电控共轨柴油机曲轴箱排放及其形成研究

发布时间：2017-10-14 15:12

  本文关键词：电控共轨柴油机曲轴箱排放及其形成研究

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【摘要】：内燃机曲轴箱排放正受到越来越多的关注和研究。目前有部分发动机,特别是非道路用柴油机,仍采用开式曲轴箱通风系统。随排放标准的加严,内燃机排气管排放物明显降低,曲轴箱排放相应地占总排放的比例日趋上升。本文采用试验结合数值模拟的方法研究电控共轨柴油机曲轴箱气体/颗粒排放及其形成。建立了曲轴箱可视化试验台,研究曲轴箱内机油破碎现象及柴油机转速的影响。研究表明:随转速提高,机油弧条数增加;机油弧长随时间呈现正比例上升,油弧扫略面积随时间先缓增后急增;机油弧圆心基本在一条与X轴成45°角的直线上,随转速增加,机油弧圆心分布逐渐分散,背离曲轴旋转轴心的倾向增加,机油运动的循环变动也变大;随时间发展,机油质点集平均速度波动变大,分离趋向明显,高转速下,机油弧逐渐变成机油滴。采用树状自适应网格和实时追踪两相界面的VOF方法数值模拟了机油气体相互作用,并温度补偿式体积法试验研究机油充气率。发现:机油滴在下落过程中被压缩成近椭圆形;机油滴撞击机油面会出现三种现象:机油滴机油面融合、融合飞溅过渡和机油滴飞溅;带有温度补偿的评价方法非常有必要;机油瞬时机油充气率和机油温度随时间迅速降低并接近于零和环境温度;机油充气率对油气混合物影响机油破碎过程的参数有一定影响。试验研究了柴油机曲轴箱颗粒的数量/质量排放、挥发和氧化特性及多环芳烃排放。结果表明:曲轴箱粒径分布在小负荷下呈单峰,大负荷下双峰,且负荷增大降低了核模态颗粒数量,增加了积聚态颗粒数量;颗粒数量随转速提高而降低;随喷油推迟,核模态颗粒数量降低而积聚态颗粒先降后升;曲轴箱颗粒样品中挥发性有机物占比超过95%,且随转速和负荷几乎不变;曲轴箱和排气管颗粒中PAHs比排放率均随负荷减小,其中,3环和4环芳烃所占比例最大;曲轴箱与排气管颗粒排放的当量毒性相当。建立了电控共轨柴油机曲轴箱排放综合试验台。首先以CO为标记物,对稳态工况关联研究了缸内燃烧、排气管和曲轴箱HC排放及喷油参数。结果表明:曲轴箱通风流量随转速、负荷而上升;曲轴箱排气量占排气管的比例随负荷而减小,随喷油推迟逐渐降低,变化量随转速升高而减小;气缸窜气对曲轴箱HC排放的贡献在5~35%之间。曲轴箱气体排放量因为累积效应强且无法采用后处理装置消除而不可忽视,尽管曲轴箱气体排放比排气管低一到两个数量级。关联研究了柴油机冷起动过程的燃油喷射、缸内燃烧、瞬态转速、排气管和曲轴箱HC排放及喷油参数的影响。研究发现:冷起动过程中,从第2循环开始,喷油器开始喷油,排气管HC排放迅速增至峰值后快速减小至稳定值,曲轴箱排放从起动开始就快速增大并稳定。低环境温度比高环境温度时冷起动更困难,排气管HC排放高,但曲轴箱HC排放的稳定值变化不大;随喷油推迟,排气管HC排放最高值和稳定值均有所降低,上止点喷油时,排气管HC排放值很高,曲轴箱HC排放随喷油推迟而降低;随设定油轨压力增大,曲轴箱和排气管HC排放降低。加入预喷后,加速阶段的缸压峰值比单次喷射有所降低,且随主预喷间隔变化不大,随预喷油量的增加先降后增,排气管HC排放在进入怠速后继续增大,且增速随着主预喷间隔而增大,随预喷量增加变化不大,曲轴箱HC排放稳定值比单次喷射时略高。
【关键词】：柴油机 曲轴箱排放 颗粒排放 机油破碎 机油充气 起动过程
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 发动机曲轴箱通风系统12-16
• 1.2.1 闭式曲轴箱通风系统12-15
• 1.2.2 开式曲轴箱通风系统15-16
• 1.3 柴油机曲轴箱排放研究现状16-18
• 1.4 柴油机曲轴箱排放形成研究现状18-25
• 1.4.1 曲轴箱内气体运动18-20
• 1.4.2 曲轴箱内机油运动20-22
• 1.4.3 曲轴箱油底壳内机油空气相互作用22-25
• 1.5 有待解决的问题25
• 1.6 本文主要研究内容25-27
• 第二章 柴油机曲轴箱内机油颗粒形成的试验研究27-45
• 2.1 概述27
• 2.2 试验装置及试验方法27-30
• 2.2.1 试验装置27-29
• 2.2.2 数据处理方法29-30
• 2.3 连杆轴承泄漏机油的形态发展过程30-34
• 2.4 机油弧几何参数变化34-41
• 2.5 机油质点/机油滴集平均速度41-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第三章 柴油机曲轴箱内机油撞击机油面的研究45-66
• 3.1 概述45
• 3.2 计算模型及计算方法45-48
• 3.3 机油滴-机油面相互作用过程48-54
• 3.3.1 低速撞击过程49-51
• 3.3.2 中速撞击过程51-54
• 3.3.3 高速撞击过程54
• 3.4 机油面结构的变化54-56
• 3.5 撞击过程机油滴-机油面间空气的压缩过程分析56-57
• 3.6 机油充气率的测试研究57-65
• 3.6.1 测试装置及测试方法58-60
• 3.6.2 机油充气率随时间的变化60-61
• 3.6.3 柴油机工况的影响61-63
• 3.6.4 机油充气率对机油破碎的影响分析63-65
• 3.7 本章小结65-66
• 第四章 柴油机曲轴箱颗粒排放及组成的试验研究66-87
• 4.1 概述66
• 4.2 试验装置及试验方法66-71
• 4.2.1 细微颗粒粒径测试方法68-69
• 4.2.2 颗粒成分及挥发和氧化特性测试方法69
• 4.2.3 颗粒多环芳烃测试方法69-71
• 4.3 曲轴箱细微颗粒数量及粒径分布分析71-76
• 4.3.1 柴油机负荷的影响71-73
• 4.3.2 柴油机转速的影响73-75
• 4.3.3 柴油机喷油定时的影响75-76
• 4.4 曲轴箱颗粒组成及挥发和氧化特性分析76-82
• 4.4.1 颗粒中VOC和Soot的比例76-77
• 4.4.2 颗粒中VOC的挥发特性77-80
• 4.4.3 颗粒中Soot的氧化特性80-82
• 4.5 曲轴箱颗粒PAHs排放研究82-86
• 4.6 本章小结86-87
• 第五章 柴油机曲轴箱气体排放的试验研究87-97
• 5.1 概述87
• 5.2 试验装置及试验方法87-88
• 5.2.1 试验柴油机及试验油品87-88
• 5.2.2 试验方法88
• 5.3 柴油机工况对曲轴箱通风参数和气体排放的影响88-91
• 5.3.1 对缸内燃烧过程的影响88-89
• 5.3.2 对曲轴箱通风参数的影响89-90
• 5.3.3 对曲轴箱气体排放的影响90-91
• 5.4 喷油定时对曲轴箱通风参数和气体排放的影响91-93
• 5.4.1 对缸内燃烧过程的影响91-92
• 5.4.2 对曲轴箱通风参数的影响92
• 5.4.3 对曲轴箱气体排放的影响92-93
• 5.5 曲轴箱气体排放溯源分析93-96
• 5.5.1 数据分析方法94-95
• 5.5.2 排气量的曲排比分析95
• 5.5.3 气缸窜气和机油对曲轴箱HC排放的贡献95-96
• 5.6 本章小结96-97
• 第六章 柴油机冷起动时曲轴箱气体排放研究97-118
• 6.1 概述97
• 6.2 试验装置及研究方法97-98
• 6.3 柴油机冷起动过程和瞬态HC排放分析98-104
• 6.3.1 冷起动过程中喷油、燃烧和HC排放综合分析98-101
• 6.3.2 冷起动典型循环的喷油、燃烧和HC排放分析101-104
• 6.4 环境温度对柴油机冷起动过程和排放的影响104-106
• 6.4.1 对冷起动性能的影响104-105
• 6.4.2 对冷起动过程中HC排放的影响105-106
• 6.5 喷油定时对柴油机冷起动过程和排放的影响106-108
• 6.5.1 对冷起动过程中喷油和燃烧的影响106-107
• 6.5.2 对冷起动过程中HC排放的影响107-108
• 6.6 油轨压力对柴油机冷起动过程和排放的影响108-111
• 6.6.1 对冷起动过程中喷油和燃烧的影响108-110
• 6.6.2 对冷起动过程中HC排放的影响110-111
• 6.7 主预喷间隔对柴油机冷起动过程和排放的影响111-114
• 6.7.1 对冷起动过程中喷油和燃烧的影响111-113
• 6.7.2 对冷起动过程中HC排放的影响113-114
• 6.8 预喷油量对柴油机冷起动过程和排放的影响114-116
• 6.8.1 对冷起动过程中喷油和燃烧的影响114-115
• 6.8.2 对冷起动过程中HC排放的影响115-116
• 6.9 本章小结116-118
• 第七章 全文总结和工作展望118-121
• 7.1 全文总结118-120
• 7.2 工作展望120-121
• 创新点说明121-122
• 参考文献122-130
• 附录1 曲轴箱和排气管颗粒中VOC和Soot的比例130
• 附录2 试验工况下VOC的最快挥发温度和Soot的氧化温度130-131
• 附录3 曲轴箱颗粒中包含的16种PAHs成分的比排放率131-132
• 附录4 排气管颗粒中包含的16种PAHs成分的比排放率132-133
• 符号与缩写133-135
• 博士学位期间已发表和录用的论文和申请的专利135-137
• 参加科研项目和获得的奖励137-138
• 致谢138-141

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