。

轻型柴油车还原性颗粒捕集器控制策略及排放试验研究

为使某轻型柴油车排放达到国六b排放标准,基于国六b轻型车排放标准对柴油机NO_(x)排放要求,制定柴油机选择性催化还原颗粒捕集器(selective catalytic reduction-coated diesel particulate filter,SDPF)后处理系统技术方案,建立结合前馈模型和反馈控制的SDPF控制策略,利用发动机台架试验对控制参数进行标定,并进行控制策略和排放测试验证。全球统一轻型车辆测试循环(world light vehicle test cycle,WLTC)工况转毂试验结果表明:SDPF化学反应模型的效率与基于NO_(x)传感器的NO_(x)转化效率具有良好的一致性,偏差小于10%,验证了控制策略的正确性和有效性;本方案的NO_(x)转化率达到96.1%,所有污染物排放均满足工程目标,该轻型柴油车排放满足国六b排放标准。

制动磨损颗粒物排放测量方法及影响因素研究

随着机动车排放法规和标准的逐年加严,尾气排放量减少,相较之下,非尾气排放变成了城市大气污染物的首要来源之一,其中制动磨损颗粒物在非尾气排放中占比较大。基于此,本文综述了制动磨损颗粒物的测量方法及影响因素,分析了制动惯性试验台、底盘测功机和整车的测试方法优势和劣势,从刹车片材料、摩擦器结构、临界温度、制动速度和制动载荷阐述了制动磨损过程的影响因素,对后续深入研究制动磨损颗粒物的排放、开发相关的标准法规起到了重要作用。

异戊胺的氢提取及后续异构化和分解的研究

燃烧反应动力学对燃料在内燃机内的清洁高效燃烧至关重要.为了探究异戊胺(C_(5)H_(13)N)的燃烧反应动力学,采用完备基集(CBS)方法计算了加入H、CH_(3)和OH自由基进行脱氢反应及异戊胺自由基的异构化和分解反应的势能面.根据微正则变分过渡态理论,预测了温度为300~2000K、压力为0.01~100.00 MPa条件下的反应速率常数.结果表明:H自由基的加成严格遵循Bell-Evans-Polanyi准则,a-H位点的脱氢反应较难发生.后续反应中,C—H的断裂在300~570 K之间最具竞争性优势,尤其是int1~int5异构化反应,其具有73.60 kJ/mol的最低正向能量.温度高于570 K时,分解反应成为自由基消耗主要途径,其速率常数比异构化高10^(6)s^(-1).

In/H-SSZ-13催化剂用于甲烷选择性催化还原NO_(x)反应的研究

采用浸渍法制备了不同比例In改性的In/H-SSZ-13催化剂.通过催化剂活性评价系统研究了In改性比例对In/H-SSZ-13催化剂NO_(x)转化率的影响,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征技术对In/H-SSZ-13催化剂的物理化学特性进行了深入分析.研究结果表明,添加In能够明显提高H-SSZ-13的CH_(4)-SCR反应催化活性,其中,15%In/H-SSZ-13催化剂的CH_(4)-SCR反应活性最佳,其最大NO_(x)转化率在550℃可达87.32%.尽管In比例的增加对H-SSZ-13的CHA结构没有明显影响,但催化剂表面的In_(2)O_(3)物种明显增加,并逐渐形成团簇.In在In/H-SSZ-13催化剂中以In O^(+)和In_(2)O_(3)两种赋形状态存在,In O^(+)是CH_(4)-SCR反应的主要活性中心,In_(2)O_(3)对NO_(x)转化没有明显作用,但在高温阶段会促进CH_(4)的氧化反应.

低压喷雾冷却高温高速排气技术研究

为研究在高温高速排气中使用低压喷雾冷却的传热传质特征,本文采用理论推导的方法建立了适用于高速排气中喷雾冷却快速计算模型,包括基于热力学理论的喷水量零维计算模型、基于喷雾学的液滴粒径和液滴受力零维计算模型、基于拉格朗日法的单液滴蒸发运动轨迹二维模型。基于这些模型,先分析采用柴油机海水泵低压供水喷雾的粒径,阐释高速排气弥补海水泵供水压力低的不足,减小液滴粒径的原理;然后分析排气管道内液滴的沉降风险,从液滴受力的角度说明在竖直管道内进行低压喷雾冷却的优越性;最后研究并比价了水平管道和竖直管道内低压喷雾单个液滴的运动蒸发轨迹,直观展示出液滴蒸发与运动关系的生命历程。结果表明,在竖直管道内采用低压逆流喷雾是效果最佳的喷雾冷却方式。

重型柴油机排气电加热NO_(x)排放控制技术研究

为解决重型柴油机在冷起动工况下的NO_(x)排放恶化问题,基于重型柴油机冷起动试验平台,自主设计了排气电加热系统,并研究了不同电加热功率对后处理后的NO_(x)排放和每度电可处理的NO_(x)排放的影响.结果表明:随着电加热功率从2 kW升高至8 kW,NO_(x)排放逐渐降低,每度电可处理的NO_(x)排放逐渐升高;电加热功率固定为8 kW时,NO_(x)排放达到最低(140.3 mg/(kW·h)),相比原机减少了51.55%;电加热功率固定为2 kW时,每度电可处理的NO_(x)排放最多为1 900.8 mg.基于此,通过仿真进行排气电加热器控制策略的开发,控制策略引入NO_(x)转化效率和燃油消耗量作为判据,每度电可处理的NO_(x)排放增加了19.27%.此时,仅消耗0.21 kW·h电能,即可将后处理后的NO_(x)排放从274.76 mg/(kW·h)降低至231.42 mg/(kW·h).

HC浓度对EGR冷却器沉积层表面微观结构的影响

不同试验条件下沉积在EGR(exhaust gas recirculation)冷却器换热管内表面的颗粒物会形成不同表面微观结构的沉积层。为了量化分析沉积处表面微观结构的分布特征和三维表面的起伏特征,提出采用沉积层表面结构特征面积占比和表面分形盒维数两个参数分析沉积层的表面微观结构变化规律,并利用其分析碳氢化合物(HC,hydrocarbons)浓度对沉积层表面微观结构的影响。结果表明:试验气体中的HC等挥发性物质的析出会影响EGR气体中颗粒物的尺寸,改变沉积层表面凹坑和凸起结构的数量和尺寸分布;随着HC浓度的增加,沉积层表面凸起结构所占的面积百分比逐渐增加,凹坑结构所占面积百分比变化较小;用于表征沉积层表面起伏程度的沉积层表面分形盒维数随试验气体中HC浓度的增加而逐渐增加。

柴油/天然气船用双燃料低速机甲烷逃逸浓度软测量

为消除甲烷逃逸浓度软测量过程中测试参数之间延迟对软测量实时性和精度的影响,提出一种基于长短时记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络和互信息(mutual information,MI)的船用双燃料低速机甲烷逃逸浓度软测量方法。首先,利用互信息进行辅助变量筛选和变量时间延迟的计算;将预处理后的数据导入LSTM模型来预测甲烷逃逸浓度;最后使用某低速双燃料机甲烷逃逸治理系统的历史数据进行模型性能的验证。结果表明:基于LSTM和互信息的软测量模型具有较好的预测能力,为船舶双燃料低速机甲烷逃逸浓度的监测提供了一种有效参考方法。

柴油/聚甲氧基二甲醚混合燃料匹配催化型颗粒捕集器的排放特性研究

使用柴油和聚甲氧基二甲醚(polymethoxy dimethyl ether,PODE)混合燃料进行了柴油机催化型颗粒物捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)的排放特性试验,研究分析了添加PODE对CDPF的过滤效率及CDPF前后端NO_(x)、CO_(2)和颗粒物排放变化的影响。结果表明:加入PODE提高了CDPF对颗粒物的过滤效率,使用90%体积分数的柴油与10%体积分数的PODE掺混(D90P10)可使CDPF的平均过滤效率提高3.6%。CDPF对核态颗粒物的过滤效率低于86.39%,CDPF对聚集态颗粒物的过滤效率高于91.32%,CDPF对核态的过滤效率低于聚集态。CDPF对不同粒径颗粒物的过滤效率不同,且随颗粒物粒径的增加而增加。两种燃料下,通过CDPF后的颗粒物的几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)均减小,NO_(x)排放降低,CO_(2)排放增加。

SCR系统压力旋流式喷嘴结构对近场喷雾特性的影响

选择性催化还原(SCR)系统是柴油机脱除尾气NO_(x)的核心,喷嘴的雾化性能直接影响NO_(x)转化率及尿素结晶,压力旋流式喷嘴比直流式喷嘴更有性能优势.以新设计的一款压力旋流式喷嘴为对象,结合试验数据,基于流体体积函数(VOF)法,耦合喷嘴内旋流与喷嘴外近场喷雾开展三维数值模拟,精准获取旋流液膜厚度、液膜锥角.基于喷孔内部流场与索特平均直径(SMD)的关系模型,实现喷嘴结构对喷雾雾化性能的直接耦合研究,进而获得了旋流室长度、旋流室直径、出口段长度和出口段孔径等压力旋流式喷嘴关键结构参数对喷雾性能的影响特性,结果表明:喷嘴几何参数调整需由气核生长情况判断;当气/液两相分界面呈多级阶梯型时,减小旋流室长径比、出口段长径比均可有效降低喷雾粒径,增强雾化效果.该新设计的压力旋流式喷嘴具备SMD小于30μm的潜力.

LOLIMOT模型在CNG发动机NO_(x)排放预测试验中的应用

为解决在选择性催化还原技术(selective catalytic reduction,SCR)的控制策略开发中局部线性模型树(local linear model tree,LOLIMOT)排放模型预测精度不足的问题,提出一种通过优化空间边界,将原模型的超矩形输入空间约束在物理意义范围内的改进LOLIMOT模型。通过某天然气发动机的辨识试验,从分布特征和计算原理角度,分析了该方法对预测结果的影响。结果表明:与原算法相比,改进算法的线性相关度R2提升了1.9%,验证了改进策略的有效性。改进LOLIMOT算法具备较高的收敛速度和稳定性,在排放模型领域具备一定的应用优势。