喷油参数对聚甲氧基二甲醚/柴油发动机燃烧及其颗粒物排放的影响

在电控共轨高速柴油机试验台上,对比研究了分别以纯柴油和聚甲氧基二甲醚(PODE)/柴油(φ_(PODE)=20%)为燃料时,喷射压力、预喷相位和主喷相位等喷油参数对发动机燃烧及其颗粒物排放特性的影响.结果表明:当喷射压力增大时,预喷燃料放热相位提前,预喷燃烧放热率幅值降低,主喷放热相位提前,最高爆压升高,积聚模态颗粒物排放显著降低,柴油发动机在小负荷下的核模态颗粒物排放大幅升高;当预喷相位提前时,预喷放热相位略微提前且峰值下降,引起小负荷工况下的主喷放热相位延迟,燃烧放热率峰值显著增大,缸压降低,增加了柴油发动机的核模态颗粒物排放而降低了积聚模态颗粒物的排放,且受发动机负荷影响明显;当主喷相位提前时,缸压峰值增大、放热相位提前,使得低负荷下的颗粒物排放升高,高负荷下的颗粒物排放降低;掺混PODE燃料后,柴油发动机的核模态颗粒物排放增大的趋势得到有效抑制.     

喷油压力和PODE掺混对柴油机颗粒物排放影响

商用柴油机中排放的颗粒物对自然环境和人类健康有着越来越大的危害。为进一步研究喷油压力和PODE掺混比对降低柴油机颗粒物的潜力,在一台四缸增压柴油机上,进行了小负荷(BMEP=0.4 MPa)和大负荷(BMEP=0.8 MPa)工况下喷油压力和PODE掺混对柴油机颗粒物排放特性影响的试验研究。三种燃料分别为纯柴油(记为D100),PODE按体积比20%和30%与柴油进行掺混(分别记为PD20和PD30)。结果表明:在柴油中添加PODE能降低混合燃料的总颗粒物数浓度和质量浓度。在小负荷工况下,随着喷油压力升高,柴油/PODE混合燃料的总颗粒物和核态颗粒物数浓度增加,总颗粒物质量浓度变化不大。在大负荷工况下,与柴油相比,柴油/PODE混合燃料的总颗粒物数浓度和质量浓度降低。随着负荷增加,发动机排放的总颗粒物数浓度降低,总颗粒物质量浓度增加。在同一负荷下,随着喷油压力升高,总颗粒物数浓度进一步降低。     

生物柴油掺混比对发动机燃烧及颗粒物组分的影响

为了研究生物柴油对柴油机燃烧及颗粒物组分的影响,在一台四缸车用共轨柴油机上进行发动机燃用调合生物柴油的性能试验,利用燃烧分析仪分析生物柴油对发动机燃烧过程的影响,利用热重分析仪(TGA)研究颗粒物氧化特性,利用气相色谱/质谱联用仪(GC-MS)研究生物柴油对颗粒物SOF组分的影响。结果表明:随着生物柴油掺混比例的增加,发动机最大爆发压力增大,缸压曲线前移,预混燃烧放热率峰值减小,峰值对应的曲轴转角提前,B20放热率峰值对应的曲轴转角比B0提前2.8°CA,峰值减小19%。随着生物柴油掺混比例增加,颗粒物中H2O和可溶性有机物(SOF)的质量分数增加,碳烟(Soot)和无机盐的质量分数减小,并且颗粒物中SOF的组分酯类及酸类物质增加,烷烃类、芳香烃及酚类物质相应地减少。B0排放颗粒物中SOF的碳原子数主要在C12~C24之间,B20排放颗粒物中SOF碳原子数分布范围较为集中,主要在C15~C22之间。     

放热中心对DMC-柴油燃料排放特性的影响

为提高柴油机的燃烧热效率及有效降低有害排放物,在1台高压共轨单缸柴油机上,运用2段预喷和1段主喷组合的多段燃油喷射,并耦合高EGR率以实现低温预混合燃烧。在不同放热中心及EGR率的条件下,对比研究柴油及D10燃料(在柴油中掺入10%碳酸二甲酯)的排放性能。研究结果表明:随着放热中心(crank angle 50,CA50)后移,NOx排放显著降低,HC及CO排放的变化则相对平缓,PM排放呈先增加后降低的趋势;通过调整燃油喷射系统参数调控CA50(燃油路径)及采用EGR率(气体路径)均可实现对NOx的控制,但对其他排放物的作用效果却各不相同;高EGR氛围耦合较晚的CA50,即燃油路径与气体路径二者良好的匹配使用,可实现NOx和PM这2个目标变量的兼顾控制;与柴油相比,使用含氧燃料D10后,HC和CO均略有下降,NOx排放略有上升,但在PM排放方面可以获得大幅度的降低,可为NOx与PM排放之间的再平衡提供更大的空间。     

EGR率对正丁醇/柴油燃烧过程及排放的影响

采用不同EGR率,对柴油机燃用含正丁醇质量分数为10%的混合柴油(N10)进行了台架试验,研究了EGR率对燃用正丁醇/柴油的燃烧过程与排放的影响.结果表明:相同工况下,随着EGR率的增加,最大爆发压力下降,压力急剧升高点所对应的曲轴转角后移,主燃烧开始时刻和瞬时放热峰值也发生明显后移,滞燃期有所延长,放热峰值逐渐下降;柴油机HC,CO,碳烟排放随着EGR率的增加而有所升高,但碳烟排放仍低于柴油;NOx排放随着EGR率的增加而逐渐降低,且高负荷时,降低趋势更为明显,负荷为75%时,与EGR率为0相比,EGR率为10%时NOx排放降低了47.2%,EGR率为20%时NOx排放降低了86.3%.     

预混均质充量压缩燃烧发动机燃烧与排放特性

为改善柴油机的燃烧和排放特性,在一台2105柴油机上开展了二甲醚(DME)预混比和废气再循环(EGR)对二甲醚-柴油双燃料预混均质充量压缩燃烧(PCCI)发动机的燃烧与排放特性影响的试验研究,通过在进气道预混DME和缸内直喷柴油实现了PCCI燃烧模式。试验结果表明:随着DME预混比的增加,放热过程由两阶段放热发展到三阶段放热,燃烧始点前移,最高爆发压力逐渐增大且对应的相位不断提前;冷EGR导致的PCCI发动机最高爆发压力下降的程度、瞬时放热率峰值及压力升高率峰值对应的相位滞后程度均随着DME预混比的增加逐渐减弱;随着DME预混比的增大和EGR率的减小,当量有效燃油消耗率逐渐降低,有效热效率逐渐升高;DME预混比和EGR率增大可有效降低NOx排放,但是HC和CO排放有所增加。文中工况下最优DME预混比为30%。     

掺混PODE对增压中冷柴油机燃烧和排放性能的影响

在一台电控共轨增压中冷柴油发动机台架上,燃用纯柴油以及柴油中分别掺混10%、20%、30%(体积比)聚甲氧基二甲醚(PODE)的混合燃料,研究了PODE对柴油发动机燃烧排放特性以及燃油经济性的影响.结果表明PODE的掺混显著影响发动机的燃烧特性:除低速大负荷工况外,PODE的掺入明显降低了预喷放热率,改善了主喷燃料的雾化性能,加大了主喷前缸内的活化成分比例,提升了主喷期间压力升高率和燃烧放热率,提高了缸内燃烧温度,缩短了燃烧持续期.在研究范围内,PODE掺混比越大,缸内燃烧最高温度越高,主喷燃料燃烧速度越快,燃烧持续期越短.排放研究结果表明,随着PODE的掺入,发动机的NO_x排放明显上升,HC排放略有下降,CO排放变化不大.PODE的掺入能明显改善发动机的燃油经济性.     

F-T柴油废气氛围下的燃烧及排放特性

针对煤制高十六烷值F-T柴油,在非道路柴油机上加装EGR,探究了不同EGR率下燃用F-T柴油的燃烧特性及排放特性.结果表明:引入EGR使滞燃期延长,燃烧重心后移,最高爆发压力、瞬时放热率峰值和缸内平均燃烧温度降低;与不引入EGR相比,EGR率为15%时,NO_x显著下降,燃烧参数变动小,HC和CO略有增加;EGR率为30%时,燃烧重心明显后移,NO_x的比排放最大降幅为61.6%,HC和CO的比排放增幅分别为13.2%和13.3%;F-T柴油在单缸机的颗粒粒径分布呈对数正态分布,随着EGR率的增加,低负荷时,峰值粒径减小,颗粒向小粒径颗粒转化;中、高负荷时,峰值粒径增加,颗粒向大粒径颗粒转化.     

乙醚生物柴油混合燃料发动机的燃烧和排放特性

为了研究添加乙醚对生物柴油性能的影响,在1台单缸柴油机上对BD100生物柴油、D2.5(乙醚体积分数为2.5%)与D5(乙醚体积分数为5%)3种燃料的燃烧与排放特性进行了对比试验研究。研究结果表明:与BD100相比,D2.5与D5的燃烧始点在1 500r/min时几乎相同,在1 800r/min时略有延迟;峰值燃烧压力及峰值燃烧放热率增加,但对应的曲轴转角完全相同;第2峰值燃烧放热率明显降低,从而减少了燃烧过程的后燃量;燃烧放热率型心对应曲轴转角靠近上止点,提高了循环定容度,有利于提高有效热效率;有效燃油消耗率明显降低且有效热效率明显提高;1 800r/min负荷特性下,碳烟排放分别平均下降了20.78%与39.59%;1 800r/min负荷特性下,CO排放分别平均降低了27.82%与47.14%;1 800r/min负荷特性下,NOx排放分别平均增加3.41%与7.73%;HC排放没有明显规律。研究结果表明添加乙醚可以改善生物柴油的燃烧和排放特征。     

聚甲氧基二甲醚及其高比例掺混柴油混合燃料发动机燃烧与排放的试验研究

为研究聚甲氧基二甲醚(PODE)及其高比例掺混柴油混合燃料对发动机燃烧与排放的影响,在一台高压油泵柱塞直径加大的云内动力2102QB柴油机上开展了柴油、PODE及30%、50%质量比掺混柴油混合燃料的燃烧与排放试验研究。发动机燃用纯PODE时排气无烟,相对于柴油,其有效热效率最高提升9.67%,并使总未燃碳氢(THC)和CO排放分别降低了50%及60%,而NOx排放增加不超过10%,因此PODE可以单独作为柴油的替代燃料。30%、50%掺混时发动机经济性略有提升,同时排气烟度及CO、THC排放均有较大幅度的改善。缸压分析燃烧过程显示,柴油中添加PODE后燃烧性能改善,滞燃期和燃烧持续期略微缩短,发动机的有效热效率提高。研究结果还表明,PODE与柴油按质量比30%掺混,可以显著降低排气烟度和有害气体排放,而不需要改变发动机的燃油供给系统。     

双燃料发动机低温燃烧排放性能仿真

为缓解船用发动机NOx排放过高问题,提出柴油掺烧丁醇并结合EGR（exhaust gas recirculation）技术的试验方案。在4190ZLC-2型柴油机台架基础上,利用AVL_FIRE软件建立柴油-丁醇CFD模型。设置丁醇掺混比0%、10%、20%、30% 4组变量,EGR利用率0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%、17.5% 6组变量,对发动机NO、碳烟（Soot）和CO生成及排放质量分数进行分析。结果表明:掺烧丁醇并结合EGR能够实现发动机的低温燃烧,减少CO和碳烟的生成,且显著降低NO排放。当丁醇掺混比为B20、EGR利用率12.5%组合时,NO排放比原机降低58.97%,Soot生成质量峰值比原机降低37.5%,CO排放比原机降低23.53%。研究结果可为船用柴油机采用柴油/丁醇/EGR低温燃烧提供一定的指导依据。     

生物柴油发动机燃烧特性与超细颗粒物排放特性

为了研究柴油机燃用生物柴油的超细颗粒物排放,在一台高压共轨柴油机上进行了试验研究,利用缸压传感器、电荷放大器和燃烧分析仪组成的动态燃烧测试系统测录缸内压力,并计算瞬时燃烧放热率;利用SMPS-3936气溶胶粒径谱仪测录超细颗粒物排放数浓度及粒径分布。研究结果表明:与柴油相比,1 400r/min、平均有效压力pme≤0.48 MPa时,生物柴油峰值燃烧压力基本相当,二次喷射导致峰值放热率增加,1 400r/min、pme0.48MPa时,生物柴油峰值燃烧压力、峰值放热率均较低;在全负荷范围内,生物柴油的快速燃烧期基本相当或略有延长,但后燃期大幅度缩短,因此生物柴油燃烧持续期明显缩短,放热更加集中;1 400r/min、pme≤0.48 MPa时,生物柴油有效热效率降低,1 400r/min、pme0.48MPa时,生物柴油有效热效率提高,且提高幅度随负荷的增加而增加。与柴油相比,1 400r/min、pme=0.16MPa时,生物柴油超细颗粒物排放数浓度略高,1 400r/min、pme≥0.32MPa时,生物柴油超细颗粒物排放数浓度明显降低;在全负荷范围内,生物柴油超细颗粒物排放数浓度及体积浓度中值直径、平均直径、几何平均直径均明显降低。应用生物柴油对降低柴油机超细颗粒物排放具有重要意义。     

掺混聚甲氧基二甲醚对中国第六阶段标准柴油机燃烧与排放特性的影响

为研究高含氧、高十六烷值的新型替代燃料聚甲氧基二甲醚(PODEn)掺混柴油对中国第六阶段标准柴油机燃烧与排放特性的影响,在一台增压中冷高压共轨的潍柴动力WP12.460柴油机上开展了不同PODEn比例(体积分数分别为10%、20%、30%)PODEn/柴油混合燃料燃烧特性、燃油经济性及排放特性的试验研究。试验结果表明,随着PODEn掺混比例的增大,缸内最大爆发压力、缸内温度峰值及瞬时放热率峰值均逐渐降低,且各峰值对应相位逐渐前移;燃烧持续期缩短0.6°～2.1°(曲轴转角),放热更加集中,有效热效率最高可提升2.43%;有效燃油消耗率逐渐增加,但当量有效燃油消耗率逐渐降低,最大降幅为4.23%;NOx排放量略有升高,CO排放量、HC排放量和碳烟排放量均逐渐降低,其中CO排放量和碳烟排放量在高负荷工况下降低幅度较大,最高降幅分别为64.5%和75.8%。     

柴油机燃用混合含氧燃料的燃烧与排放

为协同推广使用不同生物质来源的乙醇和生物柴油,研究了不同混合比下乙醇-柴油-生物柴油混合含氧燃料的经济性、动力性与排放特性,为混合含氧燃料的推广应用提供理论和试验依据。研究结果表明:以柴油为参照,柴油机燃用3种混合燃料时的缸内压力均略有降低,EBD1(80%柴油+20%生物柴油)峰值压力出现位置提前约1°CA,乙醇的加入使EBD2(70%柴油+20%生物柴油+10%乙醇)和EBD3(55%柴油+20%生物柴油+25%乙醇)压力峰值略有滞后;3种混合燃料对应放热率曲线峰值均低于纯柴油。随生物柴油以及乙醇掺混比例的增加,混合燃料的放热率峰值呈现不同程度的下降;随混合燃料含氧量的增加,HC和CO排放均有不同程度的降低,烟度排放下降趋势明显,而NOx排放则略有增加。     

废气再循环对柴油机性能影响的试验研究

通过废气再循环(EGR-Exhausted Gas Recirculation)可以有效地降低柴油机的氮氧化物(NOx)排放.但是废气具有一定的热作用和化学作用,因此EGR会对柴油机燃烧过程和排放物的生成造成影响.本文基于4D20柴油机,重点开展了不同的EGR率对柴油机性能影响的研究.分析试验结果发现,随着EGR率的增大,燃烧滞燃期增长,缸内压力和缸内温度降低,放热率峰值降低,热效率下降;NOx排放随着EGR率的增大而急剧下降;soot排放随着EGR率的增大而增大;CO和HC排放随着EGR率的增大而增大.     

喷油提前角对双燃料柴油机燃烧和排放的影响

为研究喷油提前角对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响,以4190ZLC-2型船用中速柴油机为研究对象,运用AVL_FIRE软件构建柴油-甲醇双燃料燃烧室模型。通过仿真实验的方法,研究当甲醇掺混比为20%,喷油提前角分别为 16.6°、18.6°、20.6°、22.6°时,对柴油机燃烧、排放、动力特性的影响。研究结果表明:随着喷油提前角的逐渐增大,缸内混合气质量得到改善,从而优化混合燃料在缸内燃烧的质量,同时还可观察到放热率曲线逐渐前移且峰值增加。分析数据可知,在甲醇掺混比为20%,喷油提前角20.6°时,NO排放较原机排放增加29.83%,Soot排放量降低30.5%,CO排放量降低5.6%,指示功率增为58.75 kW。     

含氧燃料添加对引燃式天然气发动机细颗粒排放的影响

为了降低柴油引燃天然气发动机的颗粒排放,在改装的柴油机上试验研究了含氧燃料碳酸二甲酯(DMC)添加对柴油引燃天然气发动机燃烧和颗粒排放的影响。通过对比分析不同的含氧燃料掺混比下的燃烧参数和颗粒排放特性发现:随着引燃燃料中DMC掺混比的增大,引燃燃料中含氧量(氧的质量分数)的不断增加,滞燃期逐渐推迟,初始燃烧放热率峰值增大,初始燃烧期逐渐延长,总燃烧持续期不断缩短;柴油引燃天然气发动机的颗粒排放呈现单峰分布,随着引燃燃料中含氧量的增加,颗粒数量浓度峰值粒径向大颗粒粒径方向移动,颗粒的数量浓度和质量浓度同时减小,当引燃燃料中含氧量达20%时,颗粒质量浓度降幅达70%,颗粒数量浓度降幅达86%。因此,引燃燃料中添加含氧燃料DMC是一种降低柴油引燃天然气发动机颗粒排放的有效方法。     

加氢生物柴油-乙醇-柴油在高压共轨柴油机上的燃烧与排放特性

为了研究加氢生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的燃烧和排放性能,配制加氢生物柴油-柴油二元燃料(PHC10、PHC20、PHC30)和加氢生物柴油-乙醇-柴油三元燃料(PHC5E5、PHC10E10、PHC15E15),选取1 800r/min时25%、50%、75%和100%负荷工况作为测试工况,在高压共轨四缸柴油机上对各混合燃料进行燃烧试验研究。试验结果表明:在100%负荷工况下,与柴油相比,二元燃料、三元燃料的着火时刻分别提前、滞后,这是加氢生物柴油和乙醇的不同十六烷值影响的结果;二元燃料的着火时刻提前,着火延迟期内形成的可燃混合气数量较少,而且加氢生物柴油的低热值较低、运动黏度较高,在主燃烧阶段内的最大缸压和放热率峰值均低于柴油;对于三元燃料,初期燃烧放热可以有效降低乙醇的汽化潜热带来的不利影响,而且乙醇挥发性能较好和氧含量较高,使得三元燃料在主燃烧阶段内的最大缸压和放热率峰值均大于柴油。三元燃料的HC和CO排放均高于二元燃料,二者的差异随着负荷的增大而减小;混合燃料的NOx排放受负荷影响较大,在25%和50%负荷工况下,三元燃料的NO_x排放低于二元燃料,而在75%和100%负荷工况下呈现相反的趋势;三元燃料的碳烟排放低于二元燃料。该研究可为加氢生物柴油-乙醇-柴油三元燃料在发动机上的应用提供基础数据。     

F-T柴油与生物柴油混合燃料的特性研究

针对目前柴油机替代燃料多为单一项,且替代燃料性能各有特点的状况,将F-T柴油和生物柴油掺混燃烧,通过试验研究,分析了0#柴油与3种混合柴油(B20F,B50F,B100)在2 400r/min不同负荷下的燃烧特性。结果表明,混合燃料随着生物柴油添加比例的增加,滞燃期变长,燃烧压力峰值、压力峰值相位、压力升高率峰值及放热率峰值均逐渐增大,但均比0#柴油低;且随着负荷的增加,燃烧压力、压力升高率和瞬时放热峰值均先增后减;混合燃料的碳烟排放明显降低,B50F和B80F的NOx排放与0#柴油接近,B20F的NOx排放比0#柴油降低了2.1%~16.7%。B20F是一个较好的混合比例,是一种较好的替代燃料。     

缸内直喷液化石油气/柴油混合燃料发动机燃烧特性研究

根据实测示功图,系统分析了柴油中掺混不同比例的液化石油气(LPG)时发动机的燃烧放热规律.研究结果表明:混合燃料中LPG的质量分数小于10%时,其燃烧放热规律与纯柴油基本相同,随着LPG质量分数的增大,最高爆发压力和压力升高率降低,对应的曲轴转角滞后;当发动机转速较低时,在LPG质量分数大于20%后,混合燃料的燃烧始点比纯柴油延迟7°~11°,最高燃烧放热率略高于纯柴油,对应的曲轴转角滞后,预混合燃烧量增加,扩散燃烧量减小,燃烧持续期缩短约6°~9°;当发动机转速较高时,在LPG质量分数大于20%后,混合燃料的燃烧始点比柴油延迟11°~13°,最高燃烧放热率远低于纯柴油,燃烧持续期延长约22°~25°;在不优化发动机供油提前角等参数时,LPG的质量分数不宜高于20%.