基于Taguchi方法的多段预混压燃发动机喷油策略优化

在一台4缸柴油机上使用一种低辛烷值G80混合燃料(汽油和柴油的体积比为80∶20)进行了多段预混压燃(MPCI)模式的研究.通过Taguchi试验设计方法和方差分析,解析了喷油时刻、喷油比例等变量对燃烧和排放性能的影响,结果表明:指示燃油消耗率和NO_x排放主要受次喷时刻影响,碳烟排放主要受首喷时刻影响.基于上述结果,协同优化喷油时刻和喷油比例,实现了低于原柴油机的NO_x、碳烟排放和指示燃油消耗率.通过能量利用分析,发现低传热损失和低排气损失是G80压燃发动机获得高指示热效率的主要原因.     

低辛烷值高挥发性燃料直喷压燃宽运行范围的燃烧模式

在一台单缸柴油机上采用低辛烷值高挥发性汽/柴油混合燃料,在不同转速和负荷条件下对比了部分预混压燃(PPCI)和多段预混压燃(MPCI)等多种压燃模式的燃烧和排放特性,并在宽运行范围与原机柴油试验结果进行对比,以确定宽运行范围的最优燃烧控制策略.结果表明:试验用低辛烷值燃料能够在宽运行范围实现压燃模式的稳定运行;为使燃烧排放结果最优,低负荷区间应采用单次喷射PPCI模式,中、低转速(中、高负荷)采用MPCI模式,高转速(中、高负荷)采用多次喷射PPCI模式;宽运行范围内低辛烷值燃料可以实现NOx排放低于0.4,g/(k W·h)、碳烟排放低于0.5,FSN及最高压力升高率低于1,MPa/(°)CA;与原机柴油燃烧结果相比,低辛烷值燃料可以同时降低NOx和碳烟排放以及燃油消耗率,但CO和HC排放增加,循环波动系数也略有增加.     

两次喷射参数及EGR对汽油压燃(GCI)燃烧及排放的影响

在一台由6缸重型柴油机改造而成的单缸试验发动机上进行了汽油压燃(GCI)的试验研究,在较高负荷下研究了两次喷射间隔、EGR率、喷射压力对GCI燃烧和排放的影响.结果表明:较小的两次喷射间隔虽然碳烟排放相对较高,但更有利于缩短第2次喷射的滞燃期、降低第2段预混放热速率和控制压力升高率;提高第1次喷射比例虽然会导致THC、CO升高,但可以获得更低的NO_x和碳烟排放,同时对最大压力升高率降低作用更加显著.因此,控制适当小的两次喷射间隔和适当大的第1次喷射比例可以在有效降低最大压力升高率的前提下获得良好的综合排放效果.增大EGR率可以有效降低NO_x排放,但对碳烟排放、指示热效率及最大压力升高率控制不利,所以要根据排放控制需要合理选择.适当提高喷射压力可以大幅降低碳烟排放,CO和THC排放也有所改善,有利于汽油压燃清洁燃烧的实现.     

电喷汽油机燃用低比例甲醇汽油的试验研究

在电喷汽油机上燃用低比例甲醇汽油混合燃料与燃用93#汽油进行对比试验研究。试验结果表明,汽油机燃用M15,M25混合燃料均比燃用93#汽油输出功率高,增幅为3．1％～7．7％;M15当量油耗率与93#汽油油耗率基本相等,M25当量油耗率降幅较为明显,最大降幅达16．8％;混合燃料有效热效率高于93#汽油;混合燃料比93#汽油CO放稍有降低,HC排放降低明显,NOx排放在中低负荷时有所改善,在大负荷时排放增加。     

油嘴喷射锥角对柴油可控预混压燃燃烧特性的影响

进行了在柴油可控预混压燃燃烧模式下,油嘴喷射锥角对燃烧与排放的影响研究.实验结果表明,采用155°和125°喷射锥角的油嘴,改变多脉冲喷射定时可控制预混燃烧放热幅度,影响NOx与HC和CO排放的折衷关系.在3次和6次多脉冲喷射条件下,采用125°油嘴能获得更低的NOx和HC排放.特别是采用6次脉冲喷射模式,即使在较早的喷射定时(130°CA BTDC)下,仍能保证较低的HC和CO排放.研究表明,通过减小油嘴喷射锥角、增加脉冲喷射次数和大幅度提前喷射定时,能够在获得低NOx排放的可控预混燃烧过程的同时,保证HC和CO排放只有小幅增加.     

重型柴油机部分预混压燃模式的燃烧与排放特性

在一台6缸涡轮增压重型柴油机上,基于单次喷射方式,通过调节喷油正时,结合EGR技术,实现了柴油机的部分预混压燃,分析了其燃烧放热特性随喷油正时、EGR、喷射压力和负荷的变化,研究了影响控制混合期与滞燃期的因素及其影响规律.结果表明:部分预混压燃(PPCI)燃烧模式兼具预混燃烧和低温燃烧的特征,是碳烟和NOx同时降低的重要因素,但低温燃烧和稀薄的混合气易于导致燃烧不完全,喷油推迟较晚时引起HC和CO排放显著增加,并引起燃油消耗率增大.这种PPCI模式下,提高喷射压力对NOx和碳烟排放的影响作用不明显,单纯增大喷油压力并不能改善PPCI模式的燃油经济性.当负荷提高至50%以上时,对于早喷预混模式已呈现扩散燃烧阶段,导致NOx和碳烟排放均增大.     

多次喷射策略对正戊醇-柴油混合燃料燃烧及有害排放影响的模拟研究

为了揭示含氧燃料与喷油策略耦合对发动机燃烧、性能和排放特性影响的机制,基于三维仿真软件CONVERGE,耦合化学反应动力学机理,研究了正戊醇—柴油混合燃料在不同喷射策略下燃烧与有害排放物的生成过程。结果表明,正戊醇促进了燃烧过程,燃用正戊醇—柴油混合燃料时,缸内最高燃烧压力和燃烧放热峰值增大,发动机平均指示压力（indicated mean effective pressure,IMEP）升高,CO、总碳氢化合物（total hydrocarbons,THC）和碳烟排放降低,但NOx排放升高。采用大比例预喷射策略可以促进主喷燃烧过程,提高缸内温度,增大IMEP,但导致CO及THC排放升高,而小预喷间隔会导致碳烟排放增加。后喷射策略导致发动机IMEP降低,但可以降低NOx排放。在小后喷间隔下碳烟排放显著降低,但在大后喷间隔下碳烟排放明显升高。研究表明,正戊醇柴油混合燃料采用大预喷间隔及小后喷间隔的3次喷油策略,能够获得最高的IMEP及最低的有害物排放。     

直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究

基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,基于不同的燃油总量、直喷汽油量、预混汽油油量和汽柴油喷射时刻等参数,展开了缸内直喷汽油对反应活性控制压燃(RCCI)燃烧模式高负荷拓展影响的研究。结果表明:进气压力及柴油喷射时刻会影响缸内浓度分层进而影响燃烧过程,而汽油喷射时刻影响不明显;在汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略下,增加缸内直喷汽油量可以进一步增强缸内的混合气浓度分层,延长燃烧持续期,降低缸内的最高燃烧压力和压力升高率,实现更低的燃烧温度。仿真计算结果显示:若保证碳烟和NOx排放在限值内且油耗有所降低,可将平均有效指示压力(IMEP)拓展至1.6MPa;将IMEP拓展到1.7MPa后,增加汽油的预混比例并不能提高IMEP,但对排放略有改善,相应的压力升高率和燃烧压力提高。     

汽油和乙醇预混对柴油机燃烧与排放影响的试验

基于一台单缸柴油机,分别采用进气道喷射汽油和乙醇的预混方式,通过调节不同负荷下喷射汽油/柴油和乙醇/柴油燃料比例,以研究其对发动机燃烧与排放的影响.结果表明,低负荷下采用汽油或者乙醇预混,缸内最高燃烧压力降低,实现较为缓和的燃烧放热,均可以同时降低碳烟(Soot)和NOx,但HC和CO排放增加.较高负荷下随着预混比例增大,放热更加剧烈,缸内最大爆压升高.滞燃期随燃油预混比例增大而增大,但增大幅度随负荷增大而逐渐减小.与汽油预混方式相比,采用乙醇预混的方式滞燃期增大更加明显,且燃烧温度较低,在较高负荷下仍能实现较为缓和的燃烧放热,表明采用乙醇预混的方式有利于向高负荷拓展.     

低温预混合燃烧模式的燃烧与排放特性试验研究

在一台电控高压共轨涡轮增压柴油机上研究了低温预混合燃烧模式对柴油机燃烧及排放的影响。采用早喷或晚喷预混方式,结合高废气再循环(EGR)率实现低温预混合燃烧,并研究了喷油正时、EGR、喷油压力和负荷率变化对预混燃烧模式的放热规律、排放特性和经济性的影响。研究结果表明:长的燃空预混合期是实现缸内预混燃烧的一个关键因素,中低负荷时,无论是早喷或晚喷预混模式,均具有长预混合期,短的扩散燃烧过程,兼具预混燃烧和低温燃烧的特征,高负荷下扩散燃烧比例增大;晚喷预混燃烧模式下,碳烟和氮氧化物(NO_x)排放同时获得降低,但低温燃烧和稀薄的混合气易导致燃烧不完全,喷油推迟较晚时引起HC和CO排放显著增加,并导致燃油消耗率增大;增加喷油压力可以同时改善碳烟、CO和HC排放,但是NOx排放增加,单纯提高喷射压力并不能获得性能的全面提高。     

两次喷射策略对汽油/聚甲氧基二甲醚高预混燃烧及排放的影响

在一台改造的单缸柴油机上进行了预主喷两次喷射策略对汽油/聚甲氧基二甲醚(PODE)高预混合燃烧(HPCC)影响的试验研究。研究结果表明:预主喷两次喷射策略能缩短主喷滞燃期,提前着火时刻;预主喷间隔较小或较大时,汽油/PODE HPCC燃烧放热率峰值较低;预主喷间隔为35°时燃烧放热率峰值最高,放热更加集中。预喷比例越大,预主喷间隔和主喷时刻对最大压升率和指示热效率的影响越大。通过预主喷两次喷射策略优化,可以显著提高汽油/PODE HPCC燃烧的指示热效率,减少碳氢和碳烟排放,但最大压升率有所增加。高负荷时,汽油/柴油HPCC因为碳烟排放的限制,适合采用两次喷射策略;汽油/PODE HPCC受限于最大压力升高率,更适合采用单次喷射策略。     

混合燃烧时汽油含量对发动机燃烧和排放的影响

在高压共轨增压中冷压燃式柴油机上加装汽油进气道喷射系统,试验研究汽柴油混合燃烧时汽油的质量分数对发动机燃烧和排放的影响。结果表明:发动机转速为1738 r/min时,随着汽油质量分数的增加,不同负荷下发动机的燃烧呈现不同的趋势,滞燃期变长,燃烧持续期变短,发动机燃烧的等容度和最大压升率增加;随着汽油质量分数的增加,碳烟和NO_x的排放大幅度减少,但是HC和CO的排放大幅升高,需加装柴油氧化催化(diesel oxidation catalyst,DOC)以降低HC和CO的排放。     

柴油/汽油反应活性控制压燃发动机喷油协调控制与排放特性研究

对某4缸高压共轨柴油机进气道进行改造,搭建了柴油/汽油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,设计了柴油/汽油双燃料RCCI燃烧汽油喷射控制策略,实现了全工况下汽油与柴油的协调喷射控制,系统地研究了不同运行工况下,不同汽油替代率对柴油机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:采用柴油/汽油双燃料RCCI燃烧控制策略,发动机可在其运行工况范围内实现高效清洁燃烧,随着汽油替代率的增加,发动机缸内最高压力逐渐增大,缸压峰值出现时刻推迟,放热率峰值降低,燃烧持续期延长,燃油消耗率降低,有效热效率升高,全碳氢、CO排放增加,NOx和碳烟排放降低。     

多次喷射与EGR耦合控制对柴油机性能和排放影响的试验研究

在一台电控共轨柴油机上,进行了多次喷射和EGR的耦合控制对柴油机的燃烧和排放特性影响的试验研究。在试验工况下(1849r/min、600N.m),通过调节EGR率将NOx控制在2.0g/(kW.h),研究不同喷射策略和EGR对性能和排放的影响。研究结果表明,单次喷射不同主喷定时下将NOx控制在2.0g/(kW.h)所需要的EGR率随主喷定时的推迟而降低,碳烟先下降后上升。在试验工况下预喷射改善排放的效果不明显,优化的后喷参数可以显著降低碳烟排放。与单次喷射相比,多次喷射耦合EGR控制可以显著地降低碳烟排放,油耗率变差,HC和CO有所上升。因此,喷油控制策略的选择取决于后处理器对原始排放值的要求。     

缸内双直喷系统压燃式发动机燃用甲醇和乙醇的性能比较

在双喷射系统的压燃式发动机中，用一个喷射器喷射乙醇或甲醇作为主要燃料，另一个喷射器喷射作为引燃着火源的柴油，开展了负荷特性下的性能和排放试验。试验结果表明，在相同功率下，燃用乙醇的发动机比燃用甲醇的发动机燃油经济性要好，但其NOx烟度、THC和CO的排放较高。     

基于汽油/柴油双阶段燃烧模式对低温阶段燃烧及排放性能的影响

在一台高压共轨柴油机进气总管上加装汽油喷射系统,汽油采用进气道喷射形成预混合气,柴油采用缸内大角度预喷并引燃汽油.试验以降低NOx排放和消光烟度为主要目标,探究汽油/柴油双阶段燃烧模式的汽油喷射量、柴油预喷正时、柴油预喷量对低温阶段燃烧及排放特性的影响,并通过对燃烧、排放及经济性综合考量构建喷油参数优化策略.结果表明:引入汽油后的燃烧过程呈现两阶段放热,实现了柴油着火时刻可控;增加汽油喷射量可以有效强化缸内油气混合,使主放热率峰值升高,有助于燃烧完全;该燃烧模式的低温阶段避免了传统柴油机NOx和消光烟度出现的折中关系,消光烟度处于低水平范围,均低于3%,;适度提前柴油预喷正时或减少柴油预喷量能同时降低NOx排放和消光烟度,但CO和HC会出现一定程度恶化.     

EHN添加对柴油-正丁醇混合燃料燃烧和排放特性的影响

在柴油-正丁醇混合燃料(正丁醇体积含量为40%)中添加了2%的硝酸异辛脂(EHN),并与柴油、柴油-正丁醇燃料做了燃烧和排放特性的对比。研究结果表明:EHN的添加可缩短滞燃期,降低缸内最高燃烧压力,燃烧噪声与纯柴油达到同一水平。在高废气再循环(EGR)率下,NOx排放增加,NO2所占比例升高。和纯柴油相比,碳烟排放峰值降低了80%,即EHN添加解决了低十六烷值含氧燃料在压燃发动机上的燃烧噪声和碳烟排放这一新的矛盾。EHN添加对CO和THC排放影响的规律相似,高EGR率时CO和THC排放都增加,且CH4比例急剧升高。     

宽馏分燃料对柴油机低温燃烧影响的试验研究

通过将汽油和柴油掺混配制成不同比例的宽馏分燃料,在一台单缸柴油机上进行宽馏分燃料对柴油机低温燃烧影响的试验研究.结果表明,十六烷值是影响柴油机低温燃烧的主要因素,挥发性对燃烧特性影响相对较小;较高汽油比例的宽馏分燃料由于十六烷值降低更明显、滞燃期延长,可以较明显改善低温燃烧的碳烟排放.在汽油比例较高时,由于挥发性提高较明显,能够对碳烟排放起到一定的改善作用.在宽馏分燃料中随着汽油比例的增加,燃烧速度加快,指示热效率略有提高.宽馏分燃料对NOx、CO和THC排放的影响比较小,在高EGR率条件下可以实现超低NOx排放,但此时CO与THC排放问题有待解决,并且汽油比例较高的宽馏分燃料THC排放更高.     

汽油/柴油双燃料高比例预混压燃燃烧与排放的试验

对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)模式的燃烧及排放特性进行了初步的试验研究.结果表明,通过改变柴油的喷射时刻、汽油比例,HPCC呈现出由多种燃烧模式组成的复合燃烧模式,可以实现极低的NOx和碳烟排放,并能保持较高的热效率.试验工况下,汽油比例为50%时,柴油喷油时刻在-58～-6,°CA ATDC时热效率较高,喷油时刻在-49,°CA ATDC和-16,°CA ATDC时分别出现碳烟和NOx排放峰值.进气压力影响HPCC着火滞燃期、燃烧反应速度和"失火"与"爆震"燃烧汽油比例限值,提高进气压力可以提高汽油比例,实现超低的NOx和碳烟排放,并降低HC排放,但CO排放有所升高.随着汽油比例的增加,NOx与碳烟排放降低,对于IMEP为0.5,MPa、汽油比例大于50%时,两者的原始排放分别低于0.4,g/(kW.h)、0.06,FSN,但HC和CO排放升高.     

高辛烷值燃料对HCCI增压发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台经改装的4缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)和93号汽油的进气增压(pin)对均质压燃(HCCI)燃烧特性、性能和排放影响的试验研究.结果表明,进气压力增加,发动机缸内最大爆发压力提高,着火时刻提前.增压后,RON对PRF着火时刻的影响减小,汽油的着火时刻滞后于PRF.进气压力增加,HCCI正常运转工况范围向大负荷和小负荷区域都得到拓展.增压后汽油燃料所能达到的最大负荷比PRF高.相同供油量下,进气压力提高,燃烧效率和净指示热效率先增大后减小;最高燃烧效率和净指示热效率均增大.进气压力增加,HCCI发动机的HC和Nox排放降低,CO排放升高.增压后,RON对PRF的HC、CO和Nox排放影响变小,汽油的HC、CO和Nox排放较PRF高.