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。     

满足美国EPA 3排放法规的188F汽油机机内净化研究

为满足通用小型汽油机美国EPA 3排放法规的要求,对188F汽油机运用气道稳流试验、缸压采集试验、累计放热率计算等方法,研究气道流通系数、混合气浓度和点火提前角对汽油机CO、HC和NO_x排放的影响,分析排放特性、缸内燃烧压力、燃烧放热率、缸内温度的变化规律。结果表明:改进气道结构后,最大气门升程时进气道和排气道的流通能力分别增大39.5%和34.2%,气缸进气量增加,功率增大0.73 kW、燃油消耗率下降8.1 g/(kW·h),排放降低;点火提前角不变,改变过量空气系数φ_a大小,各工况下HC+NO_x存在一个最低值,研究得出低排放的理想混合气浓度特性,即标定工况下采用浓混合气(φ_a为0.835)以满足美国EPA 3排放法规,且过量空气系数随负荷的减小逐渐增大;其他参数不变,推迟点火提前角可以有效抑制NO_x、HC排放,但功率降低、燃油消耗率增加,综合考虑选取点火提前角为18°CA。188F汽油机经250 h劣化试验的CO和HC+NO_x排放结果为312.5 g/(kW·h)和7.1 g/(kW·h),低于美国EPA 3的610 g/(kW·h)和8.0 g/(kW·h)的限值,达到排放法规要求。研究工作为低排放通用小型汽油机研发提供了可供参考的技术路线。     

装配SCR系统的城市公交车NOx排放特性

利用车载测试系统,对4种类型车辆进行了整车排放测试.以SCR的起燃特性为理论基础,分析了装配SCR的国Ⅳ常规车及国Ⅳ混合动力车NOx排放偏高的原因.并结合试验所采集到的数据,采用怠速工况及工况片段2种分析方法,分析了排气温度对NOx排放的影响.研究结果表明:SCR技术的应用能一定程度上降低NOx排放量,装配SCR的城市...     

EGR技术对柴油机性能的影响

应用废气再循环(EGR)技术通过改善柴油机燃烧进程以降低NO_x排放。基于AVL-FIRE软件搭建TBD620柴油机仿真模型对其缸内燃烧进程进行仿真,并分析EGR技术对其主要性能指标带来的影响,据此判断不同运行情况下的最佳EGR率,在兼顾碳烟排放不致过高的前提下实现NO_x最终释放量最低。结果表明,柴油机工作负荷越大,缸内NO_x最终释放量越大。因此在高负荷工况下,应采用较高的EGR率来满足降低NO_x排放量的要求;在中负荷工况下,NO_x排放量已经大幅降低,综合考虑其动力性、经济性因素,选取适中的EGR率;在较低负荷工况下,NO_x产生量已经较低,EGR率对减小NO_x释放量的作用十分有限,故采用低EGR率。     

废气再循环瞬态修正控制策略对重型柴油机排放性能的影响

针对重型柴油机瞬态工况(特指恒定转速、转矩瞬增工况)空气系统响应迟滞造成的排放恶化问题,设计了废气再循环(EGR)瞬态修正控制策略,从EGR阀预控制和瞬态需求空气量两方面进行EGR瞬态修正:当判定发动机处于瞬态工况时,将EGR阀预控制开度设定为0,加快EGR阀关闭速度;依据瞬态程度修正需求空气量,使实际进气量更早满足需求空气量,实现EGR阀适时开启。试验结果表明:经过EGR瞬态修正,改善了瞬态工况排放恶化、发动机动力性响应不及时等问题;在WHTC(world harmonized transient cycle)瞬态循环中加入EGR瞬态修正后,氮氧化物(NO_x)排放降低了4.7%,碳烟排放降低了46.4%,碳氢化合物和一氧化碳排放分别降低了8.5%和30.3%,但二氧化碳排放增加了0.3%,油耗增大了0.6%。EGR瞬态修正控制策略虽然牺牲了0.6%的油耗,但是显著改善了NO_x、碳烟、碳氢化合物和一氧化碳等有害气体的排放,因此可为重型柴油发动机排放性能的改善提供借鉴。     

进气条件对EGR柴油机工作性能的影响

废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)技术已经被广泛地利用在降低NO_x排放方面。基于AVL-FIRE软件建立并校准TBD620柴油机仿真模型并对其缸内燃烧过程进行仿真分析,并研究EGR技术对柴油机的NO_x与碳烟排放性能指标的影响情况。可以看出,单独使用EGR技术在降低NO_x排放方面效果很好,与其他负荷相比,100%负荷时的降低幅度最为明显,最高可达到93.3%,但同时碳烟排放量亦有45%的增幅。在应用EGR技术的基础上,在原机EGR率为0.4、100%负荷工况下改变进气条件(进气温度与进气压力),分别研究二者对EGR柴油机的缸内燃烧过程(滞燃期、燃烧放热率)以及NO_x与碳烟排放的影响情况。结果表明,适当降低进气温度同时提高增压压力可以使NO_x与碳烟排放量同时降低,并且可以避免油耗以及功率的负面影响。     

深度废气再循环对二甲醚发动机性能及排放的影响

在一台两缸二甲醚发动机上开展了不同废气再循环(EGR)率下发动机的性能和排放特性研究,测量了不同工况下发动机的油耗,HC、CO和NO_x的排放.研究表明:二甲醚发动机可承受的最大EGR率接近60%,但在高负荷时,过大的EGR率会导致发动机燃油消耗率显著升高;EGR率对发动机的NO_x排放量影响很大,随着EGR率的增加,发动机的NO_x排放量大幅度下降,高负荷时下降幅度更大;EGR率增大,HC和CO排放增加,高负荷时增加的幅度更大,特别是当EGR率超过一定范围时,EGR率的增大会引起HC和CO排放的急剧增加;低负荷时,最佳EGR率应保持在30%左右,而高负荷时,应采用较小的EGR率.     

天然气发电的环境效益分析

在对燃气和燃煤发电的全生命周期清单分析的基础上,引入环境外部成本概念,计算两种火力发电的生命周期成本.分析结果表明,天然气发电生命周期过程中CO2总排放量为412.78 g/(kW·h),仅为燃煤排放量的48%,其他废气如SO2、CO和PM的生命周期排放总量分别为燃煤的10%,24%和8%.天然气发电的生命周期成本为0.454 8元/(kW·h),其中外部成本是0.0587元/(kW·h),仅为燃煤发电的39%.     

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。     

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。     

SCR/DOC+DPF+SCR后处理系统对重型柴油机性能及排放的影响

文章基于氧化型催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)耦合颗粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原器(selective catalytic reduction,SCR)后处理技术,对比了原机、搭载SCR、搭载DOC+DPF+SCR 3种状态下重型柴油发动机的性能、排气污染物排放状况以及SCR入口处NO在氮氧化物(NOx)中的体积比。试验结果表明,搭载DOC+DPF+SCR系统比搭载SCR系统的发动机扭矩降低了10N·m,油耗基本保持不变;对比搭载DOC+SCR、搭载SCR以及搭载DOC+DPF+SCR 3种状态下SCR入口处NO在NOx中的比例发现,SCR状态下基本全为NO,其余2种状态下NOx中NO的体积比随温度升高而逐渐降低,排温在450℃时该比例下降到0.86;搭载DOC+DPF+SCR的ESC试验中CO转化效率为93%,HC转化效率为70%,NOx转化效率为90%,PM转化效率为51%,相比于搭载SCR的ESC试验,NOx的转化效率降低了3%。     

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.     

基于文丘里管测量的EGR闭环控制试验研究

EGR技术是满足国六排放的关键技术之一,通过控制EGR率实现控制NOx排放,新鲜进气量和废气量精确测量是柴油机EGR闭环控制的前提。采用文丘里管测量EGR质量流量进行闭环控制研究,分别在发动机台架和整车PEMS进行稳态和瞬态工况验证。结果表明:文丘里管布置在EGR阀下游(EGR阀前置),在稳态工况下,测量偏差在1%以内;在瞬态工况下,大部分工况的偏差都在3%以内,能够满足国六整车匹配适应性和排放一致性控制要求。     

欧Ⅵ柴油机SCR混合器数值模拟与优化

为了提升发动机选择性催化还原(SCR)系统的低温性能,本文采用计算流体动力学(CFD)方法对某欧VI柴油机SCR混合器进行仿真模拟及结构优化,并借助台架试验进行了发动机排放测试.结果表明,混合器经最佳方案优化后,SCR系统的NOx转化率明显提升,冷态WHTC工况下NOx排放量和NH3平均泄漏量分别为0.191 g/(k...     

基于比功率与发动机功率的重型柴油车实际道路排特性

重型柴油车在实际道路上的污染物排放备受关注。利用便携式排放测试系统(PEMS)收集了重型柴油货车OBD数据和排放数据;引入重型车比功率(VSP)和发动机功率分别研究了其对柴油车排放的影响及二者间的关系。结果表明,96%以上行驶处于VSP区间[-10,10]k W·t~(-1),CO、NOx排放随VSP增大先升高后降低; CO_2排放随VSP增大而增大。CO、NO_x排放随发动机功率增大先升高后降低; CO_2排放随发动机功率增大而增大。VSP大于0且发动机功率小于55 k W时CO排放因子较高; VSP大于0且发动机功率小于55 k W时NO_x排放因子较高;随着VSP与发动机功率逐渐增大时CO_2的排放因子逐渐增大。该研究成果为重型柴油汽车的排放控制提供了一定的技术参考。     

柴油卡车实际道路氮氧化物排放特征分析

利用SEMTECH-DS车载排放分析仪对3辆柴油卡车进行实际道路排放测试,获得了车辆的行驶工况、油耗及污染物排放数据,并分析得到工况、油耗与NO_x、NO和NO_2排放之间的关系.结果表明:测试车辆NO_x排放与各行驶工况下的速度、加速度及油耗密切相关.速度对NO_x、NO、NO_2排放速率的影响主要体现在高速阶段,此阶段排放速率随速度的增加迅速升高,而NO_x排放因子在速度为40～60 km/h时达到最低;车辆行驶过程中当加速度大于-0.3 m/s~2时,NO_x、NO和NO_2排放速率和排放因子均随加速度的增加而升高,且随着速度段的提高,这种趋势愈加明显;当油耗速率在0.04～0.07 L/s时,NO_x、NO和NO_2排放速率随油耗增加基本不变,其排放因子则不断减小,说明合理控制油耗将有利于NO_x排放的减少.     

废气再循环对燃用生物柴油发动机排放的影响

基于一台匹配冷却废气再循环系统(EGR)的轻型高压共轨柴油机,试验研究了EGR与主喷正时对燃用生物柴油发动机排放特性的影响.结果表明:外特性下,燃用生物柴油后,发动机的氮氧化合物(NO_x)排放明显增加,而总碳氢化合物(THC)排放和超细颗粒排放数量浓度都明显降低.在转速为2 200r·min~(-1)的25%负荷下,随着EGR率的增加,NO_x排放、超细颗粒总数量浓度都明显减少,THC排放以及燃油消耗率都降低,而随着主喷的滞后,NO_x排放和超细颗粒总数量浓度也明显减少,但燃油消耗率和THC排放却增加;在50%负荷,随着EGR率的增大和主喷的滞后,NO_x排放和超细颗粒总数量浓度也明显减少,但THC排放和燃油消耗率都增加;主喷正时对超细颗粒数量的影响相对较小.综合考虑排放和燃油经济性,在25%负荷时采用较大EGR率(26%)和较早主喷(提前7.7°曲轴转角)方案,而在50%负荷时采用中等EGR率(18%)和较早主喷(提前6.3°曲轴转角)方案.     

重型车用柴油机燃烧与排放特性分析

针对某重型车用柴油机的燃烧特性与污染物排放特点,通过台架试验方法测试了不同转速和不同负荷下重型车用柴油机的燃烧特性、主要污染物PM与NO_x排放。结果表明:对该重型车用柴油机,在外特性高转速工况下,滞燃期增长,缸内燃烧过程中扩散燃烧所占比重增加;在柴油机常用转速1 400 r/min情况下,随着柴油机负荷增加,滞燃期逐渐缩短,燃烧持续期呈先缩短后增加的趋势,扩散燃烧所占比重增加。在外特性低转速工况,柴油机缸内的滞燃期较长,燃烧温度高,碳烟和NO_x排放均较高;在高负荷工况,由于供油量加大,燃烧持续期变长、燃烧温度高,碳烟和NO_x排放也比较高。     

基于遗传算法的柴油机空气系统优化研究

为了提高柴油机的燃油经济性,文章利用遗传算法对带有废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)系统的涡轮增压柴油机空气系统进行参数优化.以发动机有效燃油消耗率为优化目标,NOx与Soot排放为约束,EGR阀开度与可变截面涡轮增压器的叶片开度为优化参数,利用开发的GT-Power与Matlab/Simulink联合仿真程序进行遗传算法寻优.全负荷工况下的寻优结果表明,寻优后燃油消耗率相较于原机下降了1.21～2.42 g/(kW·h),通过遗传算法优化的空气系统参数能明显改善柴油机的燃油经济性.最后根据发动机各个工况的优化结果,绘制了EGR阀开度map与涡轮增压系统(variable geometry turbocharger,VGT)叶片开度map.     

小型乘用车在高海拔城市实际道路行驶工况研究

为研究高海拔城市小型乘用车辆的实际道路行驶工况,选取某品牌1.6L家用小轿车为研究对象,按照实际行驶污染物排放试验方法,采用便携式排放测试系统(PEMS)进行车辆尾气排放测试.得出了西宁工况下的车速—时间曲线,分析了不同车速下的CO、CO_2及NO_x排放.试验结果表明,在西宁地区实际道路行驶的车辆,加减速频繁,比例达77.8%,NO_x排放为0.026g/km,CO排放为0.08g/km,CO_2排放为77.323g/km,低于国四排放限值.