宽馏程燃料及燃烧边界条件对压燃式发动机燃烧及排放的影响研究

发布时间：2018-10-15 20:53

【摘要】：针对传统柴油机混合时间短、混合气形成不均匀难以同时降低NOx和PM排放的问题,预混合压缩着火燃烧模式作为内燃机未来实现高效清洁燃烧的重要手段,受到国内外研究者的普遍关注。利用理化特性介于汽油和柴油之间的宽馏程燃料,实现汽油机预混合气形成方式和柴油机的压缩着火方式统一化的燃烧模式,可以同时发挥汽油机和柴油机在经济性和排放性方面各自的优点,将是未来内燃机实现高效清洁燃烧的有效途径。本文以提高内燃机热效率、同时降低NOx和PM为目标,提出了宽馏程燃料与燃烧边界条件协同作用的内燃机燃烧过程优化控制的思想,通过台架试验与仿真计算相结合的研究手段,探求宽馏程燃料、EGR、燃油喷射参数的自变量、组合变量结合实现内燃机燃烧过程控制参数优化的方法和技术。揭示宽馏程燃料、喷射参数、缸内活化条件、温度条件对压燃式发动机燃烧过程的影响规律和影响机理,寻求宽馏程燃料与燃烧边界条件协同作用的内燃机燃烧过程优化控制策略,探索同时降低NOx和碳烟排放、改善燃烧的定容性、提高燃烧热效率的燃烧控制方法,减少发动机的原始排放污染物。首先,构建了压燃式发动机燃烧与排放研究的测控系统平台,并构建了研究宽馏程燃料燃烧与排放特性的三维CFD化学反应动力学数值模型。通过台架试验与数值仿真系统地研究了宽馏程燃料的燃烧与排放特性。结果表明,喷油正时直接决定了燃料雾化过程与燃烧过程所历经的热氛围以及能量的转化效率,对燃烧与排放有着重要的影响。等容度、燃烧效率与壁面传热损失是影响指示热效率的三个主要因素,最优的指示热效率需要达到三者之间的平衡。宽馏程燃料由于挥发性改善、着火性降低,有助于延长滞燃期并促进燃油与空气混合,有利于在滞燃期内形成比例较大的均质预混合气,从而有利于实现预混合压缩着火燃烧模式。此外,宽馏程燃料中汽油比例增加,相应降低了混合燃料中重烃组分比例,在相同的条件下使用宽馏程燃料有利于大幅降低碳烟排放。但是,使用宽馏程燃料易出现过度混合,形成较多过稀混合气区,导致CO与HC排放较高,与柴油相比指示热效率降低,但仍明显高于汽油机。基于所提出的缸内边界条件参数分布不均性的概念,进行了数值计算研究,结果表明滞燃期内宽馏程燃料中汽油组分的不均匀性明显低于柴油组分,高挥发性的汽油成分有利于促进低挥发性柴油成分的蒸发,同时也抑制了活性较高组分的低温化学反应,宽馏程燃料的着火主要是由活性高的柴油组分触发。其次,通过优化燃料的馏程范围和十六烷值,协同控制缸内燃烧的活化氛围和热氛围,探究了同时降低微粒和NOx排放的燃烧过程控制方法与策略,揭示了燃料化学及缸内活化热氛围对燃烧及排放的影响机理。研究表明,随着再循环废气量的增加,进气氧浓度降低,缸内燃烧温度得到有效控制,柴油的NOx排放随之降低,其碳烟排放明显增大,NOx与Soot之间的Trade-off关系较为明显,而采用宽馏程燃料,在NOx排放明显降低的同时碳烟排放也能维持在较低的水平。在小负荷工况,当EGR率超过20%之后,不完全燃烧现象明显增加,导致燃烧效率较低。基于试验与仿真计算的结果,通过燃料特性与燃烧条件的优化,在中等负荷与小负荷工况,得到了基于同时降低NOx与Soot排放以及兼顾燃油经济性的最优控制策略,实现了对燃料特性与缸内活化氛围及热氛围的优化。燃油喷射边界条件是影响发动机混合气形成、燃烧、排放及性能的重要因素,基于燃料特性与缸内活化氛围及热氛围的优化策略,进一步开展了喷油参数与宽馏程燃料协同控制改善压燃式发动机燃烧与排放特性的研究。研究结果表明,采用宽馏程燃料最佳燃油喷射边界条件与传统柴油燃料存在一定差异,宽馏程燃料降低了对于喷油参数调节的敏感性。中等负荷工况下,喷油压力提高,对于宽馏程燃料的碳烟排放改善效果不明显,相反NOx排放会相应增加,同时会导致局部区域过度混合,引发反应链中断,不完全燃烧产物增加。对于预喷射量的研究表明,当采用小预喷量(预喷量为6%)时,不同预喷间隔角对缸内热氛围与活化氛围的调节作用有限,从而对宽馏程燃料主喷阶段的油气混合过程及燃烧过程影响较小。适当加大预喷量(预喷量分别为10%、20%、30%,预喷间隔为30°CA),随着预喷量的增加,对于纯柴油预喷引起明显的冷焰和热焰组成的两阶段放热反应,而宽馏程燃料的预喷只出现有冷焰而无热焰的单阶段放热反应,产生大量的非完全燃烧产物的活性自由基,有利于促进燃烧的开展。当预喷量增加至30%时,预喷的喷雾前端已经撞击到活塞顶面,易形成壁面油膜,导致碳烟的生成。总的来说,对于柴油和宽馏程燃料,随预喷量增加NOx排放都有减小的趋势,而柴油的碳烟排放随预喷量的增加而增加,宽馏程燃料的碳烟排放增加的趋势减弱,总体变化不大。最后,基于宽馏程燃料与燃烧边界条件协同作用实现内燃机燃烧过程优化控制的目标,进一步结合CFD、Taguchi法和ANOVA技术的优化方法,从燃烧理论与优化理论出发,开展了寻求同时改善NOx、Soot以及燃油消耗率的最佳折衷方案的研究。研究结果表明,对于应用宽馏程燃料的发动机,中等负荷工况时,在最优参数及水平的组合下,相比参考的初始边界条件,NOx排放有小幅减少,幅度在2%以内,碳烟排放与指示燃油消耗率都有不同程度的降低。对于小负荷工况,在最优参数及水平的组合下,NOx排放与碳烟排放相比参考的初始边界条件降低效果明显,同时并未恶化指示燃油消耗率,从而使得NOx排放、碳烟排放及燃油经济性形成最佳折衷。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
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本文编号：2273802