基于复合喷射的重整气缸内直喷对发动机燃烧及颗粒物排放特性影响的研究

发布时间：2020-06-17 16:26

【摘要】：随着汽车保有量的增大,GDI发动机微粒排放高的问题日益凸显,从保护环境和满足排放法规的要求出发,降低GDI发动机的颗粒物排放刻不容缓。本文将重整气缸内直喷和复合喷射策略相结合,通过大量的台架试验对发动机燃烧和微粒排放特性进行研究。试验过程中采用了三种喷射策略,分别是汽油缸内直喷(GDI)、汽油气道喷射结合汽油缸内直喷(PGDI)和汽油气道喷射结合重整气缸内直喷(PSDI)。通过直接对比三种喷射策略下发动机燃烧和微粒排放特性的改变,探究重整气缸内直喷结合复合喷射策略降低发动机微粒排放的潜力和实际应用价值。在相同硬件结构的发动机上直接对比三种喷射策略可以避免外界条件对试验结果的干扰,集中的试验测量也可以减少时间跨度对结果的影响。本文首先研究了重整气缸内直喷结合复合喷射对缸内燃烧和常规气体排放的影响,分析过程中,选择过量空气系数、点火时刻和缸内喷射压力作为主要的研究参数,整体分析过程中采用单一变量法。这部分的研究内容主要包含重整气缸内直喷结合复合喷射对缸内燃烧状态、发动机动力性和循环变动以及常规气体排放的影响,缸内燃烧状态的结论作为接下来微粒排放特性的理论基础。随后,在相同的试验点对发动机颗粒物排放特性进行研究。对于微粒特性的研究分为两部分,第一部分研究控制参数对各类型微粒总数的影响,第二部分研究控制参数对具体粒径分布的影响。为了拓宽研究范围,得到综合性的规律,后续又研究了不同工况点和不同喷油分配比例对发动机颗粒物排放特性的影响。通过大量的台架试验对发动机燃烧和微粒排放特性进行研究,得到不同喷射策略下发动机性能对各控制参数的敏感程度,进而制定降低发动机微粒排放的高效合理控制策略。研究过程中获得了如下的主要结论:1.发动机采用PSDI模式燃烧速度会明显加快,此时发动机缸压峰值、最大放热率和缸内最高温度都得到明显提高,且峰值对应的时刻均最早。PSDI模式下发动机的动力性最大,循环变动最小,发动机的热效率最高,并且混合气越稀时,PSDI模式对于发动机性能的提升越明显。2.PSDI模式下CO和HC排放均处于较低水平,对于每种控制参数都不敏感。由于缸内的温度较高,PSDI模式的NOX排放最高。由于重整气缸内直喷明显增加了燃烧稳定性和发动机稀燃性能,可以采用较大的EGR率和发动机稀燃技术来有效降低发动机的NOX排放。3.当发动机点火时刻固定时(15°CA BTDC),随着过量空气系数增加,GDI模式和PGDI模式下微粒从整体上呈现出下降的趋势。PSDI模式在小负荷工况时,微粒总数随过量空气系数的增加而下降;在大负荷工况时,随着过量空气系数增加,微粒总数表现为先增后降的趋势,在λ=1.4时达到峰值。4.随着点火时刻的提前,三种喷射模式的微粒排放表现出了不同的规律。对于GDI模式,随着点火的提前,微粒总数呈现出先减小后增大的趋势,在最佳点火时刻(MBT)达到最小值。对于PGDI模式,在三种工况下,不同的点火时刻对微粒排放的影响很小,没有表现出明显的规律。对于PSDI模式,随着点火的提前,微粒总数呈现出先增大后减小的趋势,在最佳点火时刻(MBT)达到最大值。5.随着缸内喷射压力的增大,微粒数量逐渐减少。当PSDI模式采用5 MPa的喷射压力时,缸内的微粒数量已经处于极低水平了,明显低于GDI模式和PGDI模式采用7 MPa的喷射压力时的微粒数量。这说明,PSDI模式对缸内喷射压力的要求更小,采用较小的喷射压力即可明显降低微粒数量。6.PSDI模式在中小负荷时可以明显降低发动机颗粒物排放,在大负荷时降低效果下降,甚至出现了微粒总数高于PGDI模式的情况。为了尽可能的降低发动机的微粒排放,可以在中小负荷时采用PSDI模式,在大负荷时采用PGDI模式。7.当缸内的混合气过量空气系数较小时,改变喷油分配比例可以有效地控制发动机的颗粒物排放;当混合气过量空气系数较大时,喷油分配比例对发动机颗粒物排放的影响很小。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464
【图文】：

汽车保有量

第 1 章绪论1 引言随着汽车技术的不断发展和经济的高速增长，我国汽车保有量呈现持续上。截止 2017 年底，我国机动车保有量达 3.1 亿辆，其中汽车 2.17 亿辆，具体图 1.1 所示[1]。2017 年在公安交通管理部门新注册登记的机动车达到 3352 万中新注册登记汽车 2813 万辆，均创历史新高。另外，汽车占机动车的比率持，近五年占比从 54.93%提高至 70.17%，已成为机动车构成主体。图 1.1 展示汽车保有量的变化趋势，高速稳定持续增加的汽车保有量表明汽车真正走进万户，已经是人们生活不可分割的一部分[2]。

大气污染防治,行动计划,汽车保有量,城市大气污染

图 1.2 2017 年底汽车保有量超过 200 万的具体城市大气污染问题已经得到了政府的重视，2017 年《大气污染防治行动计划》（大气十条）一期目标基本完成，具体治理效果见图 1.3，图中绿色区域为同比改善省份，绿色越深改善程度越大，红色为同比反弹省份。

【参考文献】