EGR对F-T柴油燃烧及颗粒影响的研究

发布时间：2020-08-07 07:42

【摘要】：柴油机的排放污染物是造成大气污染的主要原因之一。采用清洁替代燃料、机内净化、废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)、排气后处理等技术,可以有效地降低柴油机的排放污染物。费托合成柴油(Fischer-Tropsch,F-T柴油)是由煤通过间接液化合成法制备的液体燃料。F-T柴油不含芳香烃和硫,在柴油机中燃烧F-T柴油,可以降低颗粒排放污染物。采用EGR技术,可以有效降低柴油机的氮氧化合物(NO_x)排放。论文以柴油机应用EGR技术、燃烧F-T柴油为研究对象,采用仿真计算和试验相结合的方法,开展了针对柴油机燃烧过程和颗粒物特征及形成过程的研究,分析了EGR率和废气组分对F-T柴油燃烧过程和颗粒物形成的影响规律。搭建了单缸柴油机试验台架,测量了柴油机不同负荷、不同EGR率的示功图和气体排放物,分析了EGR对柴油机燃烧F-T柴油燃烧过程和排放的影响规律。根据EGR控制策略,试验选择转速为2700 r/min,负荷为25%、50%和75%,EGR率为0%、15%和30%。结果表明,柴油机燃用F-T柴油,转速不变、负荷一定时,随着EGR率逐渐增加,缸内最高爆发压力、最大压力升高率和瞬时放热率峰值逐渐降低,滞燃期逐渐延长,燃烧重心逐渐后移,燃烧持续期无明显变化。75%负荷时,与不采用EGR相比,EGR率为30%,缸内最高爆发压力、最大压力升高率和瞬时放热率峰值分别降低6.5%、26.7%和5.7%,缸内最高燃烧温度降低200K。滞燃期延长15.4%,燃烧重心后移2.4°CA。EGR率从0提高到30%时,NO_x最大降幅为61.6%,HC和CO最大增幅分别为13.2%和13.3%。对不同EGR率和废气组分(CO_2、N_2)浓度时燃烧F-T柴油生成的颗粒进行了试验研究,分析了不同EGR率和废气组分对颗粒粒径分布、微观形貌、元素组成和氧化特性等特征参数的影响规律。采用颗粒物粒径谱仪进行了颗粒物粒径和数密度的测量试验,试验结果表明,F-T柴油燃烧颗粒的粒径呈单峰对数正态分布。转速不变,25%负荷时,随着EGR率增加,燃烧颗粒的峰值粒径逐渐前移,介于5 nm~50 nm的核态颗粒数密度逐渐增加;50%和75%负荷时颗粒的峰值粒径逐渐后移,介于50 nm~1000 nm的聚集态颗粒数密度逐渐增加。转速不变,50%负荷、EGR率为15%时,废气组分中N_2的浓度增加,使颗粒的峰值粒径后移,核态颗粒数密度减小,聚集态颗粒数密度增加;废气组分中CO_2的浓度增加,使颗粒的峰值粒径前移,核态颗粒数密度增加,聚集态颗粒数密度减小。采用高分辨扫描电镜和X-射线能谱仪进行了颗粒微观形貌和元素组成的研究,采用计盒维数计算了颗粒群结构致密度,结果表明,随着EGR率的增加,25%负荷时聚集态颗粒中链状颗粒数目逐渐增加,计盒维数逐渐减小,颗粒中碳(C)元素含量减少,氧元素(O)元素含量增加;50%和75%负荷时聚集态颗粒中团簇状颗粒粒径变大,计盒维数逐渐增大,颗粒中C元素含量增加,O元素含量减少。相同EGR率时,废气组分中N_2浓度的增加使颗粒中C元素含量增加,使O元素含量减小;废气组分中CO_2浓度的增加使颗粒中C元素含量减小,使O元素含量增加。采用热重分析仪测量了颗粒随温度升高的失重曲线,分析了不同EGR率和EGR组分对颗粒氧化特性的影响规律。结果表明,25%负荷时,随着EGR率增加,颗粒中可溶性有机物(SOF)含量逐渐增加,固态碳烟(soot)含量逐渐减小,50%和75%负荷时,随着EGR率增加,颗粒中SOF含量逐渐减少,soot含量逐渐增加。转速不变、负荷一定时,EGR率从0提高到30%,颗粒中SOF始燃温度T_(SOF)、soot的着火温度T_i和燃尽温度T_h均逐渐降低,颗粒的燃烧特性指数S、燃尽特性指数C_b逐渐增加,活化能E逐渐减小,说明随着EGR率的增加,颗粒的氧化活性增加。转速不变,负荷一定时,EGR率为15%,废气组分中N_2浓度的增大使颗粒的T_(SOF)、T_i和T_h有所升高,S和C_b降低,活化能增加;废气组分中CO_2浓度的增大使颗粒的T_(SOF)、T_i和T_h有所下降,S和C_b上升,活化能减小。在F-T柴油表征燃料机理的基础上,添加了多环芳香烃(PAHs)的生成与氧化机理。运用CHEMKIN软件的激波管反应器,验证了机理的准确性,分析了不同EGR率和EGR组分对F-T柴油的燃烧颗粒前驱体的影响规律。研究结果表明:苯基、萘基、菲基、萘基的加氢反应是F-T柴油苯、萘、菲、芘的主要生成反应,苯、萘、菲、芘的氧化脱氢反应是F-T柴油PAHs的主要消耗反应。相同EGR率,废气组分中N_2浓度的增加,促进了苯基、萘基、菲基和芘基的加氢反应,PAHs摩尔分数峰值有所增加;废气中CO_2浓度的增加,促进了OH自由基对苯、萘、菲和芘与的氧化,PAHs摩尔分数峰值有所降低。研究工作为柴油机应用F-T柴油,降低柴油机NO_x和颗粒排放污染物提供了参考依据。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK421
【图文】：

示功图,现场图,试验台架

EGR 对 F-T 柴油燃烧及颗粒影响的研究的开度，控制 EGR 废气流量在柴油机进气流量的比例，实现对 EGR 率的准确控制。EGR 的控制策略认为：(1)在标定转速和最大转矩转速时，采用 EGR 技术会导致颗粒排放的激增；(2)在怠速工况和满负荷时，一般不使用 EGR；(3)EGR 率超过 30%，降低 NOx的同时也会对其他排放污染物产生较大的不利影响。根据 EGR 控制策略，试验排除标定转速 3600r/min 和最大转矩转速 2400r/min，选取转速为 2700 r/min，负荷为 25%、50%和 75%，EGR 率为 0%、15%和 30%，开展了F-T 柴油的燃烧过程和排放污染物测量工作。采用燃烧分析仪采集不同工况点的示功图，分析压力升高率、燃烧相位、瞬时放热率和缸内燃烧温度等燃烧特性参数，采用尾气分析仪，测量了不同工况点的气体排放物(CO、HC、NOx)。

示意图,柴油机试验台,示意图

压力升高率,气缸压力,柴油,缸内

(a) 气缸压力 (b) 压力升高率图 2.3 不同 EGR 率时 F-T 柴油的气缸压力与压力升高率 (2700r/min，25%负荷)Fig. 2.3 Cylinder pressure and pressure rise rate at different EGR rates (2700r/min, 25% load)图 2.4 为柴油机转速为 2700r/min、负荷为 50%，不同 EGR 率时柴油机燃烧 F-T 柴油的示功图和压力升高率。从图 2.4(a)看出，50%负荷时，不引入 EGR 时，缸内最大爆发压力为 7.20MPa。转速不变、负荷一定时，当 EGR 为 15%和 30%时，缸内最大爆发压力分别为 7.14 MPa 和 7.08 MPa，缸内最大爆发压力分别降低 0.8%和 1.7%，对应曲轴转角分别后移 0.9 °CA 和 1.7 °CA。从图 2.4(b)压力升高率曲线中可以看出，与 EGR率为 0%时相比，随着 EGR 率增加，最大压力升高率分别降低 9.2%和 22.7%，对应曲轴转角分别后移 1.1 °CA 和 2.0 °CA。

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