船用高速柴油−甲醇双燃料发动机开发

基于柴油−甲醇二元燃烧技术,自主研发Z6170SCM柴油−甲醇双燃料发动机,主要介绍了该发动机的开发过程及设计方案、关键零部件的设计以及台架试验情况等。台架试验表明:该发动机各项指标均满足设计要求,发动机动力性、经济性及排放水平皆优于原型机。该双燃料发动机为船用发动机压燃式高效应用甲醇提供了一种解决方案。

甲醇替代率对两段喷射F-T柴油/甲醇双燃料发动机排放的影响

以一台高压共轨柴油机为基础,在进气歧管处加装甲醇喷射系统,同时缸内两段直喷(预喷+主喷)煤制费托合成柴油(F-T柴油),搭建F-T柴油/甲醇(F/M)双燃料发动机试验台架,在转速为2 000 r/min,负荷为25%,50%,75%和100%的工况下分别探究甲醇替代率对发动机排放性能的影响,同时为实现F-T柴油/甲醇反应活性控制压燃模式探寻理论基础。研究结果表明:在中高负荷下,F/M双燃料发动机的燃油经济性较好;与单燃料压燃模式相比,F/M双燃料燃烧模式的HC,CO,Soot,甲醇和甲醛排放量均有所增加,且随着甲醇替代率的增大而增加,随着负荷的升高而下降;CO_(2),NO_(x)和NO的排放量随着甲醇替代率的增大而减小,随着负荷的升高而增加;NO_(2)的排放量随着甲醇替代率和负荷的增大而增加。

不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性研究

基于大气模拟综合测试系统,模拟0 m、1 000 m和2 000 m海拔的大气压,对不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性进行研究。研究结果表明:不同海拔下,随着氢气替代率增加,预混合燃烧增强,缸内燃烧速度加快,缸压峰值升高,其对应相位提前;碳烟和CO排放先下降后上升,NO_(x)排放增加,CO_(2)排放减少。随着海拔上升,过量空气系数减小,有效热效率降低。转速为1 600 r/min时,随着海拔高度升高,预混合燃烧减弱,发动机缸压峰值下降,其对应相位推迟;CO排放最低时,与0 m海拔比较,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别增加44.44%和127.78%,CO排放增加8.95%和16.86%,CO_(2)排放增加4.34%和16.86%,碳烟和CO_(2)排放增幅随海拔增加而上升。转速为3 000 r/min时,随着海拔高度上升,缸压峰值略有升高,缸压峰值对应相位提前,预混合燃烧增强;碳烟、NO_(x)、CO和CO_(2)排放升高,排放增幅随海拔升高而增大。与海拔0 m比较,当碳烟排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别升高18.67%和56.04%,NO_(x)排放分别上升14.78%和38.40%,CO_(2)排放分别升高7.29%和15.80%;CO排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,CO排放分别上升24.53%和62.87%。

EGR技术对生物柴油混合燃料发动机性能的影响研究

为缓解柴油掺烧生物柴油导致的NO_(x)排放过高问题,将4190ZLC船用中速柴油机作为试验台架,通过AVL_FIRE软件建立燃烧室模型,并验证该模型准确性。设置生物柴油掺混比0~40%等4组变量,EGR率0~12.5%等4组变量,进行柴油机燃烧、性能和排放分析。结果表明,掺烧适量生物柴油能够降低柴油机缸内温度,降低Soot排放,但同时会导致NO_(x)排放明显升高;EGR的引入能够实现低温燃烧,显著降低NO_(x)排放,但EGR率过高会增加Soot排放。生物柴油掺混比B40、EGR率12.5%组合NO排放比原机降低47.7%,Soot排放质量分数比原机降低98.13%。本文结果将为柴油掺混生物柴油燃烧并结合EGR技术提供一定的研究方向。

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%。

预喷油量对甲醇-柴油双燃料发动机燃烧特性影响试验

【目的】通过一台高压共轨直列四缸柴油发动机改造的甲醇-柴油双燃料发动机进行试验,研究预喷油量对甲醇-柴油发动机燃烧特性的影响。【方法】选取1800r/min,30%和70%负荷,20%~40%掺烧比工况,调节不同预喷油量,采集各个仪器的实时数据,分析缸内平均压力、压力升高率、瞬时放热率、滞燃期和平均温度随预喷油量的变化。【结果】30%负荷,CCR超过30%,预喷量增大,主喷滞燃期延长,主喷燃烧阶段前期受柴油雾场燃烧主导,此负荷下引入预喷能有效改善发动机工作噪声,但预喷量的影响不高;70%负荷,CCR超过30%,预喷量的增大,主喷滞燃期明显缩短,主喷燃烧阶段前期受甲醇-空气均质压燃主导。【结论】30%和70%负荷,大掺烧比的工况尽量不采用预喷或采用较小的预喷柴油量来降低NOx的排放。

基于混合驱动的双燃料发动机燃烧模型的构建

为实现对处于长时间运行的双燃料发动机燃烧过程的实时映射和在线优化,将Wiebe方程与深度学习神经网络相结合,提出了基于混合驱动的生物柴油/柴油双燃料发动机零维(0-D)预测模型.首先通过鹈鹕算法(POA)对双Wiebe方程参数进行求解;然后利用卷积神经网络结合双向长短时记忆神经网络(CNN-Bi-LSTMNN)建立运行参数和Wiebe参数的参数辨识模型.将Wiebe方程与深度学习神经网络相结合对燃烧过程进行简化、重构,建立基于混合驱动的零维预测模型,进而可以正向求出缸内压力曲线和各种性能结果.结果表明:基于双Wiebe方程结合CNN-Bi-LSTM构建的双燃料发动机零维预测模型具有良好的预测精度和泛化性.模型的开发为双燃料发动机性能的在线评估和优化提供了可靠的数字模型支持.

甲醇喷射正时对柴油/甲醇双燃料HCCI发动机燃烧及排放特性的影响研究

文章利用CFD仿真软件Converge研究了甲醇喷射正时对柴油/甲醇双燃料HCCI发动机燃烧和排放特性的影响。研究结果表明:随着甲醇喷射正时提前,缸内混合气质量提高,缸压峰值和压力升高率均升高,缸内温度分布更加均匀;当甲醇喷射正时提前角度较小时,缸内混合气存在明显的浓度梯度,使得燃烧始点前移;随着甲醇喷射正时提前,SOOT,HC和CO的排放量显著减少,当甲醇喷射正时为150℃A BTDC时,HC排放量最低;甲醇喷射正时的提前也减弱了甲醇汽化潜热对缸内温度的影响,导致NOx排放量升高。

氨柴双燃料高压缩比发动机柴油喷射策略优化

为了提高氨柴发动机的燃烧效率与热效率,研究了柴油喷射策略对燃烧与排放特性的影响。在一台6缸、压缩比21的氨柴发动机上,采用了进气道喷射氨并缸内2次喷射柴油的控制方法。用柴油第1次喷射来活化缸内热氛围,用第2次喷射来控制燃烧相位。结果表明:提前柴油第1次喷射时刻,可使氨柴模式的氮氧化物(NOx)排放减少30%;增加第1次喷射量有助于提高氨燃烧效率,并能减少85%的N2O和50%的CO排放。随第1次喷射量的增加,有效热效率先升高后降低。相比同压缩比下纯柴油模式,优化的氨柴双燃料模式的柴油喷射策略下,最高有效热效率提高1.2个百分点。因此,该文的优化柴油直喷策略,可节能和降低重型车辆的碳排放。

柴油/天然气双燃料发动机油气耦合分层燃烧

针对柴油/天然气反应活性控制压缩点火发动机低负荷热效率低、未燃CH_(4)和CO排放高等问题,本文提出了一种发动机双进气道双阀燃气独立喷射方法,通过三维CFD仿真,对比研究了双阀燃气喷射比例对缸内油气耦合分层、燃烧以及排放特性的影响规律。结果表明:双阀燃气喷射比例对缸内混合气形成和燃烧过程有重要影响,通过微量柴油分段喷射和调整双阀燃气喷射比例,缸内能够形成高低反应活性燃料的耦合分层,缸压和放热率峰值增加,峰值相位提前,燃烧持续期缩短,未燃CH_(4)和CO排放总体呈现下降趋势。当双阀中直管燃气喷射比例为80%时,不仅能够提高发动机热效率,并且可以在NO排放不增加的情况下实现CH_(4)和CO排放的同时降低。

双燃料机油在甲醇发动机上的应用研究

应对排放、节能和延长换油周期成为当今促进发动机技术不断革新的三大驱动力,内燃机油技术不断更新换代,向着低硫磷灰分、低黏度、节能方向发展,甲醇是能源多元化,降低汽车尾气排放的最佳选择之一,是解决当前严重能源危机和环境污染问题的重要途径。甲醇发动机具有自己的燃烧特性,文章通过使用天然气双燃料机油在1款燃料由CNG改型为M100甲醇发动机上进行台架试验,试验证明双燃料机油产品在甲醇燃料发动机上完成350 h的台架试验,试验中油品各项指标变化平稳且正常,油品性能表现良好。

甲醇/柴油双燃料发动机工作区域的试验研究

在TY1100单缸柴油机的进气管上安装了电控甲醇喷射装置,采用柴油引燃甲醇双燃料工作模式,开展了甲醇/柴油双燃料发动机工作区域的试验研究。结果表明:双燃料发动机存在由熄火界限、工作粗暴界限和碳烟排放界限三者组成的工作区域。在此区域内,甲醇/柴油双燃料发动机的万有特性曲线中最经济区域位于发动机中高转速和中高负荷区,且随着引燃柴油量的增加向发动机高转速区域移动。随着甲醇质量分数的增加,发动机NOx和碳烟排放可以同步降低。

甲醇/柴油双燃料发动机的性能

在一台柴油机基础上,采用气道口电控喷射甲醇,缸内柴油引燃甲醇的方式,开发了电控甲醇/柴油双燃料样机,并通过发动机台架实验,研究了柴油/甲醇双燃料燃烧模式在燃烧特性、燃油经济性及排放性能方面的特点.与原发动机相比,双燃料模式的最高爆发压力下降,压力升高率上升,排烟和NOx大幅度下降,但THC和CO排放均升高.该方法能使甲醇喷射量得到精确控制以便燃烧达到最佳状态,是甲醇/柴油双燃料发动机可行的技术方案.

引燃油量对甲醇柴油双燃料发动机燃烧特性的影响

在一台TY1100单缸柴油机的进气管上安装了一套电控甲醇喷射装置,采用柴油引燃甲醇方式,开展了引燃油量对甲醇柴油双燃料发动机燃烧特性影响的研究．结果表明:在相同的平均有效压力和转速下,随着引燃油量的减少,双燃料燃烧的滞燃期延长,主燃期缩短,缸内气体最高爆发压力和最大压力升高率在高负荷时增加,放热率曲线第1峰值增大,第2峰值减小,表明预混燃烧量增加而扩散燃烧量减少;高负荷时放热率曲线型心向上止点靠近,燃烧等容度提高,燃油经济性改善;提高转速和增大供油提前角,最大放热率和最大压力均增加．

引燃柴油量对甲醇/柴油双燃料发动机性能和排放的影响

在一台TY1100型直喷柴油机上,开展了引燃柴油量对柴油引燃甲醇双燃料发动机性能和排放影响的研究。试验结果表明:引燃柴油比例为28.9%~48.2%时,发动机可获得较好的动力性,甲醇质量掺比可达73.3%~83.2%。与原柴油机相比,双燃料发动机的碳烟排放大幅度下降,NOx排放降低,而HC和CO排放增加。高负荷时发动机有效热效率增加而CO排放基本相当。在同一引燃柴油量下,HC排放呈先增加后减少的趋势,增加引燃柴油量,可以提高发动机低负荷时的有效热效率和降低HC排放,但在全负荷时,会导致NOx排放增加。

柴油引燃甲醇双燃料发动机滞燃期的研究

在一台TY1100直喷柴油机进气管上安装一套电控甲醇低压喷射装置,进行了柴油引燃甲醇双燃料发动机着火滞燃期的试验研究.结果表明:随着甲醇质量分数的增加,双燃料发动机压缩过程多变指数呈线性减小,着火滞燃期延长;与原柴油机相比,发动机燃用双燃料后,在转速为1600 r/min、全负荷、甲醇质量分数为62%时,着火滞燃期最大延长约1.5°;提高进气温度,着火滞燃期缩短,进气温度从20℃增加到40℃再到60℃时,对着火滞燃期的影响逐渐增强;发动机的转速升高,在所有试验工况下,以时间计的着火滞燃期缩短;引燃柴油供油定时提前,着火滞燃期延长.

柴油/甲醇双燃料发动机能量平衡分析

以加装了甲醇喷射系统的玉柴YC4D120-30柴油机为研究对象,建立了柴油/甲醇双燃料(DMDF)燃烧模式的能量平衡模型;在1,660,r/min、420,N·m和1,660,r/min、105,N·m两个工况点进行了纯柴油(D)模式和DMDF模式能量平衡分析,结果表明:大负荷时甲醇对柴油的替换比低于理论值,主要原因是双燃料燃烧模式的冷却损失比相应的纯柴油模式低;在小负荷时甲醇对柴油的替换比高于理论值,主要原因是双燃料燃烧的不完全燃烧损失随负荷降低而大幅增加.在1,660,r/min各个负荷下进行了甲醇替代率试验,结果表明:双燃料燃烧模式的冷却损失均低于纯柴油模式,且随着替代率增加冷却损失进一步降低.在1,660,r/min、420,N·m工况点进行了不同甲醇温度试验,结果表明:相同替代率下,替换比随着甲醇温度的提高而降低.这些现象都与双燃料燃烧模式下发动机的能流分布有密切联系.

柴油/甲醇双燃料发动机各缸燃烧均匀性研究

在一台四缸增压中冷柴油机上,进行了柴油/甲醇双燃料燃烧各缸差异性和峰值压力循环变动的研究.结果表明,甲醇替代率的升高使发动机不均匀度增加.小负荷时,各缸峰值压力循环变动趋势不一致;大负荷时,各缸峰值压力循环变动升高.以甲醇替代率控制在40%,以内为宜;进气温度的升高造成发动机峰值压力增大,同时各缸甲醇的分配差异增加,发动机各缸燃烧不均匀度增大,考虑各项因素的影响,进气温度控制在35~80,℃为宜;增大转速有助于减小发动机不均匀度,且各缸峰值压力循环变动基本保持不变,可以在高转速下适当提高甲醇的替代率,以获得更高的经济效益.

甲醇喷射定时对甲醇柴油双燃料压燃式发动机性能的影响

将甲醇作为主燃料,用柴油作为点火燃料,研究了不同甲醇喷射定时对压燃式发动机性能的影响。结果表明:引燃柴油在上止点前21℃A喷射条件下,在上止点前23℃A喷射甲醇时发动机的经济性最佳,缸内的统计最大压力在小负荷时随着甲醇喷射定时提前而降低,在大负荷时随着甲醇喷射定时提前而提高。双燃料发动机的最大压力标准方差随着甲醇喷射定时提前而增大,在上止点前26℃A喷射甲醇时发动机的动力性最佳,气缸内压力波动随甲醇喷射定时提前而变大,当在上止点前29℃A喷射甲醇时点火柴油不能把甲醇燃料可靠点燃。

柴油甲醇双燃料发动机进气均匀性优化

针对某四缸柴油甲醇双燃料发动机进气均匀性较差的问题,采用GT-power软件构建了柴油甲醇双燃料发动机仿真模型,分析进气总管、进气歧管的结构参数以及进气正时对进气均匀性的影响程度。以进气总管直径、进气歧管长度、2、3缸的进气歧管直径以及进气正时为优化变量,以降低进气不均匀度为设计目标建立响应面模型,并结合多岛遗传算法进行优化。优化结果表明:减小进气总管直径和进气歧管长度以及进气正时,增加2、3缸的进气歧管直径几何参数,改善了进气歧管内空气和甲醇的流动质量,使发动机的进气不均匀度由原机的10.35%降低到2.19%。