米勒循环汽油机燃用氢气燃烧及排放特性分析

基于一台高压直喷米勒循环汽油机加装氢气喷射系统,试验研究了发动机燃用汽油与氢气时燃烧与排放的差异。结合电子增压器,通过增大过量空气系数,探索氢气发动机超稀薄燃烧模式热效率潜力,分析了汽油机三效催化转化器对氮氧化物转化效率和NH3的影响规律。结果表明:大负荷工况下氢气发动机对爆震较为敏感,采用稀薄燃烧方式可进一步提升氢气发动机有效热效率水平。2500 r/min转速条件下,缸内平均有效压力(Brake mean effective pressure,BMEP,记为PBME)=0.8 MPa时,过量空气系数由1.0增大至3.0时,热效率值增幅可达30%,NO_(x) 排放降幅可达约98%,且当负荷进一步提升至PBME=1.1 MPa时,热效率突破43.0%。传统汽油机TWC对氢发动机NO_(x) 转化效率在偏浓工况下相对较高,且在偏浓工况下,TWC后会产生大量氨气,当混合气进一步稀释后NH3生成量显著降低。

预燃室结构参数对汽油机稀薄燃烧的影响

基于研究型热力学单缸机研究了压缩比(CR)对预燃室射流点火汽油机超稀薄燃烧热效率的影响,探索了预燃室结构参数对发动机燃烧及排放的作用规律.试验中选取发动机常见最低燃油消耗率工况(转速为2750 r/min、平均指示压力(IMEP)为1.05 MPa),通过调节进气量及循环喷油量改变过量空气系数(φa),结果表明:压缩比由12.48增大至16.40,相同过量空气系数对应的指示热效率(ITE)呈递增趋势,同时最佳指示热效率点对应的φa有所升高.当压缩比为12.48时,指示热效率峰值点对应的φa为1.8,指示热效率为47.1%;CR提升至16.40时,指示热效率峰值点对应的φa提升至2.8,对应的指示热效率提升至50.1%.此外,对比预燃室结构参数对燃烧过程影响可知,采用射流锥角为120°、喷孔面积为6.8 mm^(2)的直孔结构设计能更有效地提高缸内燃烧速率,有利于抑制爆震,在超稀薄模式下燃烧稳定性较优,并有利于降低未燃碳氢(UHC)、CO和NO_(x)排放.

基于射流点火和气道喷水技术的缸内直喷汽油机稀薄燃烧特性研究

在一台4缸涡轮增压汽油机的基础上,增加预燃室和进气道喷水系统,在最佳油耗工况附近(转速2500 r/min,平均有效压力为0.8~1.2 MPa)开展了试验,研究和分析了汽油机稀薄燃烧特性,以及射流点火和进气道喷水技术对稀薄燃烧性能的影响。结果表明,稀薄燃烧可以将有效热效率从当量燃烧的39.5%提高到42.4%左右,但是当过量空气系数超过1.4以后,燃烧稳定性和碳氢排放变差。采用射流点火技术可以将稳定燃烧的过量空气系数拓展到1.7以上,热效率增加至43.0%以上,燃烧持续期最大缩短37.6%,循环波动不超过1.3%。在此基础上增加进气道喷水,对于平均有效压力在1.1 MPa以上的负荷,抑制爆震效果明显,喷水脉宽达到4 ms时,爆震限制的燃烧重心可以提前到活塞上止点后8°左右,同时最大热效率超过44%,循环波动不超过3%;但是对于平均有效压力低于1.1 MPa的负荷,爆震现象不严重,喷水反而会降低燃烧速率和热效率,同时燃烧稳定性和未燃碳氢排放也随之恶化。

燃烧相位与EGR协同控制对宽馏程燃料预混压燃燃烧和排放的影响

将汽油、柴油按一定比例进行混合制得不同着火性及挥发性的宽馏程燃料,试验研究了宽馏程燃料预混压燃燃烧及排放特性,分析了燃烧相位、废气再循环(EGR)及汽油掺入比例对预混压燃发动机燃烧及排放的影响规律,确定了核心燃烧边界条件对燃烧、排放的影响程度及范围.结果表明:汽油掺入比例对燃烧及排放均有显著影响,随汽油掺入比例增加,滞燃期延长,燃烧持续期相应缩短,有利于增大预混合燃烧量,降低排气烟度,并改善燃烧定容性.但在小负荷工况下,汽油掺入比例过大会导致CO、HC排放物增加,燃烧效率降低,进而引起热效率下降.通过采用汽油掺混体积比为40%的混合燃料,并合理控制燃烧相位,可在一定范围内保证较高的燃烧效率及燃油经济性.利用燃烧相位与EGR的协同控制策略,可在不降低热效率的情况下,进一步改善压燃式发动机排放特性,同时降低NOx及微粒排放.

GTL添加比例对高压共轨柴油机微粒排放粒度分布的影响

针对高压共轨增压中冷柴油机燃用不同添加比例的GTL/柴油混合燃料微粒排放进行了试验研究,分析了天然气合成油(GTL)添加比例对柴油机稳态工况及不同瞬变率的恒转速增转矩瞬态工况微粒排放粒度分布的影响规律,揭示了稳态及瞬态工况微粒排放粒度分布的差异.结果表明,对于不同GTL添加比例的混合燃料、最大转矩对应转速(1,600,r/min)下,微粒数量浓度分布曲线均呈单峰结构,峰值粒径位于50～100,nm.与燃用石化柴油相比,对稳态工况、在中小负荷时燃用适当GTL添加比例的混合燃料能够降低总微粒及核态微粒数量浓度,随GTL添加比例增大则总微粒及核态微粒数量增加;在大负荷工况下,燃用GTL/柴油混合燃料时总微粒及核态微粒数量浓度降低效果不明显,积聚态微粒数量浓度则随GTL添加比例增大而增加.等空燃比瞬态工况下不同模态微粒数量浓度均高于对应稳态工况,但随GTL添加比例的增加,有助于降低瞬态工况总微粒及核态微粒排放数量.

天然气合成油对高压共轨柴油机燃烧及微粒排放粒度分布的影响

针对高压共轨增压中冷柴油机燃用不同GTL添加比例的GTL/柴油混合燃料,试验研究了不同工况下微粒排放粒度分布特征,分析了GTL添加比例对燃烧及微粒排放粒度分布的影响。研究结果表明:与石化柴油相比,燃用GTL/柴油混合燃料能够降低排气烟度,但当GTL添加体积比超过20%后,排气烟度的改善趋势减缓,高负荷工况更明显。随着GTL添加比例增加,预混合燃烧放热率峰值及缸内压力升高率峰值降低,峰值相位提前,扩散燃烧放热率峰值变化不大。发动机燃用GTL燃料时的微粒数量浓度呈双峰对数分布,核态微粒数量浓度峰值在25%负荷时达到最大值,随着负荷增加峰值降低且逐渐向大粒径方向移动;积聚态微粒峰值随着负荷增加而升高。对于不同GTL添加比例的混合燃料,在中等转速工况,随着GTL添加比例增加,总微粒及积聚态微粒数量浓度增加,核态微粒数量变化不大;高转速工况,燃用G20混合燃料总微粒及核态微粒数量最少,增大GTL添加比例则核态微粒及积聚态数量均有所增加。

车用高压共轨柴油机瞬态工况微粒排放粒度分布的分析

对高压共轨柴油机稳态与瞬态工况下的微粒排放粒度分布进行了实验研究。结果表明,高压共轨柴油机排气微粒粒径大部分处于250nm以内,超细微粒占绝大多数。稳态工况下,随负荷增加微粒数量浓度分布曲线峰值逐渐向大粒径方向移动,大负荷工况下峰值开始进入积聚态区域。在瞬态工况下,微粒粒度分布曲线呈单峰形态,平均数量浓度分布峰值位于核态区域,峰值区间为15~25nm。在同一负荷（当量比0.5）下,稳态工况的核态微粒的数量、表面积和体积浓度均较稳态工况大幅度上升;随着瞬变率的增大,核态微粒数量浓度增加而积聚态微粒数量浓度下降。

微粒捕集器对高压共轨柴油机超细微粒捕集特性

针对高压共轨柴油机试验研究了不同转速及燃料种类下带催化剂涂层的微粒捕集器(DPF)安装前后的微粒粒度分布特征,分析了PDF对于不同粒径超细微粒捕集效率的影响规律。研究结果表明:燃用石化柴油和生物柴油(BTL)时,DPF安装前后微粒数量浓度分布曲线均呈双峰结构;DPF对微粒的捕集效率与发动机的转速及粒度分布特征相关,其对核态及超细微粒的捕集效果较好;中、小负荷工况下,DPF对超细微粒的捕集效率均达75%以上,随转速、负荷增加,对不同模态微粒的捕集效率降低,同时高捕集效率所对应的微粒粒径减小;与石化柴油相比,发动机燃用BTL时排气微粒中核态微粒所占比例较大,DPF具有较高的微粒捕集效率,尤其在大负荷工况下捕集效率明显高于石化柴油。

柴油机燃用F-T合成柴油时的燃烧与排放特性分析

对一台增压中冷高压共轨的柴油发动机燃用煤基费托合成柴油(F-T柴油)时的燃烧、排放特性和微粒粒度分布特征进行试验研究,分析了F-T柴油对发动机燃烧和排放的影响规律。结果表明,与国V柴油相比,燃用F-T柴油时因密度低,在喷油策略不做改变的情况下,转矩有所降低。同时,由于F-T柴油主要成分为直链烷烃,燃料着火性好,十六烷值较高,滞燃期明显缩短,预混合燃烧阶段放热量减少,燃烧时缸内温度降低,有利于降低NOx排放。F-T柴油具有良好的燃烧特性,使CO,HC排放和消光烟度大幅降低。十三工况排放试验中,CO,HC和NOx的加权比排放量分别降低了51.42%,45.62%和14.35%。不同负荷工况下微粒总数量浓度、超细微粒和核态微粒的比例均有所下降。所有这些对满足越来越严格的排放法规具有重要意义。

喷油参数对丁醇/柴油混合燃料燃烧及排放影响

针对高压共轨柴油机,研究了不同喷油压力和主预喷间隔角度下,正丁醇/柴油混合燃料对压燃式发动机燃烧及颗粒物排放的影响规律.结果表明:柴油中掺混正丁醇后,滞燃期延长,预混合燃烧量增加,燃烧持续期缩短,碳烟及颗粒物排放大幅降低,微粒粒径减小,核态微粒比例增加,NO_x排放变化不大.喷油压力由80MPa提高至100MPa,混合燃料消光烟度明显降低,继续提高喷油压力不但对碳烟排放降低作用减弱,还会进一步造成NO_x排放增加,同时核态微粒数量明显增加.主预喷间隔角度过小会造成主预喷燃油燃烧重叠,使碳烟排放增加,随主预喷间隔角度增加,总微粒、积聚态微粒数量浓度明显降低,核态微粒比例增加,当主预喷间隔角度增大到20°CA后,继续增大主预喷间隔角度对碳烟排放降低作用不明显.

压燃式发动机燃用汽油/柴油混合燃料瞬变工况下燃烧及微粒排放特性分析

针对压燃式发动机燃用汽油/柴油混合燃料稳态及瞬态工况下的燃烧及微粒排放粒度分布特征进行了试验研究,分析了汽油掺入比例及EGR对发动机稳态及不同瞬变率的恒转速增转矩瞬变工况超细微粒数量排放的影响规律.结果表明：在大负荷工况下采用高汽油掺入比例的汽油/柴油混合燃料能够在不引起NOx显著增加的前提下进一步降低排气烟度,有助于拓展预混合燃烧过程负荷工况范围;但较高汽油掺入比例易导致油气过度混合,对HC及CO排放有不利影响,尤其会导致小负荷工况下CO排放显著增加.综合考虑不同负荷工况下运行情况,认为汽油掺入比例在40%,～50%,左右较为适宜.燃用汽油/柴油混合燃料时排气颗粒物更趋于细化,其微粒几何平均粒径较柴油明显降低.瞬变工况增负荷过程中,各模态微粒数量浓度均有所升高,随汽油掺入比例增大积聚态微粒数量增加程度变缓,当汽油掺入比例达到50%,时,在高瞬变率工况时积聚态微粒数量无明显增加.高比例EGR条件下,瞬变过程中积聚态微粒数量浓度在增负荷初期便急剧增加,燃用汽油/柴油混合燃料有利于缓解瞬态工况积聚态微粒数量急剧增加的程度.

二级增压对重型高压共轨柴油机燃烧及微粒排放特性的影响

针对某电控高压共轨重型柴油机匹配二级增压系统后的燃烧、排放及微粒粒度分布特征进行了试验研究，分析了二级增压系统对柴油机性能、燃烧及微粒排放的影响规律。研究结果表明：重型高压共轨柴油机微粒更趋于超细化，核态微粒数量浓度峰值在8～15nm，绝大多．数微粒粒径〈200nm；中高负荷工况下核态微粒比例达93％以上。匹配二级增压系统后，进气量和空燃比明显增大，缸内最高燃烧压力及放热率峰值升高，消光烟度及微粒排放大幅度降低；13工况微粒加权平均比排放量比单级增压减少了75．6％；低负荷工况下核态微粒数量及其所占比例高于单级增压，积聚态微粒数量有所降低；中高负荷工况下50nm以下的核态微粒数量及其所占比例降低，且微粒总数及积聚态微粒数量减少，核态微粒平均粒径增大。

燃料含硫量及运转条件对高压共轨柴油机微粒排放粒度分布的影响

就发动机运转工况和燃料含硫量对高压共轨柴油机微粒排放粒度分布的影响进行了试验研究。结果表明,高压共轨柴油机微粒排放以核态为主,占全部微粒总量72%以上。外特性工况下,低转速时,核态微粒数量浓度变化不大,积聚态微粒数量浓度则随转速升高而减少,核态微粒所占比例逐渐增加;高转速时,随转速上升,两种形态的超细微粒数量浓度都有所增加,导致总微粒数量浓度上升,但核态微粒所占比例下降。最大转矩转速下的负荷特性工况下,随负荷的增加,核态微粒的数量浓度和表面积与体积浓度均有所增加,但积聚态微粒浓度随负荷的变化规律并不明显。燃用低硫柴油时的核态微粒数量浓度比高硫柴油显著降低,积聚态微粒数量变化不大。

柴油理化特性对高压共轨柴油机微粒粒度分布的影响

利用TSIEEPS3090微粒粒度测试系统，试验研究了高压共轨柴油机燃用不同理化特性调和柴油时的微粒成分及微粒排放粒度分布特征，揭示了燃料着火性能及燃料组分对微粒排放特性的影响规律。研究结果表明，对于不同着火性能的燃料，中小负荷工况下微粒数量浓度分布曲线大致呈单峰结构，峰值位于30nm附近，排气中绝大多数微粒粒径处于5～300nm之间。适当提高燃料十六烷值，能够缩短滞燃期，增大扩散燃烧期比例，有助于减少核态微粒的排放数量。同时，燃料含硫量对核态微粒排放影响较大，含硫量高将导致核态微粒排放量增加。随十六烷值增加．排气微粒中可溶件有机物质fSOF）比例减小．干碳娴fDS）比例上升。

汽油/柴油混合燃料对压燃式发动机燃烧及超细微粒排放的影响

对一台高压共轨增压中冷压燃式发动机燃用汽油/柴油混合燃料的燃烧和排放特性进行试验研究,分析不同汽油掺入比例对发动机的燃烧过程和微粒排放粒度分布的影响规律。结果表明,燃用汽油/柴油混合燃料改善了燃料的挥发性,有助于加快油气混合,增大预混合燃烧量,显著降低排气烟度,但会导致NO_x排放增加,在较大负荷工况下更为明显。引入适当的废气再循环,可同时降低NO、和微粒排放。随汽油掺入比例的增加,燃烧持续期缩短,有利于改善燃烧定容性,配合EGR、喷油参数等燃烧边界条件的控制,合理匹配燃烧相位,有利于提高发动机热效率。但过大的汽油掺入比例易导致燃料着火性变差,滞燃期延长,燃烧相位过于推迟,热效率有所降低。燃用汽油/柴油混合燃料时,微粒数量浓度分布曲线中核态微粒与积聚态微粒数量浓度峰值均向小粒径方向移动。随着负荷的增加,预混合燃烧量减少,汽油掺入比例对微粒排放浓度的影响加大。在中等负荷工况下,汽油掺入比例在40%以上的混合燃料能够有效降低积聚态微粒数量浓度。

基于标准系数法的飞机俯仰角控制参数优化

基于标准系数的应用研究结果,对某飞机俯仰角回路进行了标准系数法的设计,给出系统控制器参数。在此基础上,利用Simulink Design Optimization模块,对控制系统参数进一步优化。仿真结果表明标准系数法结合Simulink Design Optimization优化对俯仰角系统设计是有效的,而且降低了工作量,提高了工作效率。

氢气缸内直喷发动机燃烧优化及热效率提升研究

基于一台1.5 L氢气缸内直喷发动机,通过试验研究了氢气燃料的燃烧特性,分析了深度增压和喷氢时刻对燃烧及热效率的影响。研究表明:稀燃模式下,随着过量空气系数增加,缸内最高燃烧压力越来越高且对应曲轴转角提前,放热率峰值逐渐下降同时放热始点提前,放热时长变长,缸内燃烧温度和压升率下降。深度增压后,有效热效率可提升3%。靠近上止点喷射时,缸内喷射背压增加,喷射流量减小,提前喷射容易出现早燃,优化喷射策略后的有效热效率达43.5%。

EGR对二级增压高压共轨柴油机燃烧及排放的影响

针对某电控高压共轨重型柴油机,研究了二级增压及EGR系统对燃烧、排放及动力性能的影响规律。研究结果表明,相同EGR率下,二级增压柴油机CO,HC和炭烟排放均低于单级增压,且随EGR率增大,缸内燃烧压力、放热率峰值及缸内平均温度均有所降低,滞燃期变化不大。相比单级增压,二级增压能够实现更大的EGR率,在更宽的EGR率范围内保持发动机良好的动力性和经济性;随EGR率增大,EGR对二级增压柴油机NOx排放的抑制效果更为明显,且能够在更宽的EGR率范围内维持较低的炭烟排放;NOx与燃油消耗率和烟度的平衡关系也明显优于单级增压。

被动预燃室发动机低温冷起动及低负荷试验研究

预燃室射流点火是改善汽油发动机热效率的有效手段,为了研究和改善被动预燃室低温冷起动及低负荷时的燃烧稳定性,设计了不同容积、孔面积、材料、喷孔结构的被动预燃室装置,安装在一台涡轮增压汽油发动机上,进行了低温冷起动试验,以及低速、低负荷燃烧稳定性试验。研究结果表明,被动预燃室容积、孔面积、材料、喷孔结构对低温冷起动性能有显著影响。预燃室容积较小时,预燃室内部淬熄层占预燃室容积的比例大,预燃室内部混合气少。较小的孔径或孔面积减少了预燃室内残余废气的排出。旋转孔使得预燃室内部废气分层,火花塞附近废气比例大。较高的导热率使预燃室冷起动时预燃室散热较快。因此,小容积、小孔径、高导热率材料以及旋转喷孔等均不利于发动机冷起动。优化结构的被动预燃室在-20℃~-8℃的冷起动工况下能实现发动机稳定着火起动。点火角和排气VVT对发动机的燃烧稳定性影响较小。进气VVT对预燃室燃烧稳定性影响较大,进气门开起时刻推迟,着火上止点附近缸内湍动能变强;另一方面实际压缩比变大,主燃烧压入预燃室内部的新鲜混合气比例提高,预燃室点火燃烧稳定性显著改善。

氢气发动机异常燃烧特性及早燃优化试验

基于一台1.5 L缸内直喷氢气发动机,通过试验研究分析了氢气发动机异常燃烧特性,探讨了燃烧边界条件对氢气发动机燃烧过程的影响及早燃优化。研究表明:氢气发动机在中小负荷工况也容易发生早燃,试验捕捉到的早燃发生时刻非常早,在压缩早期就发生,没有明显的早燃声音,不易被发现。靠近上止点喷射时,缸内喷射背压增加,喷射流量减小,喷射提前容易出现早燃,推迟喷射可以避免早燃,优化喷射策略后,有效热效率达43.5%。