发动机&排放专题2022年
本文研究了天然气发动机主动射流点火模式下喷射压力和喷射脉宽对射流燃烧特性的影响。试验条件为：保持进气道压力为0.08 MPa、进气道天然气喷射脉宽为18 ms、调整射流室天然气主动喷射压力从0.5 MPa依次增加到3.0 MPa，增量间隔为0.5 MPa，主动喷射脉宽从1 ms依次增加到5 ms，增量间隔为1 ms。发动机的转速为800 r/min，点火时刻为-24°CA ATDC。试验结果表明，相比于被动射流点火，主动射流点火可提高峰值放热速率，加速燃烧。主动喷射压力和脉宽过低时，循环波动率（COV）大；随着主动喷射压力或脉宽增加，燃烧稳定（COV<1.5 %）；继续增加主动喷射压力或脉宽对燃烧稳定性的影响不大。随着主动喷射压力和脉宽的增大，发动机峰值压力和峰值放热速率增加，初始阶段燃烧速度加快，但整体燃烧持续期变长。在固定点火时刻条件下，较低的主动喷射压力和脉宽实现更高的发动机指示热效率。主动喷射压力为0.5 MPa，主动喷射脉宽为2~5 ms时，发动机取得最高的指示热效率，优化后的指示热效率提高了2.8%。
基于高原环境模拟试验台架，研究了不同海拔下国六柴油机全负荷和40%负荷工况下的动力性、经济性及排放特性，同时探讨了4 000 m海拔下发动机持续运行在低转速大负荷工况柴油机颗粒物捕集器（DPF）堵塞的可能性。结果表明：全负荷和40%负荷工况下随着海拔的上升，发动机的进气流量、空燃比、有效热效率，排气氧浓度、排气压力呈非线性减小，有效燃油消耗率、排气温度、NO x 排放呈不同幅度增加；动力性、经济性下降明显，排放性能恶化；全负荷工况对海拔的变化更加敏感，特别是低转速和高转速的性能降幅较大；国六柴油机在4 000 m海拔下持续运行在低转速大负荷工况，DPF内大量颗粒物沉积但再生困难，较短时间内被堵塞。
为推动预燃室点火系统的高效应用、加强对热射流自身的认识，本文通过Converge软件仿真研究了关键结构参数对预燃室内混合气形成与热射流发展特性的影响。研究结果表明：随着面容比和截面比的增大，射流火焰的贯穿距和分布面积均呈现出先增大后减小的趋势。当预燃室面容比为0.02~0.036 cm-1时，能获得相对较大的贯穿距和分布面积。同时，较小的面容比更有利于热射流在其轴向上的发展；较大面容比预燃室，其热射流在径向上的扩散范围更大。0.15和0.20截面比预燃室能获得相对较大的贯穿距离和分布面积。当截面比较大时预燃室内混合气形成质量恶化、燃烧压力降低；当截面比较小时燃烧压力也有所下降。同时，预燃室上部结构采用圆台结构时能获得相对较好的燃烧压力和射流火焰贯穿距离与分布面积，采用阶梯结构时射流形成与发展性能较差。
以一辆配备了尾气颗粒物捕集器的国VI标准缸内直喷汽油车（gasoline direct injection vehicle，GDIV）为研究对象，使用颗粒物冷凝生长计数器（condensation particle counters，CPC）和电子低压冲击器（electrostatic low voltage impactor，ELPI+）两种仪器测量尾气中不同粒径范围的颗粒物数量（particle number，PN）排放浓度。在底盘测功机上进行世界轻型汽车测试循环（worldwide harmonized light vehicle test cycle，WLTC）冷起动试验，试验结果显示，在WLTC循环试验超高速段中ELPI+_29~2 500 nm比CPC_23~2 500 nm的测量结果高出1个数量级，ELPI+_6~29 nm超细颗粒物作为PN排放主体占比高达97.5%；在热起动条件下WLTC循环高速段和超高速段试验表明，发动机原排恶劣、汽油机颗粒捕集器的持续再生反应导致大量超细颗粒物排放。为降低汽车颗粒物排放对环境及人体健康的影响，需对车辆尾气颗粒物粒径分布进行深入研究，并对23 nm以下超细颗粒物进行更多的关注。
基于一台长安1.5TGDI直喷混动专用发动机研究了不同水温条件下喷油策略对性能的影响，结果表明：1 000 r/min工况下，多次喷射可在30 ℃低水温下相比单次喷射实现更低油耗和碳烟排放，优势区域拓展至0.5 MPa BMEP以下，随着水温升高至50 ℃以上时，其主要在0.7 MPa BMEP以上的中高负荷工况具有更低油耗，碳烟排放则相比逐渐变差；2 000和3 000 r/min工况下，多次喷射仅在中高负荷油耗更低，且随着水温和转速增加优势逐渐减小，此外单次喷射的PN排放在中低负荷下与多次喷射相当或更优，但随着转速和负荷增加相比明显变差。由此在30 ℃低水温下，2 000和3 000 r/min可分别选取0.8和1.0 MPa BMEP以上负荷区域采用多次喷射，随着水温升高至50 ℃以上，可逐渐提升至1.0和1.3 MPa BMEP以上区域。
基于某国六小缸径柴油机加载DOC+CDPF+SCR后处理测试台架，进行了8 g/L碳载量下CDPF主动再生及降怠速（DTI）再生试验，研究分析了CDPF主动再生对涂覆不同催化剂SCR工作特性的影响。结果表明：由于混合器作用，CDPF主动再生对SCR入口面温度分布均匀性影响较小，主动再生期间SCR入口温度平均约为580 ℃；主动再生稳定期间，两种催化剂涂覆方案下，NO x 转化效率均较低，铜基分子筛SCR的NO x 转化效率约为80.3%，钒基SCR约为32%，前者稳定性较好；DTI主动再生试验时，主动再生前，NO x 转化效率随SCR入口温度的升高逐渐升高，入口温度为401 ℃时达到这一期间最高值，约为99.3%；主动再生稳定后，转化效率随温度升高而降低；当工况突变为怠速工况时，SCR入口达到最高温度，约为582 ℃，此时转化效率为82.2%，氧浓度升高，致使NO x 转化效率迅速升高至较高值后保持稳定，转化效率稳定于99.5%，直至温度较低时转化效率下降。
对于轻型柴油机而言，采用可变喷嘴涡轮增压（VNT）技术和排气再循环（EGR）是较为理想的机内净化技术措施。国六轻型车排放法规的实施，使得高原地区轻型车的污染物排放问题受到更多的关注。为此，采用高原环境模拟装置，试验研究了在海拔分别为0、1 000和1 960 m时，基于VNT驱动高压EGR对一台轻型车用高速直喷柴油机燃烧和排放的影响。结果表明：采用VNT驱动EGR时，不同海拔下，在相同的VNT喷嘴环开度范围内，EGR率的变化范围几乎相同。不同海拔下，随着EGR率的升高，最高平均温度降低；最大转矩工况的最高缸内压力降低，燃烧始点推后，燃烧持续期延长；而额定功率工况的最高缸内压力升高，燃烧始点提前，燃烧持续期缩短。EGR仍然能够有效降低不同海拔下的NO x 排放，且随着海拔的升高，NO x 比排放降幅增大；不同海拔下，基于VNT驱动EGR时，随着EGR率的升高，最大转矩工况的CO比排放和烟度均升高，而额定功率工况的CO比排放和烟度均随之降低，并且高原地区，EGR对CO比排放和烟度的影响更为显著。
噪声主动控制的关键是对被控噪声幅值和相位的准确估计，PSC-FxLMS算法在Command信号中加入噪声信号的相位，可发出比Command-FxLMS算法更小的次级声，但会受到次级通路估计准确性和傅里叶变换相位提取速度的制约。本文以某SUV车内发动机噪声为研究对象，提出滤波PSC-FxLMS（FPSC-FxLMS）算法，将从车内4个座椅头枕处采集的噪声信号作为初级噪声，通过仿真比较FPSC-FxLMS算法和Command-FxLMS算法对2、3阶发动机噪声同时控制的效果；接着，基于DSP硬件平台对另一辆SUV进行实车试验，再次对比两种算法的效果。结果显示，在对驾驶员和驾驶员后排乘员的左右耳处的发动机噪声进行控制时，在800 r/min怠速工况下，所提出算法4阶噪声的次级声幅值比Command-FxLMS算法降低25%以上；在1 900 r/min空转工况下，2阶噪声的次级声幅值降低50%以上。说明FPSC-FxLMS算法能快速准确地提取不同转速下发动机噪声的相位信息，使扬声器发出比Command-FxLMS算法更小的次级声。
本文研究了排气门关闭正时（EVCT）耦合点火正时（IT）对火花点火汽油直喷（GDI）发动机在５种不同工况下燃烧、性能和微粒排放的影响。研究结果表明，EVCT的延迟导致燃烧持续期（CA5-CA90）延长和燃烧中心（CA50）延迟。而IT的提前可以提前CA50，缩短燃烧持续期。EVCT结合IT可有效改善发动机油耗和微粒排放，有效燃油消耗率（BSFC）可降低4.66%，微粒总数最多可减少95%。随着负荷或转速的增加，EVCT对微粒排放和燃料消耗的影响减弱。
现有的多数变步长主动控制算法的思路是建立步长参数与误差之间的非线性函数。本文中提出了一种基于反正切函数的迭代变步长FxLMS算法（iterative variable step-size FxLMS， IVS-FxLMS）；然后根据发动机转速信号构造参考信号，再利用IVS-FxLMS算法对驾驶员耳侧的2阶、4阶和6阶发动机噪声进行主动控制效果仿真；最后基于某国产车设计搭建主动控制系统软硬件进行实车实验来验证仿真结果。实验结果表明，车内发动机阶次噪声得到有效抑制，降低了车内发动机轰鸣声。
本文中针对增压柴油机海拔自适应和主动调节能力不清且只得通过大量试验确定的问题，开展增压系统海拔自适应和调节能力的分析方法研究。建立了增压系统海拔自适应能力分析模型，分析了影响海拔自适应能力的影响因素，推导了增压系统调节方式的调节量与海拔适应能力变化的对应关系。在变海拔柴油机性能测试台架完成了试验验证。结果显示海拔自适应能力模型计算结果与试验结果吻合，在不同海拔运行范围内，海拔调节能力的误差均小于5%。
应用EEPS粒径谱仪、高分辨率透射电子显微镜、同步热分析仪等仪器分析了3种不同碘值生物柴油（大豆生物柴油、棕榈生物柴油和餐废油脂生物柴油）在高压共轨柴油机燃烧产生颗粒物的微观结构和氧化特性。结果表明：相较于柴油燃烧颗粒物，生物柴油燃烧颗粒物粒径偏小、聚集程度更高、基本碳粒子微晶碳层越发无序，起燃温度Ti、燃尽温度Te和氧化速率峰值温度Tp更低。大豆生物柴油、棕榈生物柴油和餐废油脂生物柴油燃烧颗粒物的盒维数比柴油颗粒分别变大0.8%、0.9%、1.1%；平均粒径分别降低5.1%、6.7%、13.9%；表观活化能分别降低12.4%、13.4%和16.9%，氧化反应所需能量降低。随着生物柴油碘值的降低，生物柴油燃烧颗粒物的数量浓度减小，盒维数增大，颗粒物内部碳层更短小、更弯曲，氧化活性升高。
提高CNG-DI发动机的指示热效率是适应低碳化要求的重要途径。采用CFD软件AVL FIRE，对2.0 L柴油机改装的CNG-DI发动机燃烧过程和缸内流场特性进行了仿真分析。首先用CNG-DI光学发动机实验结果验证了计算模型的正确性。基于仿真模型分析了CNG燃料缸内直喷时不同燃烧室结构的湍流强度对火焰传播过程的影响，以及双点点火模式对平顶燃烧室火焰传播速度的影响。结果表明，燃烧室形状对湍流特性和浓度场分布特性有较大影响。湍流强度的增加加速了火焰的传播过程，但湍流强度过大会导致火焰表面断裂，局部燃烧不充分，使得燃烧效率下降，从而导致指示热效率下降。双点点火不仅能增大火焰前锋面积，而且能在两火焰团之间形成相互驱动效应，燃烧更加充分，从而提高指示热效率。
本文中选取了一台7.8 L的重型柴油机，在发动机台架上运行WHSC（世界统一稳态循环）、冷热态WHTC（世界统一瞬态循环），并通过发动机在环的方法在发动机台架上运行重型柴油车实际道路（PEMS）循环，采用能够同时测量PN10（10 nm以上颗粒物数量）和PN23（23 nm以上颗粒物数量）的颗粒计数器等设备测量了细小颗粒物排放。结果表明：PN10和PN23的PEMS工况瞬态排放的变化规律基本一致。PN10的比排放比PN23的比排放高。重型车PEMS中高速高负荷区间PN排放增加很快，且此时排放的颗粒物粒径较大，PN10和PN23的差异不明显。在中速区间，PN10的排放显著高于PN23。WHTC和基于EIL的PEMS两种测试工况的发动机运行工况点差异很大。基于EIL的开发方式能够在发动机台架上进行整车PEMS颗粒物排放的评估。
发动机&排放专题2022年
