预喷射对增压柴油机高负荷燃烧和排放的影响

应用CFD模拟软件FIRE针对车用增压柴油机在高负荷工况下采用预喷射策略的缸内工作过程进行了数值计算,并分析了预喷射量和预/主间隔角对燃烧过程和排放的影响.研究结果表明,随预/主间隔角和预喷射量的增加燃烧始点提前,主喷燃油的燃烧速率加快,燃烧重心和终点提前,致使缸压峰值、放热率峰值和温度峰值均有所升高和前移;同时,对于NOx和碳烟,预喷射量和预/主喷射间隔角存在两个界限,在两个界限之内能获得较好的NOx和碳烟的折中关系,并且这两个界限与预喷射量和预/主喷射间隔角存在着一定的关系,当预喷射量和间隔角较小时碳烟生成量较高,而预喷射量和间隔角过大时NOx生成量急剧增加.     

电喷柴油机优化燃烧和排放的数值模拟

应用三维CFD模拟软件FIRE,对1台6106柴油机在不同预喷油量,主预喷定时和主预喷间隔的条件下的喷雾与燃烧过程进行了数值模拟。通过分析缸内压力和温度变化以及燃烧产物的质量分数,研究了预喷射参数对燃烧过程及NOx和碳烟的影响。结果表明:采用不同预喷射策略,可有效降低缸内燃烧压力,优化柴油机的排放。随着预喷油量的增加,NOx变化不大,烟度(Soot)逐渐增加;随着预喷定时的提前,Soot生成量变化不大,NOx排放逐渐增加。     

喷射策略对柴油转子发动机缸内燃烧过程的影响

针对直喷式柴油转子发动机缸内工作过程,基于FLUENT软件建立了耦合正庚烷简化机理的二维计算模型,并利用文献数据验证了模型的可靠性。设定喷射持续期不变,对比分析了单次或二次喷油时喷射时刻对燃烧过程的影响。研究结果表明:单次喷射时,缸内压力和缸内温度随喷射时刻的推迟而逐渐提高;喷油提前角为40°CA时CO生成量较高而NO生成量最低。二次喷射时,设置预喷时刻为-40°CA,随着主喷时刻的推迟缸内压力变化不大,CO生成量逐渐降低;当预喷时刻为-40°CA,主喷时刻-8°CA时,与单次喷射时刻为-40°CA相比,保持了较高的缸内压力,CO生成量降低了25%以上,NO生成量有所升高。     

喷油参数对丁醇/柴油混合燃料燃烧及排放影响

针对高压共轨柴油机,研究了不同喷油压力和主预喷间隔角度下,正丁醇/柴油混合燃料对压燃式发动机燃烧及颗粒物排放的影响规律.结果表明:柴油中掺混正丁醇后,滞燃期延长,预混合燃烧量增加,燃烧持续期缩短,碳烟及颗粒物排放大幅降低,微粒粒径减小,核态微粒比例增加,NO_x排放变化不大.喷油压力由80MPa提高至100MPa,混合燃料消光烟度明显降低,继续提高喷油压力不但对碳烟排放降低作用减弱,还会进一步造成NO_x排放增加,同时核态微粒数量明显增加.主预喷间隔角度过小会造成主预喷燃油燃烧重叠,使碳烟排放增加,随主预喷间隔角度增加,总微粒、积聚态微粒数量浓度明显降低,核态微粒比例增加,当主预喷间隔角度增大到20°CA后,继续增大主预喷间隔角度对碳烟排放降低作用不明显.     

基于两段燃油喷射的LTC燃烧影响因素的试验研究

基于两段燃油喷射,利用主喷射产生均质混合气,并利用触发喷射来引燃,实现了低温燃烧(low temperature combustion,LTC)。针对两段燃油喷射LTC燃烧模式,研究了主喷射和触发喷射的喷油量比例及主喷射提前角对LTC燃烧的影响。试验结果表明:触发喷射可以有效地控制LTC的燃烧相位,并可以有效拓宽主喷射提前角范围。主喷射提前角对LTC燃烧有很大影响,喷射过早会导致过多的燃油附壁,且缸内的温度压力较低不利于混合气形成;喷射过迟会导致主喷射与触发喷射间隔太小,主喷燃油没有足够的时间形成均质混合气,排放增加。针对不同的喷油比例优化主喷提前角可以实现燃烧相位的有效控制,并能够降低排放。     

燃油喷射参数对发动机燃用生物柴油BD20燃烧特性的影响

以满足国-Ⅴ排放的某增压中冷高压共轨柴油机为试验样机,系统分析了预喷、主喷、后喷对该机燃用生物柴油BD20滞燃期、燃烧持续期、缸内压力、瞬时放热率、累计放热率、压力升高率等燃烧特性的影响。结果表明:滞燃期受预喷射和主喷射影响较大,后喷对滞燃期基本没有影响,且滞燃期随预喷油量的增加而变短,随预喷间隔角的增大呈先缩短后增长的变化趋势;主喷定时对燃烧持续期的影响较大,主喷定时推后,燃烧持续期缩短;发动机采用预喷可以使燃烧变得相对柔和,且预喷油量对缸压的影响大于预喷定时;发动机采用后喷,主燃烧前期和中期的燃烧特性参数基本没有变化,燃烧后期缸内压力降低且压力升高率及放热率增加,后喷提高燃烧后期的缸内温度;采用较大的预喷间隔角和适当提前主喷正时可以显著改善燃用BD20时的动力性,而预喷油量及后喷射对动力改善不明显。     

喷油策略对汽油压燃燃烧及碳烟生成过程影响的数值模拟研究

基于三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE,耦合甲苯掺比燃料(toluene reference fuel,TRF)简化动力学机理及多步现象学碳烟模型,建立汽油压燃(GCI)的数值模拟模型。通过改变气道喷射比例、主喷时刻和预主喷间隔研究了高负荷条件下气道喷射结合缸内直喷的喷油策略对GCI燃烧及碳烟生成过程的影响。研究结果表明,增加气道喷射比例、提前主喷时刻和增大预主喷间隔都能够缩短燃烧持续期,使放热更为集中,从而降低碳烟排放;改变气道喷射比例对碳烟成核及表面生长有较大的影响,主喷时刻提前能够提高氧化速率。当气道喷射比例为40%,主喷时刻为-8°,预主喷间隔为15°时,碳烟排放为0.015 1g/(kW·h),相比试验基准工况降低了33.8%,而最大压升率也控制在可接受的范围内。     

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。     

预喷正时对柴油机燃烧与排放影响的试验研究

通过台架试验,分析对比柴油机各参数随预喷正时的变化,研究多次喷射预喷正时对柴油机燃烧和排放性能的影响。试验表明,预喷正时决定缸内燃烧的放热始点和放热率,影响缸内的燃烧温度、爆发压力、NOx排放和碳烟的生成,预喷正时为20°时,爆发压力最大;预喷正时为35°时,热效率最高,油耗率和烟度最低;预喷正时为45°时,NOx排放最小。综合分析选择预喷正时40°作为折中优化方案,降低发动机油耗和NOx、碳烟排放,同时提高发动机的热效率。     

后喷策略对柴油机瞬变过程高负荷工况性能的影响

为了改善柴油机瞬变高负荷工况下缸内燃烧恶化和烟度骤升的问题,以8.6L车用重型柴油机为对象,开展了燃油后喷策略对瞬变工况性能的影响研究。试验研究了在柴油机瞬变过程的高负荷工况段加入后喷时不同后喷参数对瞬变工况性能的影响,并利用模拟手段分析了后喷对缸内燃烧状况、缸内气体的流动和碳烟排放的影响和作用机理。为了更好地说明缸内气体混合情况,引入氧气驱动能量这一概念。研究结果表明:在主喷燃烧阶段,氧气驱动能量对混合气的形成起主导作用;随着后喷油量增多,缸内气体扰动增加,缸内稀混合气比例增加,放热率第二峰值和第三峰值均提高且相位前移;后喷油量对NO_x排放影响较小。综合考虑指示热效率和碳烟排放,对于瞬变过程90%负荷工况,主后喷间隔为4°曲轴转角且后喷量25%时排放效果整体最佳。     

预喷策略对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

通过一台6缸直喷、高压共轨柴油机改装成的柴油引燃天然气发动机.试验研究预喷正时和预喷油量对燃烧参数和性能参数的影响,结果表明:相对单次喷射,较晚的预喷正时(30°CA BTDC)能提高发动机有效热效率(BTE),降低HC、CO排放,但NOx排放恶化,而较早的预喷正时(60°CA BTDC)能够在提高发动机BTE的同时,降低HC、CO排放,并且NOx排放基本保持不变;当预喷正时为60°CA BTDC,预喷油量适当增多(3~5 mg/cyc)能进一步提高发动机BTE,降低HC、CO和NOx排放;预喷油量进一步增加(6~7 mg/cyc),NOx排放恶化,并且由于着火相位波动导致燃烧稳定性变差.改善双燃料发动机燃烧和排放特性一方面要增加预喷柴油在可燃混合气中的分布,增大柴油与可燃混合气混合的时间,改善混合气的活性,进而提高燃烧速率;另一方面要强化主喷柴油喷射对着火相位的控制,防止着火相位不一致而恶化燃烧稳定性.     

船用直喷式天然气发动机喷射策略的优化

利用CONVERGE软件基于L23/30DF型船用天然气发动机建立了双天然气喷嘴、双引燃柴油喷嘴的直喷天然气发动机的缸内燃烧过程的CFD计算模型,计算了不同的柴油和天然气喷射时刻和间隔下发动机缸内燃烧和排放过程.结果 表明:引燃柴油的喷射时刻及其与天然气喷射时刻的间隔,对直喷式天然气发动机燃烧和排放性能有重要影响.当喷...     

基于轻型柴油车的柴油机氧化催化器入口温度升温特性及策略研究

选取了高、中、低负荷的3个典型工况,研究了进气节流及喷油策略对柴油机缸内燃烧过程、排放性、经济性及柴油机催化氧化器(diesel oxidation catalyst,DOC)入口温度的影响,得到全工况区域的DOC入口温度的升温策略。试验结果表明:随进气节流阀开度减小,进气流量降低,压缩压力下降,燃烧始点滞后,最高燃烧压力下降,循环指示功降低;HC排放得到抑制,其他排放恶化;DOC入口温度得到有效提升,负荷越小,温升效果越显著。喷油规律耦合进气节流发现,主喷提前角的推迟使得滞燃期缩短、后燃加重,DOC入口温度小幅度提升;近后喷油量增加可提高DOC入口温度,推迟近后喷,DOC入口温度先增大后降低,存在最佳的近后喷时刻。依据样机全工况排温分布特征,提出了不同工况区域DOC入口温度升温控制策略。     

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。     

天然气后喷对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响研究

对于高压直喷天然气发动机,尽管其碳烟排放低于传统柴油机,但由于引燃油和直喷天然气存在扩散燃烧过程,因此其碳烟排放较低压天然气更高,需要进一步降低碳烟排放以满足严格排放法规的要求。本文利用流体动力学软件Converge建立了高压直喷天然气船机的三维仿真模型,基于该模型研究了后喷策略对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响。结果表明：随着后喷比例增大,最高爆压略微升高,燃烧持续期增长;随着喷射间隔的增大,最高爆压不变,但后喷燃烧相位推迟,燃烧持续期增长。与无后喷算例相比,后喷比例增大到10%和20%时,碳烟排放分别降低了7.7-13.5%和1.5-11.5%,NOx排放分别升高了12-15%和5-7%,指示燃油消耗率分别增大了约0.1%和1%;而后喷比例为30%时,碳烟排放升高了2-8%,NOx排放降低了5-7.7%,指示燃油消耗率增大了约2.3%。研究为高压天然气喷射满足更加严格的排放法规提供理论基础。     

Modeling study of soot formation and oxidation in DI diesel engine using an improved soot model

Particulate emission is one of the most deleterious pollutants generated by Diesel fuel combustion. The ability to predict soot formation is one of the key elements needed to optimize the engine performance and minimize soot emissions. This paper reports work on developing, a phenomenological soot model to better model the physical and chemical processes of soot formation in Diesel fuel combustion. This hybrid model features that the effect of turbulence on the chemical reaction rate was considered in soot oxidation. Soot formation and oxidation processes were modeled with the application of a hybrid method involving particle turbulent transport controlled rate and soot oxidation rate. Compared with the original soot model, the in-cylinder pressures, heat release rate and soot emissions predicted by this hybrid model agreed better with the experimental results. The verified hybrid model was used to investigate the effect of injection timing on engine performance. The results show that the new soot model predicted reasonable soot spatial profiles within the combustion chamber. The high temperature gas zone in cylinder for hybrid model case is distributed broadly soot and NOx emission dependence on the start-of-injection (SOI) timing. Retarded SOI timing increased the portion of diffusion combustion and the soot concentration increased significantly with retarding of the fuel injection timing. The predicted distributions of soot concentration and particle mass provide some new insights on the soot formation and oxidation processes in direct injection (DI) engines. The hybrid phenomenological soot model shows greater potential for enhancing understanding of combustion and soot formation processes in DI diesel engines.     

燃料物性和喷油策略对船用柴油机性能和排放影响的模拟研究

采用多维数值模拟的方法系统研究了不同燃油性质和喷油策略对船用柴油机性能和排放的影响。研究结果表明:无论使用重油还是轻油,采用顺序喷射、预喷和后喷都能在降低燃油消耗率的同时降低NO_x排放;顺序喷射方案能在两个喷油器的喷射间隔为4°时达到最低的燃油消耗率;大比例预喷匹配合适的主预喷间隔容易获得较低的燃油消耗率,小比例预喷匹配合适的主预喷间隔容易获得较低的NO_x排放;后喷策略对燃油消耗率改善不明显,随着主后喷间隔增大或者后喷油量的增加,燃油消耗率均呈现增加的趋势。     

柴油机燃用低比例小球藻生物柴油-柴油混合燃料的试验研究

以野生小球藻生物柴油(Chlorella Biodiesel Fuel,CBF)-柴油作为混合燃料,利用186FA柴油机进行台架试验。在CBF的掺混比例分别为0%,3%,5%(B0,B3,B5)时,对柴油机的动力性、燃料燃用的经济性和燃烧及排放特性进行了比较分析。试验分析表明:柴油机燃用混合燃料时,与燃用纯柴油相比,随着CBF掺混比例的增加,其扭矩和功率略有下降,最大降幅均为4%;柴油机的油耗率和能耗率略有上升,且在高、中负荷时更为明显;柴油机的缸内压力、放热率峰值稍有减小,而压力升高率峰值稍有增大,缸内压力峰值最大降幅为3.4%,放热率峰值最大降幅为12.8%,压力升高率峰值最大增幅为13.7%;柴油机滞燃期缩短了0.5~1.0°CA、燃烧持续期延长了1.0~2.0°CA,缸内压力、压力升高率和放热率峰值的出现时刻均提前了1.0~2.0°CA,燃烧速度加快;HC,CO和碳烟的排放均有所降低,而NOX的排放逐渐增多,全负荷时HC和碳烟排放的最大降幅分别为14.1%和31.7%,NOX排放的最大增幅为9.7%,CO排放的降幅为6%~12%。     

Direct injection of hydrogen main fuel and diesel pilot fuel in a retrofitted single-cylinder compression ignition engine

Up to 90% hydrogen energy fraction was achieved in a hydrogen diesel dual-fuel direct injection (H2DDI) light-duty single-cylinder compression ignition engine. An automotive-size inline single-cylinder diesel engine was modified to install an additional hydrogen direct injector. The engine was operated at a constant speed of 2000 revolutions per minute and fixed combustion phasing of ?10 crank angle degrees before top dead centre (°CA bTDC) while evaluating the power output, efficiency, combustion and engine-out emissions. A parametric study was conducted at an intermediate load with 20–90% hydrogen energy fraction and 180-0 °CA bTDC injection timing. High indicated mean effective pressure (IMEP) of up to 943 kPa and 57.2% indicated efficiency was achieved at 90% hydrogen energy fraction, at the expense of NO_x emissions. The hydrogen injection timing directly controls the mixture condition and combustion mode. Early hydrogen injection timings exhibited premixed combustion behaviour while late injection timings produced mixing-controlled combustion, with an intermediate point reached at 40 °CA bTDC hydrogen injection timing. At 90% hydrogen energy fraction, the earlier injection timing leads to higher IMEP/efficiency but the NO_x increase is inevitable due to enhanced premixed combustion. To keep the NO_x increase minimal and achieve the same combustion phasing of a diesel baseline, the 40 °CA bTDC hydrogen injection timing shows the best performance at which 85.9% CO₂ reduction and 13.3% IMEP/efficiency increase are achieved.