EGR分层对缸内污染物生成的光学诊断分析

发布时间：2020-10-11 23:49

　　 针对柴油机燃烧过程中碳烟与NO_X的trade-off关系,提出了EGR分层的进气方案,通过向NO_X生成区域引入高浓度EGR,向碳烟生成区域引入低浓度EGR,改变缸内氧浓度分布,进一步影响缸内活化热氛围,从而实现同时降低NO_X与碳烟的目的。另外,随着光学测试技术的进步,越来越多的光学测试手段被应用到了发动机上,双色法与LII相结合的方法具有能实时在线标定、光路简单、操作方便等优点。本研究利用激光诱导炽光法(LII)与双色法相结合对EGR分层下的缸内碳烟体积分数进行测量及分析。本研究在一台四气门高压共轨单缸压燃式光学发动机的基础上,结合自主开发的两套EGR分层装置,利用激光诱导炽光法进行碳烟体积分数测量,研究不同EGR分层形式对碳烟体积分数的影响。本文搭建了LII光学测试平台,同时利用高速相机与ICCD对缸内燃烧过程进行拍摄,通过激光诱导炽光法与双色法的结合,实现缸内碳烟体积分数的定量测量,通过MATLAB编写图像处理软件,将数值计算求解过程和计算结果的可视化输出集成化,并在稳定火焰上对LII测试系统进行了验证性实验,实验结果表明该套LII测试系统具备碳烟体积分数测量的能力。在光学发动机上进行了试验研究,分析了不同EGR率及EGR分层方案对缸内碳烟体积分数的影响。通过模拟仿真得到的缸内污染物原始场分布表明,NO_X生成区域主要分布在靠近燃烧室中心区域处,碳烟生成区域主要分布在近壁面处,基于上述结果需向燃烧室中心区域引入高浓度EGR抑制NO_X的生成,燃烧室外围区域引入低浓度EGR降低碳烟前期生成与促进碳烟后期氧化,因此,采用“中间浓四周稀”的径向EGR分层有利于实现同时降低NO_X与碳烟的目标。对比分析不同EGR分层方案对碳烟生成的影响结果表明,EGR率25%的实验工况下,引入管分层方案下螺旋EGR引入方式较双气道分层方案下螺旋EGR引入方式碳烟浓度降低了0.91%,由于引入管分层方案下EGR引入位置更靠近气门,减少了废气在进入气缸之前与新鲜空气的掺混,在相同EGR率下能保证更高的分层度。两种分层方案下,螺旋EGR引入方式对碳烟降低效果均好于切向EGR引入方式,表明引入管分层方案下螺旋EGR引入方式的分层效果最佳。在螺旋EGR分层方案下,通过改变EGR率分析了不同EGR率对EGR分层效果的影响,结果表明,相对于均质EGR进气方式,当EGR率为15%时,碳烟体积分数减少了3.31%,当EGR率为25%时,碳烟体积分数减少了4.34%,当EGR率为30%时,碳烟体积分数减少了2.70%,可见,不同实验工况下,由于缸内气流运动不一致,对于每个特定工况存在一个最佳的EGR率,使缸内EGR分层度高,实现理想的分层方式。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK421
【部分图文】：

图 1.1 2015 年中国区域颗粒污染物分布情况中的废气污染物对人类也会产生重大影响，发动的燃油、润滑油及其裂解及部分氧化产物构烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛类、酮类和部气中的 CO 是一种无色无味的气体，极易与血能力，从而导致部分组织因缺氧坏死，吸入大O 会对肺和中枢神经造成严重影响，容易引发气中的碳烟颗粒，可以通过气管进入人体肺泡气对人类以及赖以生存的生活环境的严重影响放法规。从去年开始，欧洲已经实行了欧六 C段排放法规（Tier3）。我国将实行国六排放法规更严格限制各排放物的限值，还打算采用全球

第 1 章 绪论前期的研究基础上，利用光学手段分析 EGR 分层对压燃式内燃机排放成的影响。应用废气再循环技术时，主要是利用大量惰性气体阻碍燃烧的快速进行合气比热容，从而使燃烧温度降低。通过国内外研究可知柴油机的排放NOX与碳烟在缸内的生成区域是不同的，根据其不同的生成特性，在 NO域引入高废气浓度的混合气，降低该区域燃烧温度，从而减少 NOX的生烟生成区域引入低废气浓度的混合气，增大该区域氧含量，加速碳烟的。引入 EGR 分层技术，使缸内废气的分布区域与 NOX、碳烟生成区域从而达到同时降低 NOX与碳烟的目的，具体的机理过程如图 1.3 所示。

图 1.4 丰田技术中心的二阶段分层韩国首尔大学的 Seungmok Choi 等[23]人在一台单缸直喷柴油机上评估了缸内 EGR 分层对燃烧和排放特性的影响效果。为了实现 EGR 分层，使用一个分开的进气管不对称地供给 EGR 来改变两个进气道内的 EGR 率。通过使用阶梯型燃烧室和切向气道偏置来提高 EGR 分层的效果。Wonah Park 等人[24]采用数值计算的方式研究阶梯形燃烧室的 EGR 分层，在人为设定 EGR 分层模式和传统柴油机的工况下对燃烧和排放控制的可能性进行了评价。模拟计算结果表明柴油机的 NOx 和 PM 同时降低。吉林大学刘忠长、沈照杰等人[25]依据前期的实验研究和 STAR-CD 模拟提出了时序进气的概念，即将进气过程进行时间分段，不同时段分别通入不同的气体。他们还为了评价不同 CO2喷射方式缸内的氧气与 CO2分配均匀程度的影响，提出两种缸内组分分布评价方法。同时天津大学的刘增勇等[26]人还通过发动机台架试验和激光米散射（Laser Mie Scattering,LMS）相结合的手段，对汽油机 EGR
【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 沈照杰;崔文政;刘忠长;韩永强;田径;杨建国;;洛伦兹曲线在柴油机CFD分析中的应用[J];内燃机学报;2015年04期

2 唐青龙;张鹏;刘海峰;尧命发;;利用激光诱导炽光法定量测量柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数[J];物理化学学报;2015年05期

3 张全长;尧命发;郑尊清;张翔宇;;废气再循环对柴油机氮氧化物和颗粒排放影响的试验研究[J];内燃机学报;2012年04期

4 田径;韩永强;刘忠长;李骏;李康;;柴油机燃油催化微粒后处理器性能与再生[J];吉林大学学报(工学版);2011年01期

5 何旭;马骁;王建昕;;用激光诱导炽光法定量测量火焰中的碳烟浓度[J];燃烧科学与技术;2009年04期

6 何旭;马骁;吴复甲;王建昕;;基于激光诊断的生物柴油碳烟生成特性研究[J];内燃机工程;2009年01期

7 李新令;黄震;王嘉松;吴君华;;柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究[J];内燃机学报;2007年02期

相关博士学位论文 前3条

1 韩林沛;均质EGR及基于排气回流的分层EGR在GDI发动机部分负荷的应用研究[D];吉林大学;2016年

2 赵彦光;柴油机SCR技术尿素喷雾热分解及氨存储特性的试验研究[D];清华大学;2012年

3 张全长;柴油机低温燃烧基础理论和燃烧控制策略的试验研究[D];天津大学;2010年

相关硕士学位论文 前5条

1 施文征;压燃式发动机EGR分层控制系统开发及实验研究[D];吉林大学;2017年

2 李宏涛;基于激光诱导炽光法对直喷汽油机缸内燃烧碳烟的测量[D];吉林大学;2016年

3 靳森嘉;喷油策略对柴油机燃烧影响的可视化研究[D];北京理工大学;2015年

4 岳宗宇;基于激光诱导炽光法的碳烟测量方法研究[D];天津大学;2012年

5 田辛;用双色法研究内燃机燃烧火焰的温度场及碳烟浓度场[D];清华大学;2004年

本文编号：2837306