压燃式发动机缸内氧浓度分布对排放物生成的影响研究

发布时间：2020-10-20 13:18

　　能源危机和排放法规对传统内燃机提出严峻的挑战,实现内燃机的高效清洁燃烧势在必行,而柴油机排放物中NO_x和soot之间“trade off”的关系一直是排放控制技术的难点,限制了柴油机的进一步应用。基于NO_x和soot缸内空间分布区域互异的特点,本课题提出利用EGR分层的控制方法,实现对缸内氧浓度分布的灵活控制,寻求在NO_x生成的高峰区域保持较高的废气浓度,而在soot生成的高峰区域保持较高的氧浓度,抑制soot前期的生成,促进其后期的氧化,实现NO_x和soot的同时降低,达到内燃机高效清洁燃烧的目的。本文以一台四气门电控高压共轨柴油机为基础,利用发动机专业流体仿真软件AVL-FIRE建立了发动机全气道全循环数值模型,确定了压燃式发动机NO_x和soot在缸内的生成特点和空间分布区域。以发动机原始排放场为基准,提出了“下浓上稀、中间浓周侧稀”及“下浓上稀、周侧浓中间稀”两种目标氧浓度分布形态。并采用人为设定缸内氧浓度分布的方式研究分析了理想氧浓度分布形式对排放物生成的影响规律,结果表明:氧浓度及废气分层可以获得更低的排放水平,在相同NO排放水平下,废气分层对EGR率的需求大约可降低7%左右,在一定程度上降低了柴油机排放控制对大比例EGR率的依赖。以目标氧浓度分布形式为指导,结合原机矩形布置的双进气道结构,设计了单气道引入废气、单气道添加废气引流管及废气引流板三种废气分层方案,对实现目标氧浓度分布形式的废气引入策略进行了探究。结果表明:单气道引入废气使氧浓度在缸内整体呈现侧向的分布形态;废气引流管方案有利于获得较理想的氧浓度分布形式,但引流管有效引入直径限制了废气比例的提升,导致氧浓度分层度过低;添加具有相同引流作用的废气引流板有利于提升缸内的废气比例,扩大氧浓度的分层度,从而获得理想的氧浓度分布形态。针对发动机转速及废气参数对缸内氧浓度分布形式的影响进行了研究。结果表明:提升废气引入比例有利于扩大氧浓度在缸内的分层度;由于不同进气道引流特性互异,废气引入压力对缸内氧浓度分布形式的影响效果不同;相同废气引入方案下,中低转速下的氧浓度分层效果要优于高转速。计算分析了不同氧浓度分布形态对燃烧及排放特性的影响。可以发现,氧浓度呈现“下浓上稀,周侧浓中间稀”的分层形式更利于获得较低的排放水平,且对缸内整体的燃烧情况影响较小。同时研究结果表明:废气及氧浓度分层对NO_x和soot的改善效果在缸内废气比例较高、氧浓度较低及氧浓度分层度较大时表现得更显著。中等负荷下,当缸内总体氧浓度为21.4%,氧浓度分层度为4.5%时,氧浓度分层的NO水平较均质EGR降低4.5%,soot降低2.7%;而当缸内总体氧浓度为20.2%,氧浓度分层度为6.8%时,氧浓度分层对NO的改善程度提升为8.5%,soot则提升为4.9%。发动机运转工况及进气边界条件对氧浓度分层下的燃烧有较大影响,结果表明:氧浓度分层对排放的改善程度在中低转速时较理想。不同负荷下,氧浓度分层对排放的改善程度差异较大。中小负荷下,氧浓度分层对排放的改善效果较好,而在大负荷下,喷油持续期和燃烧持续期的延长弱化了氧浓度分层对燃烧的影响程度,使其对排放的改善程度降低。进气压力对氧浓度分层燃烧的影响较大,适度提高进气压力有利于增大氧浓度分层对soot的改善效果,且对NO的排放水平影响较小。中等负荷下,当进气压力由126kPa提升至133kPa时,soot的改善比例由4.9%提升为6.8%。而过分提升进气压力会使滞燃期明显缩短,预混燃烧比例降低,弱化了氧浓度分层对燃烧及排放的影响程度。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK401
【部分图文】：

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