进气加湿对船用柴油机燃烧和排放的影响

运用CFD数值模拟软件AVL Fire建立了船用柴油机燃烧过程模型,研究不同相对湿度的进气成分对船用柴油机燃烧和排放特性的影响,并着重研究对NO_x和碳烟排放的影响规律和作用机理.结果表明:随着进气加湿率的增加,缸内压力和燃烧温度均有降低;当加湿率达到100%,时,峰值压力相比进气为干空气时下降0.67,MPa,最高燃烧温度下降220,K;滞燃期和燃烧持续期延长,预混燃烧比例增多;燃烧重心CA50向后偏移,燃烧定容度和热效率下降.NO_x排放不断减少,燃烧火焰温度的降低和水蒸气对富氧区的稀释是NO_x排放下降的主要原因;碳烟排放随着加湿率的增加不断恶化,进气加湿虽然可以促进油气混合、抑制碳烟生成,OH基团加速碳烟前驱物的氧化,但加湿后氧气质量分数的减少和燃烧温度的降低导致碳烟后期氧化能力严重减弱.     

进气加湿与富氧对船用柴油机NOx-Soot排放的影响

通过一台满足TierⅡ排放标准的四冲程增压中冷船用柴油机,模拟研究了富氧燃烧结合进气加湿改善NOx-soot折衷关系的潜力,并探讨了实现TierⅢ排放标准的技术路线.本研究使用AVLFire软件建立仿真模型.结果表明:单独使用富氧燃烧时,缸内温度较高,燃烧持续期较短,soot排放减少,NOx排放恶化,而单独使用进气加湿时呈相反的趋势.当发动机运行在转速为1350 r/min、75%负荷工况下,进气氧体积分数为21%~23%、加湿率为0~100%时,可实现NOx-soot排放同时降低且低于原机.氧体积分数为21%和加湿率为100%匹配,可以实现TierⅢ排放法规.两种措施的优化组合可以获得NOx-soot排放的最佳优化区域.     

喷油策略与EGR对柴油机低温燃烧影响试验研究

为研究喷油策略及废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对柴油机低温燃烧特性和排放特性的影响,在一台电控高压共轨柴油机上进行了试验研究。研究结果表明:EGR率的升高提高了进气比热容,降低了缸内最高燃烧压力及缸内平均温度,延长了滞燃期,降低了NOx排放,由于进气氧浓度及碳烟氧化速率的降低,增加了碳烟排放;中小EGR率下,提高喷油压力,加速油气混合程度,可以有效降低碳烟排放;推迟燃烧重心CA50到上止点后7°之后造成燃烧效率降低,扩散燃烧持续期延长,导致碳烟排放升高。     

富氧燃烧与EGR对船用柴油机NO-碳烟排放和燃烧特性的影响

针对一台满足TierⅡ排放标准的船用柴油机,采用富氧燃烧与EGR相结合实现NO-碳烟排放同时降低并保证发动机功率没有损失,并探讨了实现TierⅢ排放标准的技术路线.AVLFire软件被用于建立仿真模型.研究表明,当单独使用富氧燃烧时,观察到较短的燃烧持续期、较高的缸内温度和指示功率,碳烟排放减少而NO排放恶化,而单独使用EGR时出现相反的趋势.研究发现,当发动机运行在1 350 r/min,75%负荷工况下,进气氧浓度为21%～24%,EGR率为0～25%时,上述范围内的4种组合可以实现低NO-碳烟排放且指示功率与原机基本持平.正如预期,通过富氧燃烧与EGR优化组合,可得到同时降低NO-碳烟排放低于原机的最佳优化区域.同时也发现,当超过15%的EGR率与较低的氧浓度结合时,可将NO排放降低至TierⅢ标准.     

降低小型柴油机排放的试验研究

从生物混合燃料成分、燃烧室结构和排气再循环等方面探索降低柴油机排放的方法。通过对柴油机排放性能的大量试验研究,结果表明:对于直喷式柴油机,生物混合燃料的NOx排放与柴油的排放基本相当,碳烟排放则比柴油有较大幅度的降低,而涡流室柴油机,NOx的排放量却有大幅度的降低,碳烟排放则比直喷式柴油机有更大幅度的降低,生物燃料的添加比例对NOx的排放影响不大。柴油机采用排气再循环技术后,混合燃料的碳烟排放仍比柴油少,混合燃料可以承载一定的EGR率而不增加碳烟排放。排气再循环可以大幅度地降低NOx排放且与EGR率有关,与燃料的性质关系不大。涡流室柴油机采用生物燃料和排气再循环,可以同时降低NOx和碳烟的排放,排放效果非常优良。     

进气系统耦合燃烧室形状对船用柴油机燃烧和排放的影响

以AVL程序为计算平台,采用Boost和Fire软件分别建立柴油机一维和三维仿真模型进行模拟计算,利用Miller循环和EGR技术来降低缸内燃烧温度,并通过燃烧室和涡流比的合理匹配来改善缸内的油气混合,从而减少排放物生成,满足越来越严格的排放法规.结果表明,随进气门关闭正时的提前,缸内温度逐渐降低,NO_x排放减小,但进气门关闭过早会增加NO_x排放;燃烧室结构的优化并匹配合理的初始涡流比能够改善缸内流动,进一步减少排放,增加指示功率;EGR策略可以弱化缸内高温分布,减少NO_x排放,但碳烟排放有所增加.采用改进的燃烧室和涡流比并匹配Miller循环和EGR技术可使NO_x排放降低96.5%,,同时使功率输出略有增加.     

预喷对重载柴油机燃烧与排放影响的试验

基于内窥镜测量技术,在一台6缸高压共轨重载柴油机上研究了预喷正时、预喷油量与EGR率等对燃烧放热、排放物生成的影响作用.对柴油机缸内燃烧过程中的火焰图像进行了采集,并且通过双色法计算得到了碳烟颗粒场分布图像.结果表明:随预喷正时延迟,缸内峰值压力升高,预喷燃烧的两阶段放热现象消失,预喷燃烧的火焰亮度加强,NOx和碳烟排放均降低;随预喷油量增加,预喷燃烧的放热率和火焰亮度升高,NOx和HC排放增大,而碳烟和CO排放降低;随EGR率提高,预混燃烧强度变弱并且开始呈现两阶段放热现象,主燃烧始点滞后,NOx排放显著降低,但碳烟、HC和CO排放升高.采用内窥镜测量可以更方便准确地了解发动机实际运行工况下缸内燃烧特性.     

2,5-二甲基呋喃对柴油机低温燃烧与排放的影响

在一台改造的单缸柴油机上研究了柴油掺入2,5-二甲基呋喃(DMF)后对燃烧、性能和排放的影响。研究结果表明:柴油中加入DMF后着火滞燃期延长,预混合比例增加,缸内最高燃烧压力及最大压升率增大,碳烟排放明显降低,其中加入DMF比例为40%(DMF40)时,在试验的EGR率区间内碳烟排放几乎为零;但NOx排放有所增加,若增大EGR率可保证在不增加碳烟的前提下明显减小NOx排放,当EGR率大于50%时,DMF40的碳烟和NOx接近于零排放。与纯柴油相比,混合燃料的THC和CO排放有一定增高,通过对混合燃料燃烧相位的优化,可以在保证高热效率的同时,有效降低最大压升率和NOx排放,但会导致THC和CO排放升高。     

进气参数对LNG发动机燃烧及排放特性的影响

应用FIRE软件对L23/30A型号的LNG双燃料柴油机缸内燃烧过程进行数值模拟。通过改变进气参数,分析缸内燃烧过程的压力、温度、流场的分布变化对燃烧及排放特性的影响。研究结果表明:进气温度、压力的增大提高了缸内的紊流强度,改善油气混合和燃烧过程;采用较高的进气压力使缸内平均温度下降,平均压力上升,有效降低了NOx排放;对于进气温度,缸内温度和压力的变化与进气压力截然相反,且增加排放量。     

进气组分对低速船机NO_x排放的影响

使用多维数值模拟方法,研究了采用废气再循环、进气加湿耦合喷油策略改善低速二冲程船机NO_x-ISFC(指示燃油消耗率)折衷关系的潜力.研究表明,EGR的稀释效应和热效应是降低缸内燃烧温度的主要原因,但稀释效应使得氧浓度降低,从而使得燃烧速率降低,燃烧持续期加长,导致油耗恶化;进气加湿引入量小,因而稀释效应的作用较小,大比例加湿的热效应作用较强是降低缸内燃烧温度的主要原因,而且少量的进气加湿对缸内燃烧过程和油耗影响较小.结果表明,EGR率为30%,,进气加湿量与喷油量的比值为1.5,喷油时刻为上止点后1°,CA,可在略微牺牲经济性的前提下,将NO_x降低90.5%,,满足TierⅢ排放法规的要求.     

正丁醇和异丁醇对柴油机燃烧与排放特性的影响

通过一台V6发动机研究了柴油中掺混正丁醇和异丁醇在不同转速、不同EGR率和喷油时刻下对燃烧与排放性能的影响.结果表明:正丁醇-柴油燃料比异丁醇-柴油混合燃料着火滞燃期短,异丁醇缸内峰值压力和预混放热率比正丁醇高.柴油中掺混正丁醇和异丁醇可以明显降低碳烟排放,使得碳烟随着EGR率变化变得平缓.同时掺混正丁醇对碳烟降低的效果更明显,而且掺混丁醇对NOx排放影响不大,一氧化碳与碳氢排放保持在较低水平.最后柴油机燃用丁醇可以达到同时降低碳烟和NOx的效果.     

进气加湿结合废气再循环技术对高压直喷双燃料低速机燃烧及排放的影响

基于CONVERGE软件建立了高压直喷双燃料船用发动机三维仿真模型,研究了空气加湿技术和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对发动机燃烧过程及排放的影响,并通过耦合进气加湿、EGR和天然气喷射策略等技术,最终得到满足TierⅢ排放法规的可行性技术路线.结果表明,进气加湿降低NOx排放...     

柴油机燃用二甲醚复合燃烧优化控制试验研究

结合柴油机燃用二甲醚HCCI燃烧与缸内直喷燃烧各自的优点,提出了柴油机燃用二甲醚气道-气缸喷射复合燃烧方式.在一台改造过的2135柴油机上,通过调整预混合率和直喷供油提前角以及进气燃料设计对复合燃烧进行了研究.结果表明,燃烧过程包括HCCI燃烧和缸内喷雾的预混及扩散燃烧,燃烧方式主要受预混合率的影响而呈现不同的放热特征.采用适当的预混合率和直喷供油提前角,与HCCI燃烧比,复合燃烧在保持NOx基本不变的条件下有效地拓宽了发动机工况范围,同时降低了HC和CO排放.通过在DME中添加LPG降低燃料十六烷值来控制HCCI的燃烧,可降低NOx排放,在大预混合率下,发动机经济性得到改善.     

柴油机掺烧DMM的超低排放研究

研究了二甲氧基甲烷(DMM)、EGR和排气后处理对于柴油机燃烧排放的影响,并讨论了达到欧-Ⅲ排放标准的途径.研究结果显示:柴油掺混50 %体积比的DMM,在中低负荷下采用28 %的EGR率,在高负荷下采用7 %的EGR率,可以同时显著降低NOx和碳烟排放,使用柴油机氧化催化转化器(DOC)可以大幅度降低HC和CO排放.通过与纯柴油燃烧过程的比较表明:DMM-柴油混合燃料可以同时增加预混燃烧和扩散燃烧速率,导致最高燃烧压力和放热率增大,采用EGR并未使燃烧持续期显著延长.自然吸气式柴油机掺烧大比例的DMM并结合EGR和DOC,有望达到欧-Ⅲ排放标准.     

后喷射和正丁醇对柴油机碳烟影响的数值模拟

采用 CFD 计算程序耦合正庚烷-正丁醇-多环芳烃简化动力学模型,并结合多步现象学碳烟生成模型,研究了在将 NOx控制在2.0,g/(kW·h)情况下后喷射和含氧燃料正丁醇对碳烟生成过程和排放的影响．结果表明,后喷射提高燃烧后期温度、增强碳烟氧化和增强燃烧后期缸内充量运动,是其降低碳烟排放的主要原因;正丁醇降低碳烟排放主要是通过降低碳烟前驱物多环芳烃浓度和增强油气混合过程即降低当量比实现的．在后喷射基础上应用含氧燃料正丁醇,可以在 NOx排放保持不变的前提下大幅度将碳烟排放(0.032,g/(kW·h)降低至0.007,3,g/(kW·h)).因此采用多次喷射耦合 EGR 结合含氧燃料正丁醇,是降低柴油机排放的有效技术途径,可以显著改善柴油机碳烟排放．     

甲醇-柴油混合燃料对发动机燃烧及排放特性的影响

在一台YTR3105直喷式柴油机上进行了小比例甲醇-柴油混合燃料发动机的燃烧及排放特性试验研究。结果表明:在相同的平均有效压力和转速下,随着甲醇含量的增加,燃料着火延迟相应增大,使得燃烧过程向上止点后移动。混合燃料的滞燃期比柴油长,预混燃烧放热率峰值增大,燃烧持续期缩短,缸内最大爆发压力和压力升高率增加。与纯柴油相比,甲醇-柴油混合燃料HC排放有所升高,但NOx和碳烟排放降低。大负荷时,CO排放显著下降。     

缸内喷射CO2对柴油机均质压燃影响的初步研究

采用气体喷射系统向气缸内喷射CO2,研究了CO2喷射始点和循环喷射量对均质压燃(HCCI)柴油机燃烧特性和排放特性的影响。试验结果表明:CO2缸内喷射可以有效控制燃烧始点和降低NOx排放。随着CO2喷射始点提前和循环喷射量增大,爆发压力和缸内温度降低,低温和高温放热始点推迟,压力升高率降低;NOx排放降低,碳烟、HC和CO排放升高。另外,燃烧相位的改善,减小了压缩负功,使指示热效率也比未喷射CO2时增大。     

高原地区不同配比生物柴油的排放特性

本文在高原环境（81kpa）下,对4100QBZL柴油机燃用不同配比生物柴油混合燃料后NOx与碳烟的排放进行了试验研究。试验结果表明：与柴油相比,纯生物柴油的NOx排放上升了0%~0.22%,而掺混比为30%以内的混合燃料的NOx排放则下降了2.9%~4.5%;碳烟的排放明显降低,且随掺混比的增加而降低,纯生物柴油的碳烟排放下降了33%~53%,掺混比为30%以内的混合燃料的碳烟排放下降了10%~31%。综合考虑,燃用掺混比为30%以内的生物柴油混合燃料,能同时有效地降低NOx与碳烟的排放。     

进气温度及喷油正时对中速柴油机NOx排放影响

利用专业的缸内燃烧计算软件AVL FIRE,建立船用中速柴油机8340燃烧室有限元模型,并对其进行了验证.在该模型基础上,针对进气温度及喷油正时对NOx排放的影响进行计算研究,并提出合理的优化措施.结果表明,通过Miller循环,活塞头振荡冷却结合高压共轨技术来降低进气温度,推迟喷油正时,可有效降低NOx排放量至2.22 g/(kW·h),满足IMO TierⅢ的排放要求.     

正庚烷/生物柴油双燃料的部分均质压燃燃烧

研究了气口喷射正庚烷、缸内直喷生物柴油的部分均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的燃烧特性和排放特性.研究表明,整个燃烧过程旱现三阶段放热模式.随着正庚烷预混合比例的增加,第一阶段和第二阶段最大放热率呈线性增加,从而导致生物柴油着火时的温度和压力明显上升.预混合正庚烷的引入使得放热中心时刻和放热结束时刻明显提前,燃烧持续时间缩短.至于排放方面,预混合比例的增加会引起CO和HC排放的增加,并且增加幅度逐渐减小;在中小当量比下,预混合比例增加会使得NOx排放线性降低,但是对碳烟排放却几乎没有影响;在较大当量比下,预混合比例增加可以使得NOx和碳烟排放同时大幅度下降,并且在20%～25%之间可以得到最佳的NOx和碳烟降低效果.