甲醇替代率对双燃料发动机燃烧及其循环变动的影响

为研究甲醇/柴油双燃料发动机甲醇替代率对燃烧及其循环变动的影响,通过在单缸柴油机上加装进气道甲醇喷射系统,进行了不同甲醇替代率的试验研究。研究表明,随着甲醇替代率增加,缸内着火时刻推迟,放热率双峰现象逐渐消失,放热率峰值、最高燃烧压力和最大压力升高率均增加。甲醇替代率对不同工况下指示热效率的影响不同,低速工况指示热效率随甲醇替代率的增加而降低,高速高负荷工况指示热效率随甲醇替代率的增加而略有增加。不同工况下的排放影响也存在明显差异,随甲醇替代率的增加,低速低负荷工况排放变化较小,而在高速高负荷下排放变化大。甲醇替代率对燃烧循环变动影响表明,低速低负荷循环变动随甲醇替代率增加而明显增加,当替代率增加至28.7%时,峰值压力的循环变动率增加2.5%,峰值压力对应曲轴转角分布也更加分散。     

柴油甲醇组合燃烧对机车柴油机排放性能的影响

对一台应用于机车的中速大型柴油机,按照柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)的要求,进行了相应的改造,以探究DMCC燃烧模式对其排放性能的影响。结果表明:在800 r/min@9 600 N·m工况下,掺烧甲醇后,NO_x比排放大幅降低,但过分提高甲醇替代率,则NO_x比排放会有所升高;CO₂比排放、燃料费用随甲醇替代率的升高而降低;当量油耗则先随甲醇的替代率提高而升高,随后降低;HC比排放随甲醇替代率提高有所升高。相比于原机,在800 r/min、9 600 N·m、-4° ATDC、35.9%替代率工况, NO_x比排放仅为3.15 g/(kW·h),最大降幅达到56.5%;DMCC模式,640 r/min@6 850 N·m工况下,随着供油提前角的推迟,NO_x、HC比排放降低,排气温度逐渐升高;中等替代率下最低油耗对应的供油提前角推迟,高替代率下供油提前角提前。     

柴油喷射压力对柴油/甲醇二元燃料发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台增压中冷电控共轨柴油机上,研究了柴油喷射压力对柴油/甲醇二元燃料(DMDF)燃烧和排放特性的影响。研究表明:柴油喷射压力较低时,DMDF模式压缩冲程的缸压要低于纯柴油模式,降幅随着甲醇替代率的增大而增大;而柴油喷射压力较高时,降幅较小,甲醇替代率为20%时的最大缸压要略高于纯柴油模式,且对应的最大放热率明显高于纯柴油模式和甲醇替代率为40%时。DMDF模式的NO_x排放量随着甲醇替代率的增加而降低,相同替代率时随着柴油喷射压力的增加而增加。CO和总碳氢(THC)排放量随柴油喷射压力的增加略有降低,随替代率的增加几乎线性增加。在低柴油喷射压力下,DMDF模式可以明显降低烟度,且排放量随着替代率的增加而减小,最多可减少约35%的碳烟排放。其他柴油喷射压力时,烟度随着甲醇替代率的增加而基本保持不变。     

机车中速柴油机应用柴油/甲醇二元燃料的燃烧特性研究

在一台机车中速柴油机上,采用进气歧管喷射甲醇的方式,研究了不同转速与负荷下柴油/甲醇二元燃料燃烧特性。研究结果表明:随着甲醇喷射量的增加,滞燃期延长,燃烧持续期缩短,中低负荷时燃烧呈单峰快速放热,高负荷下预混燃烧比例有所提高,但仍保持双峰放热规律;同时,二元燃料燃烧方式下的最高燃烧压力与压力升高率均高于原机,最高燃烧温度也随着甲醇喷射量的增加而升高;此外,二元燃料燃烧的热效率与负荷密切相关,在600r/min时有效热效率随着甲醇的喷入而降低,且随着替代率的升高其降幅加大,在33%替代率时下降了9.06%,但在1000r/min标定负荷时有利于热效率的提高,升幅达到0.36%。     

过量空气系数对甲醇/柴油反应活性控制压燃发动机性能的影响

对某高压共轨柴油机进气歧管进行改造,搭建了甲醇/柴油二元燃料反应活性控制压燃（reactivity controlled compression ignition,RCCI）发动机专用试验台架,系统地研究了最大转矩转速（1 600 r/min）、不同负荷下甲醇替代率和过量空气系数对发动机经济性与排放性能的影响规律。结果表明：中、低负荷下,随着甲醇替代率增大,有效当量燃油消耗率先降低后略微升高,有效热效率先增加后略微降低,排气温度降低;中高、高负荷时,随甲醇替代率增大,有效当量燃油消耗率和排气温度降低,有效热效率升高;负荷率75%下,甲醇替代率为30%时,有效当量燃油消耗率较纯柴油模式平均降低3.8%,有效热效率则平均升高6.7%。不同负荷工况下,随甲醇替代率增大,NO_x排放和烟度大幅降低,CO₂排放量减少,CO、甲醇和甲醛排放量增加。中、低负荷下,烯烃排放量随甲醇替代率升高而增加,中高、高负荷下则随替代率升高而降低。不同负荷、不同甲醇替代率下,随着过量空气系数减小,CO₂排放量和烟度增加,NO_x和C...     

废气再循环对二甲醚/甲醇均质压燃燃烧过程影响的试验研究

在单缸柴油机上进行了冷却废气再循环(EGR)对二甲醚(DME)/甲醇均质压燃(HCCI)燃烧过程影响的试验研究。结果表明,EGR对拓宽二甲醚/甲醇HCCI发动机的最大负荷作用不大;随着EGR率增大,主燃烧开始时刻和放热峰值明显后移,主燃烧持续期延长,放热峰值降低。EGR率为25%时的最大爆发压力比没有EGR时降低了近1.3 MPa,最大爆发压力出现的位置推迟了7°CA;EGR率增大,二甲醚/甲醇HCCI发动机的指示热效率升高。对应给定的EGR率,存在一个热效率较高的DME比例区间;HC和CO排放随EGR率的增大而增加,随DME比例的增加而降低,NOx排放接近于零。控制EGR率和DME比例是控制二甲醚/甲醇HCCI发动机燃烧过程、性能和排放的关键。     

柴油/天然气双燃料发动机柴油燃烧策略的研究

基于自主研发的第三代并行式柴油/天然气双燃料发动机电控系统,利用FIRE软件建立柴油/天然气双燃料发动机柴油喷射系统的多次喷射模型。同时,通过进气压力控制过量空气系数,实现柴油/天然气双燃料发动机稀薄燃烧方式。针对高负荷工况,研究了多次喷射策略和稀薄燃烧方式对双燃料发动机最大压力升高率及NOx排放的影响。结果表明:发动机工作在高负荷及柴油替代率为80%时,采用双燃料稀薄燃烧方式能使NOx排放降低,但最大压力升高率仍可能超过安全临界值1MPa/(°)。采用合适的预喷射量与预喷射时刻能降低最大压力升高率。通过多次喷射和稀薄燃烧方式相结合的燃烧策略对缸内燃烧方式进行组织,可以实现双燃料发动机高替代率燃烧,并使高负荷时NOx排放达到或者低于国Ⅴ标准限值。     

柴油/甲醇组合燃烧尾气中甲醛排放特性研究

在一台经过改装的压燃式组合燃烧发动机上,采用柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)模式进行了台架试验,利用气相色谱分析技术检测了发动机在1 800 r/min时尾气中甲醛的排放特性,研究了不同负荷、不同喷醇量对尾气中甲醛排放量的影响,同时研究了催化转化器对甲醛的转化效果.试验结果表明:在压燃式发动机上采用DMCC模式,低负荷运行时,尾气中甲醛含量随喷醇量的增大而增加,在甲醇对柴油的替代率为45%时,甲醛排放量达到170×10-6(体积分数);在中、高负荷运行时,甲醛排放量随喷醇量的变化趋势不是特别明显,在90×10-6以内.催化转化器对甲醛的转化效率与排气温度关系密切,当排气温度在290℃以下时,催化转化器可以有效降低甲醛排放量;当温度高于300℃时,催化后尾气中的甲醛排放量反而增加.     

甲醇不同替代比率对DMCC排放影响的试验研究

对比研究了加装氧化型催化转化器后,甲醇对柴油的不同替代比率条件下柴油/甲醇组合燃烧(DM-CC)系统发动机排放的差异.试验结果表明,为使DMCC发动机的Nox、THC和CO的综合排放最优,在低负荷时,替代率不宜超过22%;中等负荷时,保持35%的替代比率较为理想;大负荷时,替代率可以增加,但不宜超过50%.研究发现,起燃温度较低的氧化催化转化器对全面改善DMCC发动机排放起着非常重要的作用.本研究结果为使DMCC燃烧方式实现低排放提供了重要途径.     

甲醇预混合气F-T柴油引燃模式下发动机燃烧特性研究

为了提高甲醇在能量转化效率方面的优势,在一台CY25TQ型柴油机上,利用F-T柴油和煤基甲醇研究了甲醇占能比、F-T柴油喷油时刻对甲醇预混合气F-T柴油引燃燃烧方式下发动机燃烧特性的影响。试验结果表明:甲醇占能比增加,此燃烧方式滞燃期、持续期波动较大。在平均有效压力为0.45MPa下,缸内最大压力、瞬时放热率峰值、最大压力升率明显降低,最大降幅分别为26.40%、59.25%和58.00%。高负荷时,不同甲醇占能比下F-T柴油喷射时刻调整,能促进压升率进一步降低。与原柴油机扩散燃烧方式相比,虽然采用引燃喷射的双燃料发动机在中低负荷时的有效热效率有所降低,但是随着负荷增加,高负荷下的热效率比原柴油机高,最大提高了17.14%。     

天然气-柴油双燃料燃烧的微种群遗传算法数值优化

利用微种群遗传算法结合计算流体动力学(CFD)构建了数值优化平台,对一台天然气-柴油双燃料重型发动机在中速,低、中和高3个负荷下进行了多目标优化.结果表明:通过优化柴油两次喷射时刻、压力、首次喷油比例、预混能量比例(PES)和EGR比例,可以使发动机在3个工况下获得高效清洁的燃烧.在不超过最大爆发压力、最大压力升高率及排放设定限值的前提下,均可获得高于45%的热效率.随着负荷增加,所需PES及EGR率依次增大.柴油首次喷射较早,用来调节压缩余隙处的活性梯度,第二次在较晚时刻喷入活塞碗底部区域,在中、低负荷工况下,缸内呈现出活性控制压燃(RCCI)燃烧式的梯级顺序燃烧特性.在高负荷工况下,缸内一定程度上展现出柴油微引燃(DPI)燃烧式的燃烧特性.在所有工况下,缸内均发生多点式的着火燃烧.     

汽油/柴油双燃料HPCC在不同转速下的高负荷研究

在一台改造的单缸柴油机上研究了汽油/柴油双燃料高比例预混合燃烧(HPCC)模式,其中汽油由进气道喷射,柴油采用缸内直喷并引燃预混合气.以1,600,r/min为例,分析了影响负荷扩展的运行参数,通过增加油量并优化各运行参数直至达到如下限定条件即得出900～2,500,r/min下的高负荷优化点:NOx排放≤0.4,g/(kW.h)、Soot排放≤0.01,g/(kW.h)、MPRR(最大压升率)≤1,MPa/°CA以及COVIMEP(平均指示压力循环波动系数)≤10%.高负荷优化点的平均指示压力(IMEP)值在低、中和高转速下分别受NOx排放、MPRR及最大暴发压力的限制,且随着转速的升高而增大,在2,300,r/min获得最大值1.2,MPa.指示油耗率在1,900,r/min获得最低值为169,g/(kW.h).     

用汽油和甲醇燃油分层拓展HCCI燃烧高负荷的试验研究

在一台单缸HCCI发动机上研究了进气道喷射汽油缸内喷射甲醇形成汽油甲醇燃油分层的HCCI燃烧排放特性,探索了其拓展HCCI燃烧高负荷的潜力。试验结果表明:在汽油HCCI燃烧中喷射甲醇能够有效降低缸内混合气的温度,推迟着火时刻,延长燃烧持续期,从而降低压力升高率和缸内最高燃烧压力,有利于拓展HCCI燃烧高负荷。一定的HCCI负荷工况存在最佳的汽油甲醇比例,且汽油甲醇最佳比例随着负荷的增加不断减小。在最大压力升高率0.5MPa/°CA和较高的指示效率的限制下,自然吸气条件下采用汽油和甲醇燃油分层的HCCI燃烧最高负荷比汽油HCCI燃烧提高了近50%,达到0.62MPa。     

EGR和过量空气系数协同控制改善甲醇发动机部分负荷性能

通过一台柴油机改装的高压缩比(17.5)进气道喷射点燃式甲醇发动机,研究了废气再循环(EGR)和过量空气系数协同控制对甲醇发动机部分负荷经济性和排放性能的影响.结果表明:负荷越小,协同调节范围越宽,节油潜能越大,在1,400,r/min、50%,负荷时,甲醇消耗率降低幅值最大可达13.1%,,25%,负荷时甲醇消耗率最大可降低26.6%,;EGR率小于20%,或过量空气系数小于1.4时,协同控制对缸压峰值的影响较明显;当过量空气系数大于1.4后,甲醇发动机燃烧持续期急剧增加,循环变动迅速变大;与无外部EGR、过量空气系数为1相比较,合理利用EGR和过量空气系数协同控制,可以保证HC、CO排放值增幅不大且能有效降低NOx,甚至实现NOx的"零"排放.     

基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究

在电控气口喷射四冲程单缸试验机上,利用特殊设计的小包角配气凸轮,通过负气门重叠角实现了由内部残余废气控制的汽油HCCI燃烧,详细研究了气门定时参数对HCCI燃烧的影响.结果表明,就进排气门定时比较而言,排气门关闭时刻对内部EGR率和负荷的影响更大,而进气门开启时刻对HCCI燃烧的影响相对较小.在进排气门相位对称条件下,随着气门重叠负角的减小,最大压力升高率增加,着火时刻提前,负荷也增大.随着转速的增加,内部EGR率增加,排气温度升高,着火时刻也提前.通过调整气门定时,在不需要进气加热的条件下,可在转速880～4 000 r/min,负荷0.25～0.75 MPa（pIMEP）的范围实现HCCI燃烧.     

柴油/甲醇组合燃烧增压共轨发动机的燃烧特性和排放特性

在增压共轨发动机上采用柴油,甲醇组合燃烧(DMCC)方式进行燃烧特性分析和排放特性分析.对DMCC模式下放热率、缸内压力变化和p-V图的分析表明,DMCC模式具有吸热汽化、推迟着火时间、提高定容燃烧度、降低排气温度等优点,从而大幅度提高了燃料的燃烧效率.对M100(纯甲醇)和M90(含水10%的甲醇)的排放量进行检测,表明M90比M100更能降低甲醛、NOJ、HC和CO排放.     

废气再循环对二甲基醚均质压燃燃烧过程影响的试验研究

在一台单缸发动机上进行了废气再循环(EGR)对二甲基醚(DME)均质压燃(HCCI)燃烧过程影响的试验研究。结果表明，EGR比例小于20％对运行最大负荷工况范围影响不大；采用高比例EGR可以拓宽DME均质压燃运行工况范围，随着EGR率增大，HCCI运行的最大负荷工况增大，着火燃烧时刻推迟，燃烧放热率降低，缸内最大爆发压力降低，发动机热效率增大；EGR率小于75％，HC排放略有降低或相当，EGR率为75％时，HC排放显著增加；EGR率大于25％，随着EGR率增加，CO排放增大，小负荷工况尤其明显，在中高负荷工况，EGR率对CO排放影响较小。     

甲醇替代率及喷射正时对缸内直喷甲醇发动机的影响

为了满足内河Ⅱ阶段排放标准,更好地实现减碳战略目标,对6CS21船用柴油机进行甲醇燃料改装并开展整机试验。研究25%负荷下的甲醇替代率和甲醇喷射时刻对大缸径船用中速机性能、燃烧和排放特性的影响。结果表明在25%负荷下,10%替代率油耗水平较低,80%替代率排放和热负荷较低。将柴油喷射正时固定为上止点前10°,研究发现：当甲醇喷射时刻晚于柴油喷射时刻,为上止点前6°时,油耗水平较低,甲醇喷射时刻越晚热负荷越高;当甲醇喷射时刻早于柴油喷射时刻,为上止点前16°时,油耗水平较低,甲醇喷射时刻对热负荷影响很小。     

柴油/甲醇组合燃烧增压中冷发动机的甲醛及常规排放特性

为了研究柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)方式对发动机排放性能的影响,在增压中冷发动机上采用DMCC方式,对甲醛排放特性进行研究,另外在DMCC模式下对加装氧化催化转换器前后常规排放进行对比.结果表明:在各负荷下,甲醛排放均随着甲醇喷射量的增加而升高;在甲醇喷射量不变的情况下,甲醛排放随着负荷的增加明显降低.增压中冷发动机的NOx和碳烟及微粒排放同时大幅度下降,但HC和CO排放增加较多.加装氧化催化转化器后,HC和CO排放得到了大幅度降低,微粒排放也进一步减少.     

汽油/柴油双燃料发动机的低速高负荷扩展

在一台改造的单缸发动机上开展了进气道喷射汽油、缸内直喷柴油的双燃料燃烧模式的低速高负荷扩展研究.结果表明:汽油/柴油双燃料发动机高负荷工况需配合高比例废气再循环(EGR),当采用原机相同工况的进气压力时,由于进气量不足抑制了高EGR率的应用,导致高NO_x排放.通过提高进气压力,稳定燃烧对应的柴油喷油时刻范围变宽,汽油比例上限提高,降低了燃烧控制的难度.但由于汽油/柴油双燃料发动机的汽油高度预混合特性及直喷柴油引起的局部不均匀性,导致缸内最大压力升高率(MPRR)及碳烟排放偏高,限制了其向更高负荷的扩展.在提高进气压力的同时,通过提高汽油比例及EGR率,实现了在限定条件下向更高负荷的扩展及燃油消耗率的降低.相比于原柴油机,汽油/柴油双燃料发动机高负荷扩展的受限因素由进气增压前的高NO_x排放转变为增压后的高压力升高率.