柴油机燃用生物柴油低温燃烧性能的仿真研究

发布时间：2020-04-26 15:36

【摘要】：为了改善能源短缺的现状、满足日趋严格的排放法规,发展内燃机替代清洁燃料以及严格控制内燃机排放污染物迫在眉睫。生物柴油作为一种可再生能源,由于存在诸多优点近年来在全世界已经被广泛研究和应用,但是生物柴油还存在着在柴油机上使用会造成较高的NO_x排放等问题。低温燃烧作为一种新型的燃烧方式,由于其可以同时降低NO_x和碳烟排放,已成为当下内燃机领域研究的热点,因此在柴油机上燃用生物柴油时可以通过将燃烧模式转化为低温燃烧来降低较高的NO_x排放。本文以4JB1涡轮增压柴油机为研究对象,为了给柴油机燃用生物柴油实现低温燃烧提供理论依据,首先对比了柴油机燃用柴油与生物柴油的燃烧过程、动力性、经济性、排放性。研究发现,柴油机燃用生物柴油的确出现了NO_x排放高的特点,为了降低NO_x排放,需要将生物柴油的燃烧模式转变为低温燃烧。由于低温燃烧需要较高的EGR率来实现,会受到负荷限制,本文首先在小负荷工况下研究了EGR单独作用对柴油和生物柴油的影响。基于EGR单独作用的结果结合4JB1机型的特点选择了喷油正时和喷油压力作为实现低温燃烧的辅助手段,最终通过三种不同手段分别实现了生物柴油的低温燃烧。研究表明:(1)柴油机燃用等量的生物柴油和柴油时,生物柴油的扭矩输出低于柴油;同一工况下,生物柴油相比柴油的油耗率和NO_x排放升高,碳烟、CO和HC排放降低。(2)单纯的引入EGR可以降低生物柴油的NO_x排放,但是EGR对碳烟、HC和CO排放的恶化效果大于生物柴油的优化效果。在小负荷时最大EGR率处,生物柴油的油耗率比柴油机原机低。(3)推迟喷油正时可以同时降低生物柴油的NO_x和碳烟排放,但过度推迟喷油正时会对生物柴油较低的经济性造成进一步恶化,而且会使CO和HC排放升高,此时生物柴油对CO和HC排放的优化作用不强。(4)在较小EGR率和较晚喷油综合作用下,NO_x和碳烟排放相比原机可分别下降54.36%和1.36%,实现了生物柴油的低温燃烧,且此时油耗率相比原机下降0.08%,但是CO和HC严重恶化。(5)单纯地提高喷油压力可以降低碳烟、CO和HC排放,同时略微改善了生物柴油的经济性。喷油压力较高时生物柴油的NO_x排放相对于柴油的增幅变小,但是生物柴油的NO_x排放仍高于柴油。(6)在较小EGR率和较高喷油压力综合作用下,NO_x和碳烟排放相比原机分别可下降8.57%和9.98%,实现了生物柴油的低温燃烧,但此时油耗率、CO和HC排放略有上升。
【图文】：

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器（DPF）。但是，后处理技术还存在许多问题：一是复杂的后处理器中含有贵金属，增加了内燃机制造的成本；二是后处理器的增加使得控制策略更为复杂，，如果使用不当反而会降低燃油经济性。此外，新型燃烧方式已经成为当下内燃机领域研究的热点[28-31]。由此可见，采用机内净化的方式，发展先进的内燃机燃烧技术，通过优化柴油机的燃烧过程来控制排放源头才是更为可行的手段。因此发展新型燃烧方式从源头降低排放迫在眉睫。1.3.2低温燃烧内燃机的碳烟和NOx排放与缸内燃烧温度T和混合物的当量比φ密切相关，如图1-1所示。从图1-1中可以看出，传统的柴油机燃烧路径必然会经过碳烟和NOx生成区，为了降低NOx和碳烟排放的产生，就要基于φ-T图寻找新的燃烧路径，从源头上控制碳烟和NOx的生成。图1-1表明了三种新型燃烧模式[32]：（1）均质混合气压燃（HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI）（2）预混压燃（PremixedChargeCompressionIgnition，PCCI）（3）低温燃烧（LowTemperatureCombustion，LTC）。图1-1传统和新型燃烧方式的φ-T图由图1-1可以看出，这三种燃烧模式基本上都可以避开NOx和碳烟生成区域，改善NOx和碳烟排放此消彼长的关系。下面简单对比一下三种燃烧模式的优劣：（1）HCCI技术均质混合气压燃（HCCI）的本质是稀薄预混合气低温燃烧，在燃烧开始之前燃料

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放热率曲线可以得到燃烧速率曲线，没有分析计算缸内燃烧机理，因此无法预测排放物[54]。GT-POWER自带的比较常用的两种柴油机非预测燃烧模型有两种：EngCylCombProfile和EngCylCombDIWiebe。可预测燃烧模型是根据所输入的柴油机的结构参数和运行参数等通过计算分析得到燃烧速率，通过对输入变量的分析得到缸内的物理、化学反应过程的机理，从而能够对排放进行预测。GT-POWER自带的比较常用的两种柴油机可预测燃烧模型分别为EngCylCombDIJet和EngCylCombDIPulse。(1)EngCylCombDIJet模型是以广安博之喷雾模型为基础构成的，如图2-1所示。该模型假定油束的浓度分布与燃烧过程无关，仅与空气涡流有关。以实测数据为计算基础，通过半经验方程模拟燃油的喷射过程。燃油喷雾区域由燃油区、未燃区和已燃区三大部分组成。每个部分都划分有若干轴向和径向的网格，把每个网格近似成相互绝热的、各物理量均匀分布的零维化学-热力学系统，每个网格单独进行计算，所以计算量比较大[55]。图2-1广安博之喷雾模型图2-2双区燃烧模型(2)EngCylCombDIPulse模型是以SRajkumar等人提出的双区燃烧模型为基础构成的，如图2-2所示。气缸被划分为喷雾区和环境区两大部分。喷雾区被火焰锋面包围，由燃料和燃烧产物组成；环境区位于火焰锋面以外，由燃料和空气组成。两个区域虽然组成成分不同但是压力相等。模型在定义过程中需要分别对卷吸、滞燃期、预混燃
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK421.2

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