基于进气组分控制的压燃式发动机燃烧及排放特性研究
发布时间：2021-03-07 04:07
随着大气污染和能源短缺的问题日趋严重,世界范围内的排放法规越来越严格,这都对内燃机行业的发展提出了新的要求和挑战。广大研究者从多个角度出发寻找适用于柴油机的新型燃烧模式,实现内燃机的高效清洁燃烧。本课题依托国家自然科学基金研究项目,基于进气组分与燃料特性系统控制的思想针对柴油机高效清洁燃烧的目标探索,采用进气补氧、废气再循环及可调进气方案等方式改变进气组分和缸内各组分分布形式,同时采用正丁醇作为添加剂与低硫柴油按不同体积分数配置成不同理化特性的含氧混合燃料,通过三维数值模拟计算和热力学台架试验等手段,探索不同进气组分及进气方案对发动机燃用不同燃料时燃烧及排放特性的影响规律,揭示缸内活化组分控制对颗粒物生成及演化历程的影响机制和作用机理,进一步深入探索通过缸内氧浓度分布等燃烧边界条件与燃料特性之间协同控制改善燃烧和排放的技术措施,对比分析纯柴油与正丁醇/柴油混合燃料对发动机燃烧和排放影响的差异。具体研究结果如下:1、首先进行进气组分对发动机燃用不同燃料的燃烧及排放规律试验研究。结果显示进气补氧会导致滞燃期与燃烧持续期缩短,有利于提高发动机热效率。在大比例EGR的条件下采用适当的补氧量可以...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WLTC与NEDC测试循环对比
吉林大学硕士学位论文4图1.2传统柴油机喷雾燃烧与排放物生成过程大量研究表明降低微粒和NOx的条件存在矛盾关系，所以同时抑制两种排放物的生成有较大难度。目前内燃机上采用的方案多为较大例EGR配合高效的后处理装置，但采用上述方案又会产生一些问题。一方面大比例EGR会导致缸内燃烧恶化，内燃机热效率降低，另一方面尾气后处理装置会造成发动机结构和控制系统复杂程度提升，可靠性降低，同时大幅度提高了生产成本，同时由于后处理装置内部的催化剂对环境的要求较高，很难保证在燃机全工况范围内实现较高的催化效率[18,19]。长期以来，围绕微粒和NOx的trade-off的关系，国内外都进行了大量的研究。KazuhiroAkihama等于2001年用正庚烷和苯均质混合气替代柴油，并基于SENKIN代码计算获得了柴油的主要污染物NOx和soot与混合气浓度、缸内温度之间所存在的函数关系，并整理获得了用以显示NOx、soot与缸内氧浓度、温度之间关系的φ-T图[20]。而Tkitamura等于2002年对多种燃料的φ-T图进行了研究和统计，计算结果显示了燃料特性对两种污染物生成区域所对应的温度区间影响不明显，而与微粒直径且微粒直径所对应的峰值与燃料没有确切的关系[21]。
第一章绪论5图1.3Φ-T原理图如图1.3所示，传统的柴油机的燃烧可以在图中以一条线表示（氧浓度21%的灰色曲线），该曲线会经过“双岛”图中的Soot和NOx生成区，因此可以认为在柴油机工作过程中很难同时避免碳烟与NOx的生成，即二者存在“trade-off”的关系。传统的汽油机的燃烧模式多为在过量空气系数为1附近的火焰传播燃烧，图1.3显示在氧浓度为21%曲线与过量空气系数为1的直线之间的交点处于NOx生成区域，因而理论上汽油机很难避免较高的NOx排放[22]。为了降低内燃机的排放，全球学者提出了多种解决方案。现阶段降低内燃机排放的技术可分为机内净化和机外后处理净化技术两类。而柴油机的后处理技术主要是通过多种系统来针对不同污染物净化，主要包括了氧化催化转换器（DOC）、颗粒物捕集器（DPF）以及选择性催化还原转化器（SCR）等系统。虽然后处理系统拥有相对较高的转化减排效率，但后处理系统的增加显著提高了动力总成整体成本及排气系统结构和控制的复杂程度，且催化器后期养护和效能衰退问题无法避免，这进一步提高了使用成本[23]。机内净化技术是从化学反应机理出发，针对燃料和燃烧提出相应的优化措施，从而从根本上提高压燃式内燃机热效率、降低污染物排放。从图1.3中可以看到，若缸内最高温度能够控制在1600K以下，则在不同工况下均可避免生成NOx和soot[24]。因而实现柴油机低温、均质燃烧是解决NOx和soot排放“trade-off”关系的有效手段[25,26]。而EGR是降低发动机燃烧温度从而降低NOx排放的主要技术手段。
本文编号：3068374
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WLTC与NEDC测试循环对比
吉林大学硕士学位论文4图1.2传统柴油机喷雾燃烧与排放物生成过程大量研究表明降低微粒和NOx的条件存在矛盾关系，所以同时抑制两种排放物的生成有较大难度。目前内燃机上采用的方案多为较大例EGR配合高效的后处理装置，但采用上述方案又会产生一些问题。一方面大比例EGR会导致缸内燃烧恶化，内燃机热效率降低，另一方面尾气后处理装置会造成发动机结构和控制系统复杂程度提升，可靠性降低，同时大幅度提高了生产成本，同时由于后处理装置内部的催化剂对环境的要求较高，很难保证在燃机全工况范围内实现较高的催化效率[18,19]。长期以来，围绕微粒和NOx的trade-off的关系，国内外都进行了大量的研究。KazuhiroAkihama等于2001年用正庚烷和苯均质混合气替代柴油，并基于SENKIN代码计算获得了柴油的主要污染物NOx和soot与混合气浓度、缸内温度之间所存在的函数关系，并整理获得了用以显示NOx、soot与缸内氧浓度、温度之间关系的φ-T图[20]。而Tkitamura等于2002年对多种燃料的φ-T图进行了研究和统计，计算结果显示了燃料特性对两种污染物生成区域所对应的温度区间影响不明显，而与微粒直径且微粒直径所对应的峰值与燃料没有确切的关系[21]。
第一章绪论5图1.3Φ-T原理图如图1.3所示，传统的柴油机的燃烧可以在图中以一条线表示（氧浓度21%的灰色曲线），该曲线会经过“双岛”图中的Soot和NOx生成区，因此可以认为在柴油机工作过程中很难同时避免碳烟与NOx的生成，即二者存在“trade-off”的关系。传统的汽油机的燃烧模式多为在过量空气系数为1附近的火焰传播燃烧，图1.3显示在氧浓度为21%曲线与过量空气系数为1的直线之间的交点处于NOx生成区域，因而理论上汽油机很难避免较高的NOx排放[22]。为了降低内燃机的排放，全球学者提出了多种解决方案。现阶段降低内燃机排放的技术可分为机内净化和机外后处理净化技术两类。而柴油机的后处理技术主要是通过多种系统来针对不同污染物净化，主要包括了氧化催化转换器（DOC）、颗粒物捕集器（DPF）以及选择性催化还原转化器（SCR）等系统。虽然后处理系统拥有相对较高的转化减排效率，但后处理系统的增加显著提高了动力总成整体成本及排气系统结构和控制的复杂程度，且催化器后期养护和效能衰退问题无法避免，这进一步提高了使用成本[23]。机内净化技术是从化学反应机理出发，针对燃料和燃烧提出相应的优化措施，从而从根本上提高压燃式内燃机热效率、降低污染物排放。从图1.3中可以看到，若缸内最高温度能够控制在1600K以下，则在不同工况下均可避免生成NOx和soot[24]。因而实现柴油机低温、均质燃烧是解决NOx和soot排放“trade-off”关系的有效手段[25,26]。而EGR是降低发动机燃烧温度从而降低NOx排放的主要技术手段。
本文编号：3068374
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