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。

甲醇替代率对甲醇/柴油双直喷发动机性能的影响

为了实现甲醇/柴油双燃料发动机的高热效率和低排放,在一台单缸柴油机上搭建了独立的双直喷系统,开展了甲醇/柴油双直喷发动机运行范围的试验研究。结果表明:在低负荷率工况下,随着甲醇替代率的增加,发动机热效率降低;在中、高负荷率工况下,甲醇的加入有利于提高发动机热效率。在负荷率为79.5%、甲醇替代率为52.4%的工况下,发动机指示热效率达到最大值(43.4%)。同时,随着甲醇替代率的增加,发动机NOx和碳烟排放降低,而HC和CO排放呈现出增加的趋势。此外,在全负荷工况下,探究了最大甲醇替代率及其对发动机热效率的影响,发现双直喷发动机的最大甲醇替代率可以达到96.0%。随着甲醇替代率的增加,发动机指示热效率呈现出先提高后降低的趋势,最高指示热效率发生在甲醇替代率为50.0%的工况下。该研究结果可为甲醇/柴油双直喷发动机性能和排放特性的进一步优化提供试验和数据支持。

稀燃对甲醇直喷点燃式发动机性能的影响

将一台增压直喷米勒循环汽油机改制成高压缩比(13.8)甲醇直喷点燃式发动机,在2 750 r/min、平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)为1.1 MPa及1.5 MPa工况下研究了稀燃对甲醇直喷发动机燃烧、排放及热效率的影响。结果表明:随过量空气系数λ增大,甲醇直喷发动机滞燃期和燃烧持续期逐渐延长,高稀释率下燃烧滞燃期和持续期明显短于汽油原机。在1.1 MPa BMEP工况下,发动机的稳定燃烧极限从汽油原机的λ=1.5拓宽到甲醇直喷的1.7以上。气体排放方面,随λ增大,甲醇直喷发动机HC排放逐渐增加,而CO排放先降低后升高,在λ=1.1附近CO排放最低。与汽油原机相比,甲醇直喷发动机在各过量空气系数下均表现出更低的NOx、HC及CO排放。热效率方面,发动机在BMEP为1.1 MPa下,汽油原机和甲醇直喷的最大有效热效率分别为39.8%和44.1%,热效率绝对值分别较当量比燃烧提升2.5%和3.2%。BMEP提高到1.5 MPa后,甲醇直喷发动机在λ=1.4实现了44.5%的最大有效热效率。

喷油策略对甲醇/PODEn双燃料压燃燃烧特性的影响

为提高直喷柴油发动机的缸内燃烧效率,降低污染物的排放,研究了不同喷油策略下的甲醇/PODEn混合燃料燃烧、排放特性。基于计算流体动力学(CFD)和仿真分析软件Converge,对某款预混压燃燃烧(PCCI)的直喷柴油发动机进行三维建模;在发动机转速为1200 r/min,在进气压力100kPa、进气温度340.6 K的低负荷初始工况下,进行了仿真计算。结果表明:采用单次喷油时,提前喷油能够大幅提升缸压峰值和比放热峰值,使燃油利用率增加,且主要污染物显著减少;但过早喷油,反应速率加快,污染排放增多。采用2次喷油时,随着预喷时刻的提前,预喷、主喷的正时间隔变长,缸压曲线变化不大;比放热曲线出现2个峰值,峰值略微降低,且喷射时刻(曲轴转角,CA)提前;与各自的质量排放峰值比较,碳烟(Soot)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)的质量排放,分别降低了6.89%、5.41%、23.31%;优化后的预喷、主喷的CA为-27°、-22°。

GDI发动机燃用甲醇及甲醇/汽油混合燃料的微粒排放特性研究

在缸内直喷汽油机上进行了燃用纯甲醇和甲醇/汽油混合燃料的微粒排放特性研究,分析了点火定时、喷油定时和过量空气系数对微粒排放的影响规律。试验结果表明:在选定的发动机典型常用运行工况下,燃用纯甲醇燃料(M100)时,缸内直喷汽油机几乎不产生微粒排放;燃用甲醇/汽油混合燃料时(M20或M25),排气微粒数浓度主要集中在核态微粒区域,微粒质量浓度主要集中在积聚态微粒区域,其中M25燃料的微粒排放性要优于M20燃料;随着点火定时的提前,排气微粒数浓度和质量浓度均有所升高;随着喷油定时的提前,排气微粒数浓度降低,微粒质量浓度升高。

甲醇缸内直喷发动机的燃烧特性

在一台四缸柴油机改造的复合导流分层燃烧缸内直喷火花点火甲醇发动机上，开展了燃烧特性的试验研究．研究表明：该甲醇发动机的最大压力位于上止点后14°～17°的位置，离上止点较近，燃烧定容性好，热效率高；最大压力升高率低，发动机工作柔和，燃烧噪声低；燃烧放热率曲线的形状与传统汽油机预混燃烧单峰形状相似，没有出现扩散燃烧导致的双峰放热现象；在宽广的转速和负荷范围下，平均指示压力的循环变动不超过10％，燃烧稳定性好．

甲醇缸内直喷发动机均质燃烧特性研究

在一台四缸柴油机改造的火花点火甲醇缸内直喷发动机上,高负荷时,在进气冲程将燃油喷入缸内,形成近化学计量比的混合气来实现均质燃烧。通过对典型工况的气缸压力的测量和分析,探讨了不同参数对甲醇发动机燃烧特性的影响。结果表明:甲醇缸内直喷发动机最大功率和最大扭矩比原机分别提高5.88%和20.90%,发动机最高热效率可达35.3%,远高于普通汽油机水平。甲醇缸内直喷发动机的滞燃期和急燃期随负荷的增加而变小。全负荷时,甲醇发动机的燃烧放热始点随转速的增大而推迟,滞燃期和急燃期随转速的增大而增加。发动机循环变动随工况的变化规律与滞燃期一致。

二级增压重型柴油机排放和燃烧特性的试验研究

在一台电控高压共轨柴油机上进行二级增压优化匹配,并以单级增压作为对比基准,分析了不同工况下二级增压柴油机的性能、排放与燃烧特性,研究了进气温度对其的影响。试验结果表明:相对单级增压,柴油机二级增压后低速外特性扭矩达到1 170N.m,烟度与燃油经济性改善幅度分别为99.3%和13.4%;二级增压能够提高EGR的引入能力,减小进气节流损失,并可显著改善中低转速、高负荷时NOx与烟度和燃油消耗率之间的平衡关系;在压气机特性图中二级增压柴油机的运行线远离喘振边界线;在各个工况下,进气温度升高使NOx比排放快速增加,导致柴油机NOx与烟度之间的平衡关系变差。

喷射时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响

针对甲醇发动机低温冷起动困难,在一台由1130单缸柴油机改造的直喷火花点火甲醇发动机上,利用商用CFD模拟软件AVL-Fire耦合甲醇氧化反应机理,通过电热塞将进气温度加热到283 K,研究了喷射时刻对甲醇发动机低温(266 K)冷起动燃烧及非法规排放的影响。结果表明:推迟喷射时刻能够改善缸内燃烧,使得缸内混合气能够得到较为充分燃烧,减小未燃甲醇排放,当喷射时刻由53°BTDC推迟到49°BTDC时,未燃甲醇排放显著减少;喷射时刻由57°BTDC推迟到49°BTDC时,甲醛排放增大,但当喷射时刻继续推迟到45°BTDC时,缸内最高燃烧温度超过1 200 K,使得甲醛快速氧化,甲醛排放显著减少。

高压喷射的高速直喷柴油机混合气形成及燃烧过程

为了有效组织燃烧室内气流特性,改进了车用缩口直喷高速柴油机燃烧室结构,并在此基础上基于CFD商用软件FIRE对匹配不同轨压的喷雾特性时燃烧室内气液混合流的速度场、浓度场和温度场的动态分布特性进行了仿真计算分析。研究了高速直喷柴油机的混合气形成规律,并通过试验研究了这种混合气形成特性对燃烧过程及排放特性的影响。结果表明:通过对缩口直喷燃烧室内气流特性和轨压的优化匹配,可以有效地控制燃烧过程的滞燃期、预混合燃烧比例和扩散燃烧过程,从而控制高温燃烧持续期,在保证经济性的前提下,可以有效地降低NOx和烟度排放。

直喷汽油机颗粒物生成及排放特性研究进展

通过对缸内直喷汽油机颗粒物生成机理、排放特性以及影响因素的研究进行综述,了解到直喷汽油机碳烟的生成主要源于缸内壁面油膜的池火燃烧和局部混合气过浓的影响,多环芳香烃是碳烟生成的主要前驱物;直喷汽油机颗粒物排放要高于进气道喷射汽油机以及装有颗粒捕集器的柴油机,并且与发动机运行及控制参数、混合气组织方式、燃油理化特性等有较大关系,通过优化燃烧组织措施,采用含氧燃料等方法能有效降低颗粒物排放.

喷嘴开启压力对DISI甲醇发动机燃烧和排放的影响

在1台经过改装的1.99L自然吸气缸内直喷点燃式甲醇发动机上,进行了喷嘴开启压力对发动机有效热效率、燃烧及排放影响的试验研究。在发动机转速为2 000r/min的各负荷工况下,选取7.5 MPa,12.5 MPa和17.5 MPa 3个喷嘴开启压力进行试验分析。结果表明:随着喷嘴开启压力的降低,发动机有效热效率、最大缸内压力和放热率略微增加,但是在小负荷工况下降低喷嘴开启压力,HC排放和CO排放显著增加,在大负荷工况下提高喷嘴开启压力会使NOx排放显著增加。

生物柴油/甲醇混合燃料对柴油机性能与排放的影响研究

在一台4缸直喷式柴油机上研究了超低硫柴油、生物柴油及后者与甲醇的混合燃料对发动机性能、气体及微粒排放的影响。生物柴油由餐饮废油制取,除单独使用外和甲醇按体积比90:10和80:20混合后使用。在最大扭矩转速1800 r.m in-1时,在5个不同负荷下,比较了不同燃料热效率及CO、HC、NOx以及微粒质量浓度,微粒的总数量及平均几何粒径。结果表明,和超低硫柴油相比,生物柴油及其和甲醇的混合燃料的热效率增加,NOx和微粒质量、数量浓度的排放降低,但HC、CO和NO2排放升高;同时,随着甲醇混合比例的增加,HC、CO和NO2的排放成比例增加,微粒的质量浓度及数量浓度进一步降低,热效率及NOx几乎保持不变。

直喷式柴油机燃用甲醇燃料的排放特性的研究

本文通过在1130单缸柴油机上燃用全甲醇的试验,研究了喷射正时、点火正时,喷嘴类型和喷嘴针阀开启压力对甲醇发动机排放的影响,并对甲醇发动机的废气排放水平做出了评价。试验结果表明,各种因素对甲醇发动机的排放都有较明显的影响。甲醇发动机可实现无烟燃烧,其NO_x排放量仅为柴油机的一半,且CO_2排放量也比柴油机低。

缩口燃烧室中气流特性与燃油喷雾匹配对柴油机燃烧及排放的影响

利用三维数值仿真软件FIRE,对缩口直喷燃烧室内气流特性与燃油喷雾以不同喷射时刻匹配时对缸内速度场、浓度场和温度场分布特性的影响进行了仿真分析。研究了燃油喷雾与不同燃烧室空间气流特性匹配时的混合气形成特点和燃烧过程,并对混合气形成特点对发动机性能的影响进行了试验研究。结果表明,缩口燃烧室内气流特性与燃油喷雾以不同喷油正时匹配时,直接影响柴油机的预混合燃烧过程、扩散燃烧过程以及燃烧速率。结构一定的燃烧室内气流特性与燃油喷雾匹配时,存在最佳喷射时刻,不仅能够有效地调整预混合燃烧和扩散燃烧的比例,而且能够有效地控制燃烧放热率图形心的位置,有利于节能和排放控制。

缸内直喷醇类燃料发动机的燃烧与排放特性

根据所测的示功图和排放,分析了一台采用火花点火、缸内直喷周向分层燃烧系统的发动机在燃用甲醇和乙醇时的性能和燃烧特性。研究表明,醇类燃料发动机的燃烧由预混燃烧与扩散燃烧组成,具有非常快的燃烧速率,而且非常稳定,ATDC(3°CA～6°CA)就燃烧完50%燃料,循环变动小于6%。与燃用乙醇相比,燃用甲醇时滞燃期较短,燃烧速率较快。由于采用分层燃烧,醇类燃料发动机具有与直喷柴油机相当的热效率,在负荷特性上,燃用醇类燃料时的NOx排放仅为柴油机的10%～40%,且能实现无烟燃烧,CO排放的增加低于1%,HC排放高于柴油机。

缸内高压直喷天然气发动机的怠速排放特性

以一台缸内高压直喷天然气发动机为对象,在不同柴油轨压力及天然气喷射提前角条件下对CO、HC及NOx的排放量进行试验研究.结果表明:当发动机处于怠速运转,天然气在上止点附近喷入气缸时,3种轨压力下CO排放量的差异较小;当天然气喷射提前角推迟到上止点后一定角度时,CO的排放量随着柴油的轨压力升高而降低,当天然气喷射提前角提前到上止点前一定角度时,CO排放量则呈现出相反的变化趋势;随着天然气喷射提前角增大,3种轨压力下CO的排放量均降低;HC排放量随着柴油轨压力的升高而增加,随着天然气喷射提前角的增大而降低,且当柴油轨压力从18 MPa升到24 MPa时,HC的排放量增幅较大;NOx的排放量随着柴油轨压力的提高而升高,随着天然气喷射提前角的增大而升高,且当柴油轨压力从12 MPa升到18 MPa时,NOx的排放量增幅显著.

缸内直喷参数对复合均质压燃发动机排放特性的影响

为了提高内燃机的热效率、降低排放,在一台由柴油机改造的均质压燃发动机上开展了正丁醇/正庚烷复合均质压燃试验。分别研究了缸内直喷时刻、直喷压力、直喷量及进气温度对发动机排放的影响,并对复合均质压燃模式下发动机的运行范围进行了对比分析。结果表明:随缸内直喷时刻推迟,CO和HC的排放先增加后减小再增加;随缸内直喷压力升高,CO的排放先升高后降低,HC的排放略有升高趋势;随总体混合气逐渐变浓CO的排放总体上有所降低,HC呈现先增后减的趋势;随进气温度不断升高HC与CO的排放均呈明显的下降趋势;NOx的排放总体处于较低水平。存在最优的直喷参数值,即φin=340°CA,pinject=6 MPa,λt=1.15,使得排放与热效率相对平衡且均获得优化。在复合均质压燃燃烧模式下,发动机运行范围得到了较为明显的拓展。

富氧下甲醇发动机冷起动燃烧及非法规排放

在一台经过1130单缸柴油机改造的直喷火花点火甲醇发动机上,利用商用CFD模拟软件AVL-Fire耦合甲醇氧化反应机理,通过模拟计算分析了进气氧质量分数对缸内直喷点燃式甲醇发动机冷起动首循环燃烧、甲醛及未燃甲醇非法规排放的影响.模拟结果表明:在冷启动工况下,提高进气氧质量分数能够有效提高活性基团OH、O和H的摩尔浓度,从而促进甲醇燃烧"链式"反应,加快甲醇燃烧速度,降低缸内未燃甲醇质量分数;当进气氧质量分数由0.21增加到0.36时,由于后燃现象导致缸内燃烧温度增大;随着进气氧质量分数进一步的增大,导致后燃现象减小,从而降低了缸内的燃烧温度;随着进气氧质量分数的增大,缸内的燃烧中间产物甲醛的质量分数增加,当进气氧质量分数增大到0.36时,此时缸内的燃烧温度达到最高点,从而能够很好地促进甲醛的氧化,最终使得缸内甲醛质量分数有所降低.

点火时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响

针对甲醇发动机低温冷起动困难,在1台由1130单缸柴油机改造而成的直喷火花点火甲醇发动机上,利用CFD模拟软件AVL-Fire耦合甲醇氧化反应机理,通过电热塞将进气温度加热到283K,研究了点火时刻对甲醇发动机低温(266K)冷起动燃烧及非法规排放的影响。结果表明:提前点火时刻能够使缸内混合气得到较充分燃烧,减少未燃甲醇排放,当点火时刻由8°BTDC提前到11°BTDC时未燃甲醇排放显著减少;提前点火时刻能够降低甲醛排放,当点火时刻提前到17°BTDC、缸内最高燃烧温度超过1 300K时,甲醛快速氧化,甲醛排放显著减少。