实现国V排放的重型柴油机燃烧系统优化研究

为了满足今后更为苛刻的国V排放法规,本文在一台无后处理满足国Ⅳ排放的重型柴油机上进行了燃烧系统优化试验,结果表明在大多数工况点,低压级压气机有效流通面积减小的两级增压方案2TC2与柴油机的联合运行点向着压比和相似流量增大的方向移动,能明显提高进气压力和空燃比,有效改善了氮氧化物(NOx)与燃油消耗率(BSFC)以及NOx与碳烟(Soot)的权衡(trade-off)关系。通过优化设计燃烧室结构参数(缩口直径、凹坑深度),缩口下移1 mm的燃烧室SF4能增强缸内气流运动,促进了燃油与空气的混合,实现了同时改善NOx-Soot和NOx-BSFC的trade-off关系并维持缸内最大燃烧压力至合理水平。随着主喷时刻的推迟,燃烧相位推迟,Soot比排放降低,但燃油经济性变差,并且主喷时刻过多推迟会使Soot比排放升高;在高转速工况,提高喷油压力能同时改善油耗和排放,而在低转速大负荷,呈现出与高转速工况相反的变化趋势,Soot和BSFC随着喷油压力提高同时上升;采用适当的主后喷间隔能达到改善排放的效果。试验结果表明,NOx加权排放为1.311 g/(k W·h),Soot加权排放为0.011 g/(k W·h),均满足国V排放标准,且加权油耗为211.6 g/(k W·h)。所优化的燃烧系统具有在降低对后处理系统要求的情况下满足国Ⅴ排放标准的能力。     

4190Z_LC-2型船用柴油机燃油系统电控化改造

阐述了4190ZLC-2船用柴油机喷油系统电控化改造的实验方案.通过改变喷油泵柱塞直径的大小、喷油器喷孔直径的大小及喷油定时参数来分析影响柴油机经济性(耗油率)、排放性能(NOx,CH浓度的排放)和燃烧性能的相关因素.并分别在负荷特性和推进特性下,对该柴油机改造前后的燃烧性能和排放性能进行分析对比.从而给后续柴油机燃油系统改造提供理论和试验依据.     

喷油参数对重型柴油机喷油器喷油规律的影响

柴油机各孔喷油规律对燃油在燃烧室的分布、雾化、可燃混合气形成、燃烧有重要影响,从而影响柴油机排放性、经济性、动力性。基于自行搭建的动量法各孔喷油规律测试系统,以某大功率柴油机喷油器为研究对象,探讨了不同喷油压力、喷油脉宽和喷孔直径对喷油器各孔喷油规律的影响。结果表明:随着喷油脉宽的增加,相同压力下喷孔喷油速率和流量系数发展趋势保持一致,喷油持续期增加。随着喷油压力的增加,喷油速率和流量系数随之增加,喷孔有效流通面积增大,空化效应更弱。但相比于喷油速率,流量系数变化较小。随着喷孔的直径增大时,喷油速率及其波动增大,喷油速率最大值对应时刻延迟,喷油持续期减小,喷孔的流量系数增大。     

燃油系统若干参数对NO_x、CO排放的影响

本文针对直喷式柴油机的燃烧过程和NO_x、CO的排放浓度,通过试验对比,结合缸内燃烧放热过程的计算,分析讨论了直喷式柴油机燃油系统若干参数(柱塞直径D_p、油嘴启喷压力P_(in)、油嘴喷孔直径D_n、喷孔的空间分布角度α和β等)对直喷式柴油机燃烧过程的影响;进而分析讨论了它们对NO_x、CO排放浓度的影响。为合理地组织直喷式柴油机的燃烧过程、降低NO_x、CO的排放浓度提供了参考依据。     

小型非道路柴油机稳态和瞬态排放特性分析

为了使非道路用柴油机达到GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》中第四阶段排放限值的要求,按照稳态循环(NRSC)和瞬态循环(NRTC)规定的工况,对一台非道路用自然吸气柴油机进行测试研究。引入分担率的概念,分析NRSC试验时柴油机各工况下CO、NO_x、HC排放对整机排放的影响;研究NRTC试验时冷启动循环和热启动循环排放特性的差异和CO、NO_x、HC的瞬时排放曲线。结果表明:NRSC试验下,污染物在2 400 r/min下100%负荷时排放分担率均超过18%,是控制污染物的关键工况;NRTC试验下,相对于NRTC试验热启动循环,冷启动循环的颗粒物(PM)、CO比排放量分别为0.25 g/(kW·h)和3.36 g/(kW·h),高于热启动循环的0.23 g/(kW·h)和2.28 g/(kW·h),而NO_x+HC的比排放量为6.67 g/(kW·h),略低于热启动循环的6.88 g/(kW·h)。CO瞬时排放峰值基本对应转矩峰值、转矩谷值及转速峰值;NO_x瞬时排放峰值基本对应转矩峰值;HC的瞬时排放相对CO、NO_x变化更平稳。该研究可为降低非道路用柴油机稳态和瞬态排放提供参考。     

4190Z_LC-2型船用柴油机燃油喷射系统参数匹配

利用AMESim液压仿真软件建立电控柴油机喷油系统仿真模型,在此基础上,以喷油压力为优化目标,喷油量为约束条件,运用正交试验设计方法进行喷油系统参数仿真计算,再通过方差分析方法分析各参数对喷油压力的影响规律。研究结果表明,对喷油压力影响程度由强到弱依次为柱塞直径、油管直径、凸轮型线速度、喷孔数×喷孔直径(流通面积不变)、油管长度。通过方差分析得出最优参数组合方案为:喷油器喷孔数×喷孔直径为10×0.22 mm;凸轮型线速度0.46 mm/℃A;柱塞直径15 mm;高压油管长度800 mm;高压油管直径1.5 mm。此参数组令方案可以将喷油压力提高到154.3 MPa。     

基于一种新型喷油系统的船用柴油机NO x 排放试验研究

为了探索采用改进的机械式喷油系统以较低的成本使大功率船用柴油机的NOx排放满足IMO TierⅡ法规的可能性,在一台6PC2-6/2L型柴油机上开展台架试验,验证了自行研发的新型喷油系统,即交叉喷孔油嘴和调压孔式喷油泵,对于降低船用柴油机NOx排放的效果.试验结果表明：交叉喷孔油嘴所产生的扇形喷雾在柴油机气缸的空间分布范围广,混合气更为稀薄,有利于抑制燃烧温度,从而降低NOx排放;将新型喷油系统应用于该柴油机使NOx排放率降低14.3%,同时制动油耗率降低1.5%.新型供油系统进一步优化有望使该柴油机的NOx排放满足IMO TierⅡ排放法规.     

柴油机SCR系统控制单元设计与研究

为降低车用柴油机氮氧化物排放,采用美国Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128开发一套SCR(Selective Catalytic Reduction)后处理系统控制单元,进行微控制单元(MCU)模块、电源管理模块、输入调理模块、输出驱动模块、控制器局域网(CAN)总线通讯模块等硬件电路设计。根据SCR工作原理,制定控制策略,设计和完善控制程序。以一种四缸柴油机为样机开展欧洲稳态测试循环(ESC)排放试验,并与原机进行比对。试验结果表明:安装SCR后处理系统的样机,NOx比排放量低至1.713 g/(k W·h),较原机的8.421 g/(k W·h)降低了79.44%,其中NOx最高转化率可达92.53%,平均转化效率达73.21%。柴油机NOx排放满足国Ⅴ排放标准,控制单元性能稳定,达到设计要求。     

单缸柴油机排放性能的生产一致性控制

为保证批量生产柴油机满足新排放标准要求,须对生产过程中关键参数进行控制.以S1115型柴油机为研究对象,利用燃烧过程分析软件对压缩余隙、喷油器伸出高度、喷油器流量和供油提前角等参数对整机排放性能的影响进行模拟研究,以确定这些关键参数满足非道路柴油机第三阶段排放标准要求的公差控制范围.结果表明:与目前企业的装配参数公差相比,为满足现行非道路柴油机排放标准要求须改变生产条件,通过增加关键参数控制设备,较大幅度地减小装配参数公差; S1115型柴油机的压缩余隙、油嘴伸出高度、喷油器流量和供油提前角控制分别在±0.07 mm,±0.1 mm,±0.07 L·min~(-1),±0.5℃A范围内,才能保证批量生产的柴油机排放性能符合排放法规要求.     

DOC与SCR系统在轻型柴油机中的应用研究

针对单独的选择性催化还原器(SCR)不能使轻型柴油机排放达到标准,提出氧化催化转化器(DOC)与SCR组合应用。基于台架试验,在一台四缸共轨增压中冷柴油机的排气管上匹配DOC和SCR并进行欧洲稳态循环(ESC)测试研究,探究了DOC对SCR入口处进气的温度影响和对SCR中结晶物进行热重分析,研究了DOC+SCR对柴油机的经济性的影响、尾气排放性能的影响。试验结果表明:DOC对提高SCR入口温度的作用不大,在转速2 400 r/min,扭矩126 N·m时达到最大10℃;DOC主要改变SCR入口NO2与NOx的体积比,怠速状态下提高比例达到64%,其余工况达到30%;对尿素沉积物进行了分析,得出排气管壁与喷嘴处附近的结晶组分含量不相同;柴油机采用DOC与SCR后处理装置后,燃油消耗率在高负荷情况下增大1.5%;CO和HC排放在各个负荷下都大幅下降,排放值分别为0.007 g/(k W·h)、0.005 g/(k W·h);NOx的排放在SCR作用下达到1.209 g/(k W·h),转化率达到79%。研究结果可为轻型柴油机满足排放标准、优化排放提供参考。     

喷油嘴流量对小型柴油机燃烧及排放影响的试验研究

以某186FA柴油机为研究对象,对比分析喷油嘴用不同加工方法的喷孔及流量变化对小型柴油机燃烧和排放性能的影响。试验结果表明:减小喷油嘴流量,同工况下柴油机的最大燃烧压力降低,燃烧始点提前,预混燃烧比重减小,扩散燃烧阶段燃烧速度加强。合理匹配喷油嘴的流量参数能有效降低柴油机的排放。喷油嘴喷孔用电火花打孔与用机械钻孔相比,能明显的改善柴油机排放性能。186FA柴油机用电火花打孔、流量为0.959 L/min的喷油嘴和原机机械钻孔的喷油嘴试验对比,整机HC、CO和PM排放分别下降了45.1%、27.7%和10.4%;NO_x上升11.3%;但HC+NOx仍下降2.4%(八工况排放试验循环)。用喷油嘴优化匹配后整机排放能达到中国非道路柴油机第三阶段排放标准的要求。研究表明:柴油机在中、小负荷工况的燃油消耗率、HC、CO明显减少是整机排放降低的主要因素,其机理是喷油嘴流量系数大,喷孔燃油流道表面质量改善,提高了喷油压力和喷雾质量,每循环喷雾形状稳定,改善油气的混合和燃烧质量,说明喷油嘴喷孔参数和流量是影响非道路小型柴油机性能和排放的重要因素。     

喷油压力对电控船用中速柴油机性能的影响

为了研究船用4190型柴油机电控化改造后,喷油压力对柴油机性能的影响,利用AMESim软件,建立电控燃油喷射系统仿真模型,通过正交试验设计方法安排燃油系统参数仿真计算,以实现燃油喷射特性的优化;同时基于AMESim与AVL_FIRE软件耦合,将优化结果导入柴油机缸内燃烧模型,进行仿真计算,以完成不同喷油压力对柴油机性能影响的综合分析。结果表明,当参数组合为:喷孔直径0. 22 mm、凸轮型线速度0. 46 mm/(°)、柱塞直径14 mm、高压油管长度1000 mm时,喷油压力为125 MPa;当参数组合为:喷孔直径0. 26 mm、凸轮型线速度0. 43 mm/(°)、柱塞直径14 mm、高压油管长度800 mm时,喷油压力为105 MPa。喷油压力提高,改善了柴油机燃烧质量,使得油耗率较原机降低约14. 3%与7. 2%,但NO_x排放质量分数分别升高约50%和11%,因此,需要兼顾柴油机的经济性与动力性进一步优化排放。     

通用小型汽油机控制单元设计与研究

为实现通用小型汽油机电控化,进一步提高其动力性、经济性和排放性,开发了一套完整的控制单元。控制单元采用美国Freescale公司16位单片机MC9S12XEP100为主控芯片,结合MC33812控制芯片,完成微控制单元(MCU)模块、电源模块、输入调理模块、输出驱动模块、控制器局域网总线(CAN)通讯模块等硬件电路设计。并编写底层驱动程序,对喷油与点火信号进行测试并分析,以168F型汽油机为样机完成发动机性能试验。试验结果表明:通用小型汽油机采用电子控制单元后,标定功率较原机提高了7.6%,最低有效燃油消耗率较原机降低了7.9%,最大扭矩可高达11.15 N·m,较原机提高了2.3%。按美国环境保护署(EPA)小型非道路火花点火发动机排放法规进行排放性能试验,CO排放下降至259.18 g/(k W·h),HC+NOx下降至8.05 g/(k W·h)。电控样机排放满足EPA第Ⅲ阶段排放限值,控制单元满足设计要求。     

油气混合参数对柴油机低温燃烧过程的影响

应用三维CFD模拟研究了喷油和进气参数包括喷油压力、喷孔直径和进气压力对柴油机低氧浓度低温燃烧(LTC)过程的影响.结果表明:随着喷油压力增加或喷孔直径的减小,各氧浓度下缸内燃烧压力和温度峰值都增大;相同氧浓度条件下预混燃烧的强度增大,出现明显预混燃烧的氧浓度增大;相同氧浓度条件下的soot排放降低;缸内局部温度最大值增大,NOx排放增大.进气压力增大,缸内压力上升更快,但缸内平均温度略有降低,相同氧浓度下着火时刻提前,滞燃期缩短;燃烧过程中局部缺氧的状况得到改善,相同氧浓度条件下燃油的燃烧更加完全,放出的总热量更多,燃烧效率明显提高;soot峰值和最终排放值都减小,NOx生成量进一步降低.     

排气背压对小型柴油机性能影响的研究

为分析排气背压对小型柴油机动力性、经济性和排放性能的影响,选取186F柴油机通过控制排气管上的节流阀开度调整排气背压进行试验。试验结果显示:随着排气背压的增大,样机的动力性能和经济性能均出现恶化,以标定工况(3 600 r/min,16.7 N·m)为例,排气背压增大到80%时,比油耗增加3.7%,扭矩降低5.6%;在低速工况下影响更为明显。过量空气系数在同一转速不同负荷均随排气背压的增大而减小。采用非道路用柴油机的稳态八工况排放试验循环得到不同排气背压下整机比排放,HC、CO比排放呈先降低后增加趋势,其中排气背压增加到20%和40%时,HC、CO比排放分别降低1.3%和1.1%,达到最小值;NO_X比排放呈下降趋势,排气背压增加到80%时,NO_X比排放降低17.1%;PM(颗粒物)比排放呈上升趋势,同时NO_X、PM比排放随排气背压的变化较为敏感。研究内容可为小功率非道路柴油机排气背压的设计值提供理论依据。     

单缸涡流室柴油机净化消声器的设计与研究

非道路柴油机排放标准的不断提高,仅靠机内净化单缸柴油机很难达到排放标准的要求。为了降低单缸涡流室柴油机的排放和噪声,设计优化具有净化和消声作用的净化消声器,以R180涡流室柴油机消声器为研究对象,通过Fluent 14.0软件模拟计算和试验的方法优化催化剂载体内部流场,并对其空气动力学性能、消声性能和催化性能展开研究。试验结果表明:安装净化消声器的整机CO、HC、PM比排放(八工况循环)分别为0.38、0.20、0.48 g/(kW·h),相比于原机分别降低了82.8%、54.0%、14.4%。通过催化剂载体内部流场优化,CO、HC、PM比优化前分别降低了22.7%、26.0%、6.3%;柴油机整机声功率级较原机降低了0.5 d B(A)。均匀的内部流场提高了催化剂的转化效率,延长催化剂的使用寿命。劣化试验后柴油机排放满足非道路柴油机国Ⅲ标准要求,研究成果有助于单缸柴油机降低整机排放和噪声。     

米勒循环模式的柴油机性能及NO_x排放的数值研究

为了使非道路柴油机达到第三阶段排放法规的要求,引入米勒循环技术。利用AVL Boost软件建立非道路D6114型柴油机的仿真模型,研究米勒循环对该柴油机的性能和NOx排放的影响。结果表明:进气门关闭正时提前,缸内的气体因膨胀降温过程,使压缩阶段的温度降低,NOx排放最大降低36%,但柴油机功率损失增加、油耗升高;压缩比的提高能改善柴油机的经济性,但同时会导致缸内爆发压力增高,柴油机机械负荷加重;推迟喷油正时可以使燃烧相位后移,缸内爆发压力降低,NOx的排放进一步降低。米勒循环、高压缩比、优化喷油正时等技术的结合,可以实现油耗仅升高2.2%的同时NOx排放降低30%,爆发压力降低2 MPa。该结论可以为非道路柴油机满足第三阶段法规而进行的改进设计提供参考。     

降低493柴油机排气污染物的研究

为满足国家新颁布排放法规的要求,对493柴油机的燃烧系统进行了改进设计,燃烧室由原来的四角ω型改为缩口凸台型,同时减小喷油提前角、提高喷油压力、增加喷孔数目、减小喷孔直径。大量的性能试验、排放试验和燃烧分析的结果表明,改进后的燃烧系统良好地兼顾了柴油机的动力性、经济性和排放特性。     

柴油机电控组合泵系统喷油特性分析

针对某中速柴油机燃油系统电控化改造,采用IFR600喷油规律测量仪,研究了喷孔直径、高压油管尺寸、泵出口节流、喷射背压和喷油器针阀开启压力对喷油规律、喷油量、循环喷油量波动及喷射延迟的影响.结果表明:采用0.26 mm喷孔直径时,喷油规律较好、喷射压力高,循环喷油量的波动小;采用新高压油管、有泵出口节流和高针阀开启压力时,喷油速率和喷油量均减小,但泵出口节流引起喷油量下降较大,且喷射压力下降,不宜采用;喷射背压增大会引起喷油速率减小,实际喷油规律与测量得到的喷油规律不同;泵出口节流和高压油管尺寸对循环喷油量波动的影响显著;各因素对喷射延迟均有影响,但开始喷射延迟的变化小于结束喷射延迟.试验分析结果为该柴油机电控燃油系统的结构参数优化提供相关的理论依据.     

满足非四排放标准的农用柴油机试验研究

随着非四排放法规的实施,对农用柴油机排放提出了新的要求。研究了采用EGR技术路线的某农用柴油机喷油器安装深度、EGR对发动机排放的影响以及在等NOx排放条件下喷油提前角和EGR共同作用对燃油经济性、碳烟(Soot)等的影响。通过研究发现：在非道路瞬态排放测试循环(non-road transient cycle, NRTC)下,喷油器垫片在1 mm厚度时发动机的经济性和排放最优;与发动机在低负荷工况下运行相比较,发动机在中高负荷运行时,EGR率每升高1%,发动机排气温度降低40%,NOx的排放降低3%;在保证NOx排放满足法规要求的前提下,可以适当提高EGR率和延迟喷油提前角,低负荷时发动机EGR率通常设定在7.5%～10%,喷油提前角在4°～6°,中高负荷时EGR率通常设定在10.5%～12%,喷油提前角在8°～11°;发动机排气温度在420～460℃,满足发动机排气系统要求。