小型柴油机富氧燃烧试验系统设计与燃烧特性研究

发布时间：2017-09-21 15:33

  本文关键词：小型柴油机富氧燃烧试验系统设计与燃烧特性研究

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【摘要】：富氧燃烧技术应用于柴油机时,不但可以增强动力性、降低油耗率,而且还能增加发动机升功率,同时大幅度降低碳烟的排放,对实现车辆的节能减排具有十分重要的意义。为此,国内外研究者对柴油机富氧进气燃烧进行了积极探索,并取得了一系列实质性进展。本文尝试采取台架试验研究和数值模拟计算相结合的方法探索进气富氧对柴油机燃烧与排放特性的影响规律,为进一步研究富氧燃烧技术实际应用于柴油机提供参考。基于一台单缸、风冷直喷柴油机,自行设计了一个由发动机测试台、进排气系统和数据采集及处理系统三部分组成的小型柴油机富氧燃烧试验系统。整个系统的构建和调试工作完成后,在额定转速变负荷工况下进行了长达两小时的系统稳定性测试。测试结果表明,该系统不仅具有操作简便、运行稳定、安全可靠等特点,还可以实现所有试验数据的实时显示、自动存储及处理方便等要求。为研究进气氧浓度在较宽范围内变化时柴油机性能和排放的变化趋势,应用上述试验系统进行了进气氧气体积分数分别为21%、24%、27%和30%的富氧燃烧试验。试验在额定转速3000 r·min-1,负荷分别为空载、中负荷和高负荷三种工况下进行。试验结果表明:在氧气体积分数在21~30%范围内,随着进气氧浓度的提高,柴油机的比油耗出现先下降后上升的变化趋势,但变化幅度小于1%。另外,排气温度略有升高,碳烟排放大幅度减少,但NO_x的排放增加,且近似呈线性增长。基于FIRE软件,耦合包含PAH(多环芳香烃)的正庚烷简化机理建立并验证了柴油机燃烧室数值模型。在该模型上分别进行了进气氧气体积分数分别为21%、24%、27%和30%的富氧燃烧模拟计算,模拟与验证试验的工况均为柴油机最大转矩点。结果表明:进气氧浓度从21%提升30%过程中,燃烧室内压力峰值升高3.32%,着火始点提前1.6deg,燃烧持续期和滞燃期缩短,缸内平均温度峰值和壁面热通量均有所增加,其中,氧气浓度提升为24%时影响最为显著。另外,通过分析碳烟生成的前驱物A1(苯)在缸内的浓度变化曲线可知,进气氧浓度的提升对A1的生成具有明显的抑制作用,碳烟的生成将大幅度下降,但富氧使燃烧更为充分,缸内燃烧温度升高,高温区域变大,NO的排放量大幅增加。
【关键词】：小型柴油机 富氧燃烧 台架设计 数值模拟 排放
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421.2
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 选题背景及意义13-14
• 1.1.1 选题背景13
• 1.1.2 选题意义13-14
• 1.2 国内外的研究现状14-16
• 1.2.1 柴油机富氧燃烧技术的应用研究及进展14-15
• 1.2.2 富氧燃烧对柴油机燃烧过程的影响研究15
• 1.2.3 富氧燃烧对柴油机性能的影响研究15-16
• 1.2.4 控制富氧燃烧柴油机NO_x排放的研究16
• 1.3 柴油机NO_x和碳烟的生成机理16-19
• 1.3.1 NO_x的形成机理16-18
• 1.3.2 颗粒的形成机理18-19
• 1.4 课题来源和研究的主要内容19-21
• 1.4.1 课题来源19
• 1.4.2 研究主要内容19-21
• 第二章 小型柴油机富氧燃烧试验系统的设计与构建21-32
• 2.1 引言21
• 2.2 试验系统的总体设计21-23
• 2.2.1 试验系统总体设计方案21-22
• 2.2.2 试验系统总体构建22-23
• 2.3 发动机测试台的设计及构建23-24
• 2.3.1 发动机测试台的设计方案23-24
• 2.3.2 发动机测试台的构建24
• 2.4 进气排气系统的设计及构建24-28
• 2.4.1 供氧系统25-26
• 2.4.2 进气管路设计26-28
• 2.4.3 排气管路设计28
• 2.5 数据采集及处理系统的设计及构建28-31
• 2.6 试验系统稳定性测试31
• 2.7 本章小结31-32
• 第三章 小型柴油机富氧燃烧特性的试验研究32-40
• 3.1 柴油机富氧燃烧特性研究的试验方法32-35
• 3.1.1 试验样机32
• 3.1.2 试验方案32-35
• 3.2 富氧燃烧对小型柴油机性能的影响35-36
• 3.2.1 富氧燃烧对柴油机经济性的影响35-36
• 3.2.2 富氧燃烧对柴油机排气温度的影响36
• 3.3 富氧燃烧对小型柴油机排放的影响36-38
• 3.3.1 NO_x排放分析37
• 3.3.2 碳烟排放分析37-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 柴油机富氧燃烧特性的数值研究方法40-50
• 4.1 内燃机数值模拟概述40-42
• 4.1.1 内燃机模拟的燃烧模型40-41
• 4.1.2 内燃机多维模拟的发展概况41-42
• 4.2 数值模拟软件简介42-44
• 4.2.1 CHEMKIN软件介绍42-43
• 4.2.2 FIRE软件介绍43-44
• 4.3 FIRE与CHEMKIN的耦合策略44-46
• 4.4 化学动力学模型的选取46
• 4.5 湍流和喷雾计算模型的选取46-48
• 4.5.1 湍流运动模型46-48
• 4.5.2 燃油喷雾模型48
• 4.6 本章小结48-50
• 第五章 柴油机富氧燃烧模型的建立与模拟结果分析50-66
• 5.1 燃烧模型的建立50-55
• 5.1.1 燃烧室模型的建立及网格划分50-52
• 5.1.2 初始条件及边界条件的确定52-53
• 5.1.3 耦合计算模块设置53-54
• 5.1.4 计算模型的验证54-55
• 5.2 进气富氧对柴油机燃烧过程的影响55-61
• 5.2.1 进气富氧对缸内压力的影响55-56
• 5.2.2 进气富氧对放热过程的影响56-57
• 5.2.3 进气富氧对燃烧持续期的影响57-59
• 5.2.4 进气富氧对缸内平均温度及壁面传热损失的影响59-61
• 5.3 进气富氧对柴油机排放的影响61-64
• 5.3.1 进气富氧对NO排放的影响61-63
• 5.3.2 进气富氧对碳烟排放的影响63
• 5.3.3 进气富氧对CO排放的影响63-64
• 5.4 本章小结64-66
• 第六章 总结与展望66-69
• 6.1 全文总结66-67
• 6.1.1 主要结论66-67
• 6.1.2 主要成果及意义67
• 6.2 展望67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文 及取得的相关科研成果73-74
• 致谢74-75

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