【摘要】：針對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)混合時(shí)間短、混合氣形成不均勻難以同時(shí)降低NOx和PM排放的問題,預(yù)混合壓縮著火燃燒模式作為內(nèi)燃機(jī)未來實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的重要手段,受到國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。利用理化特性介于汽油和柴油之間的寬餾程燃料,實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)預(yù)混合氣形成方式和柴油機(jī)的壓縮著火方式統(tǒng)一化的燃燒模式,可以同時(shí)發(fā)揮汽油機(jī)和柴油機(jī)在經(jīng)濟(jì)性和排放性方面各自的優(yōu)點(diǎn),將是未來內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的有效途徑。本文以提高內(nèi)燃機(jī)熱效率、同時(shí)降低NOx和PM為目標(biāo),提出了寬餾程燃料與燃燒邊界條件協(xié)同作用的內(nèi)燃機(jī)燃燒過程優(yōu)化控制的思想,通過臺(tái)架試驗(yàn)與仿真計(jì)算相結(jié)合的研究手段,探求寬餾程燃料、EGR、燃油噴射參數(shù)的自變量、組合變量結(jié)合實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程控制參數(shù)優(yōu)化的方法和技術(shù)。揭示寬餾程燃料、噴射參數(shù)、缸內(nèi)活化條件、溫度條件對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響規(guī)律和影響機(jī)理,尋求寬餾程燃料與燃燒邊界條件協(xié)同作用的內(nèi)燃機(jī)燃燒過程優(yōu)化控制策略,探索同時(shí)降低NOx和碳煙排放、改善燃燒的定容性、提高燃燒熱效率的燃燒控制方法,減少發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放污染物。首先,構(gòu)建了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放研究的測控系統(tǒng)平臺(tái),并構(gòu)建了研究寬餾程燃料燃燒與排放特性的三維CFD化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型。通過臺(tái)架試驗(yàn)與數(shù)值仿真系統(tǒng)地研究了寬餾程燃料的燃燒與排放特性。結(jié)果表明,噴油正時(shí)直接決定了燃料霧化過程與燃燒過程所歷經(jīng)的熱氛圍以及能量的轉(zhuǎn)化效率,對(duì)燃燒與排放有著重要的影響。等容度、燃燒效率與壁面?zhèn)鳠釗p失是影響指示熱效率的三個(gè)主要因素,最優(yōu)的指示熱效率需要達(dá)到三者之間的平衡。寬餾程燃料由于揮發(fā)性改善、著火性降低,有助于延長滯燃期并促進(jìn)燃油與空氣混合,有利于在滯燃期內(nèi)形成比例較大的均質(zhì)預(yù)混合氣,從而有利于實(shí)現(xiàn)預(yù)混合壓縮著火燃燒模式。此外,寬餾程燃料中汽油比例增加,相應(yīng)降低了混合燃料中重?zé)N組分比例,在相同的條件下使用寬餾程燃料有利于大幅降低碳煙排放。但是,使用寬餾程燃料易出現(xiàn)過度混合,形成較多過稀混合氣區(qū),導(dǎo)致CO與HC排放較高,與柴油相比指示熱效率降低,但仍明顯高于汽油機(jī)�；谒岢龅母變�(nèi)邊界條件參數(shù)分布不均性的概念,進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究,結(jié)果表明滯燃期內(nèi)寬餾程燃料中汽油組分的不均勻性明顯低于柴油組分,高揮發(fā)性的汽油成分有利于促進(jìn)低揮發(fā)性柴油成分的蒸發(fā),同時(shí)也抑制了活性較高組分的低溫化學(xué)反應(yīng),寬餾程燃料的著火主要是由活性高的柴油組分觸發(fā)。其次,通過優(yōu)化燃料的餾程范圍和十六烷值,協(xié)同控制缸內(nèi)燃燒的活化氛圍和熱氛圍,探究了同時(shí)降低微粒和NOx排放的燃燒過程控制方法與策略,揭示了燃料化學(xué)及缸內(nèi)活化熱氛圍對(duì)燃燒及排放的影響機(jī)理。研究表明,隨著再循環(huán)廢氣量的增加,進(jìn)氣氧濃度降低,缸內(nèi)燃燒溫度得到有效控制,柴油的NOx排放隨之降低,其碳煙排放明顯增大,NOx與Soot之間的Trade-off關(guān)系較為明顯,而采用寬餾程燃料,在NOx排放明顯降低的同時(shí)碳煙排放也能維持在較低的水平。在小負(fù)荷工況,當(dāng)EGR率超過20%之后,不完全燃燒現(xiàn)象明顯增加,導(dǎo)致燃燒效率較低�；谠囼�(yàn)與仿真計(jì)算的結(jié)果,通過燃料特性與燃燒條件的優(yōu)化,在中等負(fù)荷與小負(fù)荷工況,得到了基于同時(shí)降低NOx與Soot排放以及兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)控制策略,實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料特性與缸內(nèi)活化氛圍及熱氛圍的優(yōu)化。燃油噴射邊界條件是影響發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成、燃燒、排放及性能的重要因素,基于燃料特性與缸內(nèi)活化氛圍及熱氛圍的優(yōu)化策略,進(jìn)一步開展了噴油參數(shù)與寬餾程燃料協(xié)同控制改善壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性的研究。研究結(jié)果表明,采用寬餾程燃料最佳燃油噴射邊界條件與傳統(tǒng)柴油燃料存在一定差異,寬餾程燃料降低了對(duì)于噴油參數(shù)調(diào)節(jié)的敏感性。中等負(fù)荷工況下,噴油壓力提高,對(duì)于寬餾程燃料的碳煙排放改善效果不明顯,相反NOx排放會(huì)相應(yīng)增加,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域過度混合,引發(fā)反應(yīng)鏈中斷,不完全燃燒產(chǎn)物增加。對(duì)于預(yù)噴射量的研究表明,當(dāng)采用小預(yù)噴量(預(yù)噴量為6%)時(shí),不同預(yù)噴間隔角對(duì)缸內(nèi)熱氛圍與活化氛圍的調(diào)節(jié)作用有限,從而對(duì)寬餾程燃料主噴階段的油氣混合過程及燃燒過程影響較小。適當(dāng)加大預(yù)噴量(預(yù)噴量分別為10%、20%、30%,預(yù)噴間隔為30°CA),隨著預(yù)噴量的增加,對(duì)于純柴油預(yù)噴引起明顯的冷焰和熱焰組成的兩階段放熱反應(yīng),而寬餾程燃料的預(yù)噴只出現(xiàn)有冷焰而無熱焰的單階段放熱反應(yīng),產(chǎn)生大量的非完全燃燒產(chǎn)物的活性自由基,有利于促進(jìn)燃燒的開展。當(dāng)預(yù)噴量增加至30%時(shí),預(yù)噴的噴霧前端已經(jīng)撞擊到活塞頂面,易形成壁面油膜,導(dǎo)致碳煙的生成�？偟膩碚f,對(duì)于柴油和寬餾程燃料,隨預(yù)噴量增加NOx排放都有減小的趨勢,而柴油的碳煙排放隨預(yù)噴量的增加而增加,寬餾程燃料的碳煙排放增加的趨勢減弱,總體變化不大。最后,基于寬餾程燃料與燃燒邊界條件協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程優(yōu)化控制的目標(biāo),進(jìn)一步結(jié)合CFD、Taguchi法和ANOVA技術(shù)的優(yōu)化方法,從燃燒理論與優(yōu)化理論出發(fā),開展了尋求同時(shí)改善NOx、Soot以及燃油消耗率的最佳折衷方案的研究。研究結(jié)果表明,對(duì)于應(yīng)用寬餾程燃料的發(fā)動(dòng)機(jī),中等負(fù)荷工況時(shí),在最優(yōu)參數(shù)及水平的組合下,相比參考的初始邊界條件,NOx排放有小幅減少,幅度在2%以內(nèi),碳煙排放與指示燃油消耗率都有不同程度的降低。對(duì)于小負(fù)荷工況,在最優(yōu)參數(shù)及水平的組合下,NOx排放與碳煙排放相比參考的初始邊界條件降低效果明顯,同時(shí)并未惡化指示燃油消耗率,從而使得NOx排放、碳煙排放及燃油經(jīng)濟(jì)性形成最佳折衷。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK401
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本文編號(hào)：2273802