直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性

开展了缸内直喷火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料燃烧特性和放热过程的试验研究．研究结果表明：在给定喷射脉宽条件下，天然气掺氢比小时，燃烧放热率低，当氢气的体积分数达到10％～18％后，对提高混合燃料发动机燃烧速率有明显效果；火焰发展期、快速燃烧期、燃烧持续期和放热率曲线型心位置对应的曲轴转角随掺氢比增加呈先增加后减小趋势，当氢气的体积分数达到18％时可以缩短火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期，放热率曲线型心位置对应的曲轴转角靠近上止点；缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度、最大压力升高率和最高放热率随掺氢比的增加呈先减小后增加趋势；天然气掺氢燃烧特性在低转速时比在高转速时受掺氢比的影响大．     

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。     

天然气缸内直喷发动机在不同喷射和点火时刻下的排放与燃烧特性

在一台缸内直喷火花点火天然气发动机上对不同喷射时刻和点火时刻下的微粒排放进行了试验研究,并对相关的燃烧和排放特性进行了分析.研究结果表明:随着喷油时刻和点火时刻的提前,发动机微粒排放增多;峰值粒径出现在29 nm附近,数量浓度达到1×107cm-3,而微粒的粒径分布没有发生太大变化;火焰发展期随着喷油时刻的提前而缩短,快速燃烧期在190°时达到最小值;随着点火时刻的提前,火焰发展期变长,快速燃烧期先减小后增大;NOx和HC排放均随喷油时刻和点火时刻的提前而增大.     

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。     

进气道喷水对增压直喷汽油机性能的影响

基于1台缸内直喷增压汽油机,试验研究不同水油比对加浓和当量比混合气燃烧时的发动机燃烧和排放性能的影响。研究结果表明:在满负荷工况下,当过量空气系数λ为1时,随着水油比增加,燃烧相位推迟,燃烧持续期延长,同时喷水后空气质量流量下降,两者共同导致发动机平均有效压力降低;采用当量比混合气燃烧时,λ为1时的CO,HC和排气烟度与λ为0.88时相比明显降低,而NO_x排放量升高;CO,排气烟度和NO_x排放量随着水油比增加而降低,而HC排放量升高。在满负荷工况下采用当量比混合气燃烧时,通过喷水能够使发动机抗爆能力提高,点火时刻进一步提前,燃烧相位提前;燃烧相位提前使发动机平均有效压力与未优化点火时刻相比提升0.9%～2.9%,有效燃油消耗率降低2.2%～3.9%。     

异辛烷/柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性

在一台单缸发动机上进行了双燃料分层充质压缩着火(SCCI)燃烧的试验研究.分析了异辛烷作为预喷射燃料,柴油作为缸内直喷燃料的SCCI着火方式和燃烧过程,并通过固定直喷入缸内的柴油当量比φD,研究不同异辛烷预喷射当量比φP对SCCI燃烧和排放特性的影响.研究表明:SCCI燃烧出现两阶段放热;φP对燃烧和排放特性的影响存在一个临界值,且φD固定值增大,该临界值降低.对燃烧特性的分析发现:当φP高于临界值时,异辛烷的着火延迟明显缩短,其放热峰值显著增大;整个SCCI的燃烧速率、缸内最大压力和最高温度迅速提高,燃烧持续期几乎保持不变,热效率显著改善.对排放的研究发现:φP增大时,HC和CO排放先增大,但当φP高于临界值时,HC和CO排放逐渐减少;NOx和碳烟的排放随φP的增大而增大,但当φP高于临界值时,增大速率显著加快.     

不同废气再循环率和点火时刻对增压汽油机燃烧和排放的影响

研究了不同废气再循环率和点火时刻对某汽油机的燃烧、排放的影响。研究结果表明：点火时刻一定时,随着废气再循环率的增加,燃烧中点滞后,燃烧持续期变长,循环变动率明显变大,最大缸内压力和压力升高率先降低后基本不变;而当废气再循环率为12．5％时,随着点火时刻的提前,燃烧中点前移,燃烧持续期及循环变动率减小,最大压力升高率增加,但明显低于无废气再循环时的水平;在最经济点火时刻下,随着废气再循环率的增加,CO 排放降低,总碳氢化合物（THC）排放基本不变,NO X 排放明显降低。     

M15对增压直喷汽油机小负荷工况下燃烧和性能的影响

在一台缸内直喷汽油机上,针对M15(汽油中甲醇添加体积比例为15%)和M0(汽油中甲醇添加体积比例为0,即纯汽油)两种燃料,试验研究了点火提前角、喷油提前角和喷射压力等控制参数的调整对样机在小负荷、低转速下,燃烧、性能及排放的影响规律和影响差异。研究结果表明:相同喷射脉宽及控制参数条件下,M15汽油的最高燃烧压力比M0的低4%,但最高压力点对应的曲轴转角与M0基本相同。相同喷射脉宽下,燃用M15比燃用M0的发动机输出扭矩下降约10%左右,但燃油经济性有所提高,并分别存在一个点火提前角和喷油提前角,使得转矩最大、燃油消耗率最小,此点火提前角为20°CA(BTDC)、喷油提前角为300°CA(BTDC);而喷射压力对转矩和燃油消耗率影响较小。当使用M15燃料后,HC、CO和NO_x排放均比M0有所降低;M15和M0的HC、CO和NO_x排放均随点火提前角减小而减小;随喷油提前角的变化呈现不规律的变化;喷射压力对HC和NO_x排放的影响不很明显,而对CO呈波动状态。     

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.     

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.     

一种新型含氧燃料对柴油机燃烧特性的影响

为解决柴油机的碳烟颗粒和氮氧化物排放难以同步降低的矛盾,在一台TY1100直喷柴油机上对新设计的一种含氧添加剂乙酸-2-甲氧基乙酯(MEA)和柴油的混合燃料进行了燃烧和排放的试验研究.结果表明:MEA可与柴油实现良好的互溶;在相同的工况下,随着混合燃料中MEA比例的增加,柴油机缸内的最高压力变化较小,但滞燃期略有延长,瞬时放热率增加,燃烧持续时间变短;MEA可以显著降低柴油机的碳烟排放,可使HC和CO的排放有一定程度的降低,但对发动机NOx的排放没有明显的影响;在不改变发动机结构参数的条件下,当燃用体积分数为15%的MEA混合燃料时,发动机的碳烟排放平均降低约50%,发动机的标定功率下降约5%,而热效率提高约2%.     

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.     

天然气掺氢火花点火式发动机排放性能研究

在一台天然气掺氢的火花点火发动机上,研究了掺氢比和过量空气系数对发动机排放性能的影响.结果表明,在掺氢比一定时,过量空气系数对 HC、CO、Nox 和 CO2排放有较大的影响.在相同过量空气系数下,随着掺氢比的增加,HC 排放量有所降低,特别是稀燃下的 HC 排放量大幅降低.Nox排放量随掺氢比的增加而增加,而 CO2排放量随掺氢比的增加而减少.掺氢后,发动机的稀燃极限有所提高,稀燃条件下发动机的HC、CO、CO2 和 Nox的排放量比较低.     

喷油时刻对缸内直喷汽油机性能的影响

通过对某涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成及燃烧过程的数值模拟,并借助发动机台架试验中获得的油耗、排放及燃烧数据,研究了喷油开始时刻对发动机性能的影响.结果显示,对于5 000r.min-1工况,喷油开始时刻为400°曲轴转角是混合气雾化混合的最佳方案,此时混合气分布比较均匀且点火时刻火花塞附近具有较高的湍动能,10%～90%燃烧持续期最短且HC排放较低,从而使其具有最佳的燃油经济性与燃烧稳定性.而2 000r.min-1工况的最佳喷油开始时刻推迟了30°曲轴转角.喷油提前,壁面油膜量增加,混合气当量比下降及火花塞附近较低的湍动能使得燃烧速率降低,因此HC排放、燃油经济性及燃烧稳定性均会变差.同样的情况也出现在推迟喷油中,由于混合不充分使得点火时刻混合气均匀度下降,从而使发动机性能恶化.     

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.     

发动机催化燃烧多维数值模拟

将发动机三维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了催化燃烧对均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程及排放的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间氧化反应采用了详细的动力学机理.利用此模型分析了活塞顶催化剂铂(Pt)或铑(Rh)涂层对HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NOx 排放的影响,结果表明催化燃烧会使HCCI发动机着火时刻提前,同时能降低HC、CO的排放,但会提高NOx 的排放;在相同工况下,相比催化剂Pt,催化剂Rh使HCCI发动机着火时刻提前的幅度要大,同时HC的排放要低,但CO及NOx 的排放要高.     

柴油机伞帘喷雾燃烧系统的试验研究

在四气门单缸柴油机上研究了伞帘喷雾(UCS)燃烧系统性能．结合喷油过程测试结果和缸内空气运动数值模拟结果，综合分析了试验结果．结果表明，与原机相比，UCS系统的燃油经济性明显提高，烟度、最高燃烧压力、排气温度和NOx排放明显降低．这归因于喷雾碰壁引起的喷雾体积和空气卷吸量增加及燃油的二次雾化．但在中低负荷工况，由于壁面温度低，其CO和HC排放量明显高于原机．它在上止点后着火；着火时，准伞形喷雾和帘状喷雾的扩展范围已很大．     

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.