天然气掺氢火花点火发动机性能与排放研究

在一台燃用CNG／H2混合燃料的火花点火发动机上，开发了一个电子控制单元（ECU）来控制发动机点火提前角和混合气浓度，并研究了不同掺氢比（氢气的体积分数分别为0%、10％、20％和26％）对发动机性能和排放的影响．研究结果表明：天然气掺氢后发动机功率和有效热效率有所降低；在相同过量空气系数下，随着掺氢比的增加，发动机的最佳点火提前角推迟，HC、CO2排放得到降低，NOx排放有所增加．掺氢后可以提高发动机的稀燃极限，在稀燃下可以得到较低的HC、CO、CO2和NOx排放。     

天然气掺氢发动机性能试验

以台架实验的方法,对发动机燃用天然气(CNG)和天然气掺氢(HCNG)燃料的动力性和排放性能进行了对比研究.结果表明,发动机燃用天然气掺氢燃料能够加快缸内燃烧过程,改善CNG发动机稀燃性能,降低发动机排温.与纯天然气发动机相比,其排放物CO、CO2、HC得到降低,同时NOx排放量增加,但随着过量空气系数的增大,发动机NOx排放大幅减少,得到较优的排放性能.     

天然气掺氢发动机性能与排放试验

为了分析天然气掺氢燃料对发动机动力性、经济性和排放性的影响,在一台电控单缸天然气发动机上开展了体积掺氢比分别为15%、20%和25%的天然气掺氢燃料的试验和过量空气系数对发动机性能的影响试验.结果表明,在特定发动机工况下,随着掺氢比的增加,缸内最高压力随之增加;NOx排放量增大,而HC、CO排放量降低;有效燃气消耗率降低.试验结果也表明稀燃可以改善发动机的排放性能.     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。     

缸内直喷天然气/氢气混合燃料配合废气再循环的性能与排放

在一台天然气/氢气混合燃料的缸内直喷火花点火发动机上通过引入废气再循环(EGR)实验研究了EGR率、掺氢比及喷射时刻对发动机性能和排放的影响.结果表明:掺入氢气,在小EGR率时可以减小平均有效压力(BMEP)和有效热效率,在大EGR率时可以增加BMEP和有效热效率;BMEP随EGR率的增大而减小,有效热效率随EGR率的增大先减后增.NOx排放随EGR率的增大而下降,随掺氢比的增大而上升;HC排放随EGR的增大而上升,随掺氢比的增大而下降;CO排放与EGR率变化基本无关,随掺氢比的增大而上升.平均指示压力变动系数Cimep随EGR率的增加而增大,相比于早喷射,晚喷射时Cimep的增大趋势更为明显,此时掺氢可以有效降低Cimep.     

掺氢比和废气再循环率对天然气发动机性能的影响

为了研究部分节气门开度下掺氢比和废气再循环(EGR)率对天然气发动机性能的影响,在一台6缸火花点火天然气发动机上进行了不同掺氢比和EGR率下的性能和排放特性试验。试验时,发动机转速恒定为1 000 r/min,节气门开度为50%,过量空气系数φ_a=1。研究结果表明:最佳点火提前角随着EGR率的增大而提前,随着掺氢比的增加而推迟。平均有效压力(BMEP)随着EGR率的增大而降低,随着掺氢比的增加呈现先减小后稳定的趋势。NO_X排放量随EGR率和掺氢比的变化趋势与HC排放量的变化趋势相反。CO排放量随EGR率增大变化不大,随掺氢比的增加而降低。发动机在此工况下的最佳掺氢比为40%,最佳EGR率为15.8%。     

天然气掺氢配合废气再循环发动机的性能及排放研究

在一台火花点火天然气发动机上开展了不同掺氢比φ(H2)和废气再循环率φ下发动机性能和排放的实验研究.研究结果表明:引入废气再循环(EGR)会使发动机功率降低,但掺氢可以提高大φ值工况下的发动机功率.有效燃油消耗率随φ的增大呈现先减小后增大的趋势,在φ为5%时达到最低,有效燃油消耗率随φ(H2)的增大而降低.天然气掺氢后NOx排放增加,引入EGR使NOx排放得到降低,此降低效果在大掺氢比情况下更为显著.在φ较大时,天然气掺氢具有较好的效果.HC和CO排放随φ的增大而增加,随φ(H2)的增大而降低.当φ为10%、φ(H2)为2O%时,发动机可获得较好的综合性能.     

过量空气系数对HCNG发动机燃烧排放的影响

为了使天然气掺氢(HCNG)发动机达到更好的经济性和排放性,在一台6缸天然气发动机上研究了过量空气系数(λ)与掺氢体积比对HCNG发动机燃烧、效率及废气排放的影响.结果表明: 对各种掺氢比燃料,随着λ增大,最大燃烧放热率都降低,燃烧持续期增加,发动机指示热效率、 NOx排放先增后降, CH4、 CO排放先降后增;掺氢天然气相对纯天然气燃烧持续期缩短,因此HCNG发动机相对纯天然气发动机经济性和排放性更好.对于发动机的每个工况,都存在一个最佳的λ, 使得发动机的各种性能达到最优平衡.     

HCNG发动机性能分析

介绍了HCNG(氢气-天然气混合燃料)的性能试验结果分析.采用缸外预混合天然气/氢气,研究发动机转速、进气管绝对压力、掺氢体积比、点火提前角对发动机性能的影响.结果表明适量掺氢可增大发动机最大有效功率;增大掺氢比可降低HC排放平均值;增大进气管绝对压力会增大HC排放平均值;CO排放受点火提前角、进气管绝对压力和燃料成分的影响;增大点火提前角和进气管绝对压力使各个掺氢比的NOx 排放有增大的趋势.     

膜法富氧进气降低点燃式发动机冷起动排放

研究了富氧进气对火花点火发动机冷起动排放的影响.试验在一台四行程、空冷125 mL单缸电控喷射火花点火LPG发动机上进行.试验中分别为发动机供应φO2=21%,23%,25%的进气,实时测量发动机冷起动阶段最初60 s内过量空气系数λ及HC、CO和NOx的排放.试验结果表明,发动机采用富氧进气后,HC和CO的排放量显著降低.与φO2=21%氧浓度进气比较,φO2=23%进气时,冷起动最初60 s内HC与CO排放累计量分别降低46%和54%;φO2=25%进气时,分别降低65%和80%.当进气φO2由23%提高到25%后,HC和CO排放减少量不多,仅为36%和26%,而NOx排放增加明显.因此,使用富氧进气降低冷起动排放时,φO2控制在23%左右为宜.     

改善增压天然气发动机排放特性的途径

通过试验研究增压稀薄燃烧天然气发动机的排放特性,以及排气温度受过量空气系数λ的影响,研究结果表明:随着过量空气系数的增大,NOx与CO和HC的排放量变化趋势相反;压缩天然气发动机采用稀薄燃烧(λ＞1.0)技术的源排放能达到国Ⅲ标准,在加装普通三效催化转化器(TWC)后,其排放也只能达到国Ⅲ标准.原因是普通三效催化转化器只有在λ≈1.0时,其转化效率最高;米勒循环发动机的膨胀比大于压缩比,这有利于降低排气温度和提高热效率.因此,本文提出天然气发动机达到国Ⅳ排放标准一种新的技术路线:基于当量比燃烧(λ=1.0)的米勒循环技术,通过连续可变气门正时(CVVT)机构来调节气阀的开启和关闭时刻.采用该技术可以适当地增大发动机的压缩比,从而保证发动机的动力性和提高热效率,又可有效地降低排气温度,实现当量比燃烧,极大地提高了排放污染物在三效催化转化器中的转化效率,使天然气发动机排放达到国Ⅳ排放标准.     

喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响

在缸内直喷火花点火发动机上对天然气掺混氢气的体积分数为0％～18％的混合燃料不同喷射时刻下发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究．研究结果表明：对于给定的喷射持续期和点火时刻，喷射时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射太迟燃烧持续期长，放热速率慢，喷射过早会导致充量系数下降；对于给定转速，发动机存在一个最佳的喷射时刻，此时缸内最高压力升高率和最高燃气平均温度高，燃烧持续期短，燃烧过程定容度高，发动机热效率高，HC排放低；在同一喷射时刻下，当氢气的体积分数小于10％时，HC排放略有上升，当氢气的体积分数达到18％时，发动机HC排放与纯天然气排放水平相当；掺氢对NOx、CO和CO2排放影响不大．     

可变截面涡轮增压器与废气再循环

以一台重型柴油机为试验对象,研究可变截面涡轮增压器(VGT)和废气再循环(EGR)阀门开度对柴油机增压比、空燃比、燃油消耗率及NO_x,CO,HC,CO2和烟度等排放特性的影响.研究结果表明,随着EGR阀门开度的增大,增压比、空燃比降低,经济性变差.EGR阀门开度和VGT阀门开度对NO_x排放影响很大,随EGR阀门开度和VGT阀门开度增大,NO_x排放的体积分数显著降低,但HC,CO,CO2的体积分数和烟度升高.为实现降低NO_x排放的同时控制燃油消耗率和烟度的升高,可在中等负荷时选择EGR阀门开度50%、VGT阀门开度45%的控制策略;在高负荷时选择EGR阀门开度75%、VGT阀门开度55%的控制策略.     

直喷式柴油机燃用生物柴油的性能与排放

为了研究生物柴油在柴油机上的应用,在一台四缸涡轮增压直喷式柴油机上进行不同掺混比生物柴油与柴油混合燃料的性能对比试验,分析了在不同转速和负荷下柴油机燃用不同掺混比混合燃料的动力性、经济性和排放特性。研究结果表明:生物柴油与柴油相比,在2 200 r/min负荷特性下,有效能耗率减少,NOx排放增加较多,中小负荷碳烟排放基本相同,大负荷碳烟排放明显降低,中小负荷HC排放明显降低,大负荷HC排放基本一致,CO排放基本不变;在外特性下,功率略有增加,HC排放和碳烟排放均有所降低,CO排放和NOx排放增加。     

柴油机燃用液化石油气两种方式的排放比较

对两种液化石油气(LPG)在小型直喷柴油机上应用方式与性能进行了研究,分析了不同LPG替代率对发动机排放的影响,比较了两种方式的排放特性。结果表明,随着替代率的升高,混合喷射方式可以明显降低NOx排放和碳烟排放,同时CO排放也有所降低,而HC排放略有升高;预混进气方式也可以同时降低碳烟排放和NOx排放,但在小负荷,CO和HC排放大幅升高;在整个负荷范围内,混合喷射方式的NOx排放明显高于预混进气方式,且CO和HC排放也较低。     

缸内高压直喷天然气发动机的怠速排放特性

以一台缸内高压直喷天然气发动机为对象,在不同柴油轨压力及天然气喷射提前角条件下对CO、HC及NOx的排放量进行试验研究.结果表明:当发动机处于怠速运转,天然气在上止点附近喷入气缸时,3种轨压力下CO排放量的差异较小;当天然气喷射提前角推迟到上止点后一定角度时,CO的排放量随着柴油的轨压力升高而降低,当天然气喷射提前角提前到上止点前一定角度时,CO排放量则呈现出相反的变化趋势;随着天然气喷射提前角增大,3种轨压力下CO的排放量均降低;HC排放量随着柴油轨压力的升高而增加,随着天然气喷射提前角的增大而降低,且当柴油轨压力从18 MPa升到24 MPa时,HC的排放量增幅较大;NOx的排放量随着柴油轨压力的提高而升高,随着天然气喷射提前角的增大而升高,且当柴油轨压力从12 MPa升到18 MPa时,NOx的排放量增幅显著.     

喷油正时对双燃料发动机低负荷性能影响的数值模拟

在基于过量空气系数控制的天然气-柴油双燃料发动机上,通过台架试验和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究低负荷工况下喷油正时对双燃料发动机性能的影响规律.结果表明:发动机以中等转速、低负荷、 40%天然气替代率工作,适当喷油正时提前能够改善混合气质量与缸内燃烧情况.喷油正时为27°上止点前(BTDC)时,输出功率提升了18.44%,能量消耗率减少15.57%,同时一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)的排放水平分别降低37.98%和39.51%.