Experimental Investigation for NO_x Emission Reduction in Hydrogen Fueled Spark Ignition Engine Using Spark Timing Retardation, Exhaust Gas Recirculation and Water Injection Techniques

The experimental tests were carried out on a single cylinder hydrogen fueled spark ignition(SI)generator set with different spark timings(4-20℃A bTDC),exhaust gas recirculation(EGR)up to 28% by volume and water injection up to 1.95 kg/h(maximum water to fuel mass ratio of 8:1).The engine speed was kept constant of 3000 r/min.The NOx emission and thermal efficiency of engine with gasoline and hydrogen fuel operation at 1.4 kW power output are 5 g/kWh and 12.1 g/kWh,and 15% and 20.9% respectively.In order to reduce the NOx emission at source level,retarding spark timing,exhaust gas recirculation(EGR),and water injection techniques were studied.Nox emission decreased with spark timing retardation,EGR,and water injection.NOx emission with hydrogen at 1.4 kW power output decreased from 12.1 g/kWh with maximum brake torque(MBT)spark timing(10℃A bTDC)to 8.1 g/kWh with retarded spark timing(4℃A bTDC)due to decrease in the in-cylinder peak pressure and temperature.The Nox emission decreased to 6.1 g/kWh with 20% EGR due to thermal and chemical dilution effect.However,thermal efficiency decreased about 33% and 17% with spark timing retardation and 20EGR respectively as compared to that of MBT spark timing.But,in the case of water injection,the NOx emission decreased significantly without affecting the thermal efficiency of the engine and it is 5.6 g/kWh with water-hydrogen ratio of 4:1(water flow rate of 0.92 kg/h).Water injection is the best suitable method to reduce the NOx emission in a hydrogen fueled engine compared with the spark timing retardation and EGR technique.

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。

氢发动机性能的改进

本文论述了氢发动机的最新研究成果，着重描述了氢的储存和混合气形成及点火等技术问题，并提出了相应的措施。试验表明，采用氢的高压喷射、火花点火，并调整最佳点火正时。

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。

电控低压喷射小型汽油机燃烧与排放特性分析

以168F汽油机为样机,采用自主开发的通用小型汽油机低压电控燃油喷射系统,按照美国EPA排放试验循环工况,对35 k Pa、70 k Pa和0.3 MPa喷射压力下发动机燃烧特性与排放特性进行试验研究。得出小型汽油机采用不同喷射压力喷油,可通过喷油脉宽控制使各工况点过量空气系数无明显差异,能实现以低排放为目标开环控制的电控低压喷射并能优化汽油机的综合性能。降低喷射压力,发动机标定工况缸内最大爆发压力略有降低,最大爆发压力对应曲轴转角推迟。随着喷射压力降低,燃烧持续期略有增加,缸内最高燃烧温度下降,CO排放值几乎保持不变,HC排放值呈上升趋势,NOX排放值则呈下降趋势,有效燃油消耗率略有增加。用喷油压力分别为35 k Pa、70 k Pa和0.3 MPa喷油,CO比排放分别为259.9、258.5和258.3 g/(k W·h);HC+NOX比排放分别为7.41、7.35和6.99 g/(k W·h)。相对于使用化油器供油的原机而言,电控样机整机动力性不变,排放和经济性能明显提高。采用35k Pa的低压电控喷射系统小型汽油机能满足美国EPAⅢ排放法规限值要求,起动性能、运转稳定性明显改善,能降低整机电控系统的成本,可推动整个通用小型汽油机行业电控化发展。

直喷式氢内燃机缸内混合气分布及点火位置

氢气以其更低的点火能量需求,宽广的可燃性范围,更高的燃烧速度和几乎零排放的特性成为了一种重要的点燃式内燃机代用燃料。缸内直喷作为一种高效的氢气供给方式,以其热效率高、升功率大、不易出现回火等优点成为氢发动机的重要研究方向。通过仿真的方法研究直喷式氢内燃机缸内混合气分布及点火位置。首先利用纹影试验法拍摄喷氢过程并与仿真喷射过程进行对比,用以证明氢气仿真结果能够很好地预测氢气喷雾发展过程。然后建立真实发动机几何模型,用以研究缸内混合气形成,并对缸内几个特征位置的氢气浓度进行分析,发现火花塞远离喷嘴安装更有利于点燃燃烧。

喷油时刻及压力对直喷式汽油机低速早燃的影响

通过一台单缸增压直喷汽油机,对比了低速早燃和正常燃烧的循环特征、压力振荡强度和振荡频率,开展了不同喷油时刻和不同喷油压力对低速早燃频次及强度影响的试验.结果表明:低速早燃由于自燃时刻不同可以引发普通爆震和超级爆震,超级爆震发生时可能伴随有超声速的冲击波或爆轰波产生.推迟喷油时刻,低速早燃频次呈现先增加后降低的趋势.喷油时刻由300°,CA BTDC推迟到240°,CA BTDC时,低速早燃和超级爆震频次分别降低了96.0%,和88.2%,,超级爆震强度也显著降低.喷油压力从6,MPa提高到12,MPa会导致低速早燃频次增加,继续提高喷油压力,低速早燃和超级爆震频次均有所降低.喷油时刻及压力的改变会导致气缸壁机油稀释和碳烟颗粒物排放发生变化,因而推测上述两种物质均有可能导致低速早燃发生.

不均匀喷注对火箭发动机点火过程的影响研究

高空点火瞬态过程是液氧/甲烷火箭发动机工作过程中流动非常复杂、燃烧很不稳定的阶段。为了验证喷注流量不均是否为导致点火压力峰升高的重要因素,采用瞬态仿真对该过程进行数值模拟。在无喷注不均的情况下,得到了推力室各特征截面的温度和压力分布的时序演化,以及推力室侧壁及喷注器面上给定测点的压力分布时序,揭示了高空点火过程中着火点的位置特征及压力波在喷注器面的振荡过程。接下来设置了喷注流量不均的多种工况,发现喷注流量不均不会改变推力室侧壁最大压力峰值,只是改变最大压力峰值位置,但却明显增强了压力波对喷注器面的冲击,尤其使以隔板为界的内圈喷嘴所受的平均最大压力峰值达到了推力室稳态压力的30倍,从而验证了喷注流量不均是引起点火烧蚀的一个重要因素。