【摘要】：柴油機(jī)的排放污染物是造成大氣污染的主要原因之一。采用清潔替代燃料、機(jī)內(nèi)凈化、廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation,EGR)、排氣后處理等技術(shù),可以有效地降低柴油機(jī)的排放污染物。費(fèi)托合成柴油(Fischer-Tropsch,F-T柴油)是由煤通過間接液化合成法制備的液體燃料。F-T柴油不含芳香烴和硫,在柴油機(jī)中燃燒F-T柴油,可以降低顆粒排放污染物。采用EGR技術(shù),可以有效降低柴油機(jī)的氮氧化合物(NO_x)排放。論文以柴油機(jī)應(yīng)用EGR技術(shù)、燃燒F-T柴油為研究對(duì)象,采用仿真計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,開展了針對(duì)柴油機(jī)燃燒過程和顆粒物特征及形成過程的研究,分析了EGR率和廢氣組分對(duì)F-T柴油燃燒過程和顆粒物形成的影響規(guī)律。搭建了單缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架,測(cè)量了柴油機(jī)不同負(fù)荷、不同EGR率的示功圖和氣體排放物,分析了EGR對(duì)柴油機(jī)燃燒F-T柴油燃燒過程和排放的影響規(guī)律。根據(jù)EGR控制策略,試驗(yàn)選擇轉(zhuǎn)速為2700 r/min,負(fù)荷為25%、50%和75%,EGR率為0%、15%和30%。結(jié)果表明,柴油機(jī)燃用F-T柴油,轉(zhuǎn)速不變、負(fù)荷一定時(shí),隨著EGR率逐漸增加,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力、最大壓力升高率和瞬時(shí)放熱率峰值逐漸降低,滯燃期逐漸延長,燃燒重心逐漸后移,燃燒持續(xù)期無明顯變化。75%負(fù)荷時(shí),與不采用EGR相比,EGR率為30%,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力、最大壓力升高率和瞬時(shí)放熱率峰值分別降低6.5%、26.7%和5.7%,缸內(nèi)最高燃燒溫度降低200K。滯燃期延長15.4%,燃燒重心后移2.4°CA。EGR率從0提高到30%時(shí),NO_x最大降幅為61.6%,HC和CO最大增幅分別為13.2%和13.3%。對(duì)不同EGR率和廢氣組分(CO_2、N_2)濃度時(shí)燃燒F-T柴油生成的顆粒進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了不同EGR率和廢氣組分對(duì)顆粒粒徑分布、微觀形貌、元素組成和氧化特性等特征參數(shù)的影響規(guī)律。采用顆粒物粒徑譜儀進(jìn)行了顆粒物粒徑和數(shù)密度的測(cè)量試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,F-T柴油燃燒顆粒的粒徑呈單峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布。轉(zhuǎn)速不變,25%負(fù)荷時(shí),隨著EGR率增加,燃燒顆粒的峰值粒徑逐漸前移,介于5 nm~50 nm的核態(tài)顆粒數(shù)密度逐漸增加;50%和75%負(fù)荷時(shí)顆粒的峰值粒徑逐漸后移,介于50 nm~1000 nm的聚集態(tài)顆粒數(shù)密度逐漸增加。轉(zhuǎn)速不變,50%負(fù)荷、EGR率為15%時(shí),廢氣組分中N_2的濃度增加,使顆粒的峰值粒徑后移,核態(tài)顆粒數(shù)密度減小,聚集態(tài)顆粒數(shù)密度增加;廢氣組分中CO_2的濃度增加,使顆粒的峰值粒徑前移,核態(tài)顆粒數(shù)密度增加,聚集態(tài)顆粒數(shù)密度減小。采用高分辨掃描電鏡和X-射線能譜儀進(jìn)行了顆粒微觀形貌和元素組成的研究,采用計(jì)盒維數(shù)計(jì)算了顆粒群結(jié)構(gòu)致密度,結(jié)果表明,隨著EGR率的增加,25%負(fù)荷時(shí)聚集態(tài)顆粒中鏈狀顆粒數(shù)目逐漸增加,計(jì)盒維數(shù)逐漸減小,顆粒中碳(C)元素含量減少,氧元素(O)元素含量增加;50%和75%負(fù)荷時(shí)聚集態(tài)顆粒中團(tuán)簇狀顆粒粒徑變大,計(jì)盒維數(shù)逐漸增大,顆粒中C元素含量增加,O元素含量減少。相同EGR率時(shí),廢氣組分中N_2濃度的增加使顆粒中C元素含量增加,使O元素含量減小;廢氣組分中CO_2濃度的增加使顆粒中C元素含量減小,使O元素含量增加。采用熱重分析儀測(cè)量了顆粒隨溫度升高的失重曲線,分析了不同EGR率和EGR組分對(duì)顆粒氧化特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,25%負(fù)荷時(shí),隨著EGR率增加,顆粒中可溶性有機(jī)物(SOF)含量逐漸增加,固態(tài)碳煙(soot)含量逐漸減小,50%和75%負(fù)荷時(shí),隨著EGR率增加,顆粒中SOF含量逐漸減少,soot含量逐漸增加。轉(zhuǎn)速不變、負(fù)荷一定時(shí),EGR率從0提高到30%,顆粒中SOF始燃溫度T_(SOF)、soot的著火溫度T_i和燃盡溫度T_h均逐漸降低,顆粒的燃燒特性指數(shù)S、燃盡特性指數(shù)C_b逐漸增加,活化能E逐漸減小,說明隨著EGR率的增加,顆粒的氧化活性增加。轉(zhuǎn)速不變,負(fù)荷一定時(shí),EGR率為15%,廢氣組分中N_2濃度的增大使顆粒的T_(SOF)、T_i和T_h有所升高,S和C_b降低,活化能增加;廢氣組分中CO_2濃度的增大使顆粒的T_(SOF)、T_i和T_h有所下降,S和C_b上升,活化能減小。在F-T柴油表征燃料機(jī)理的基礎(chǔ)上,添加了多環(huán)芳香烴(PAHs)的生成與氧化機(jī)理。運(yùn)用CHEMKIN軟件的激波管反應(yīng)器,驗(yàn)證了機(jī)理的準(zhǔn)確性,分析了不同EGR率和EGR組分對(duì)F-T柴油的燃燒顆粒前驅(qū)體的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:苯基、萘基、菲基、萘基的加氫反應(yīng)是F-T柴油苯、萘、菲、芘的主要生成反應(yīng),苯、萘、菲、芘的氧化脫氫反應(yīng)是F-T柴油PAHs的主要消耗反應(yīng)。相同EGR率,廢氣組分中N_2濃度的增加,促進(jìn)了苯基、萘基、菲基和芘基的加氫反應(yīng),PAHs摩爾分?jǐn)?shù)峰值有所增加;廢氣中CO_2濃度的增加,促進(jìn)了OH自由基對(duì)苯、萘、菲和芘與的氧化,PAHs摩爾分?jǐn)?shù)峰值有所降低。研究工作為柴油機(jī)應(yīng)用F-T柴油,降低柴油機(jī)NO_x和顆粒排放污染物提供了參考依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK421
【圖文】：

EGR 對(duì) F-T 柴油燃燒及顆粒影響的研究的開度，控制 EGR 廢氣流量在柴油機(jī)進(jìn)氣流量的比例，實(shí)現(xiàn)對(duì) EGR 率的準(zhǔn)確控制。EGR 的控制策略認(rèn)為：(1)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時(shí)，采用 EGR 技術(shù)會(huì)導(dǎo)致顆粒排放的激增；(2)在怠速工況和滿負(fù)荷時(shí)，一般不使用 EGR；(3)EGR 率超過 30%，降低 NOx的同時(shí)也會(huì)對(duì)其他排放污染物產(chǎn)生較大的不利影響。根據(jù) EGR 控制策略，試驗(yàn)排除標(biāo)定轉(zhuǎn)速 3600r/min 和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 2400r/min，選取轉(zhuǎn)速為 2700 r/min，負(fù)荷為 25%、50%和 75%，EGR 率為 0%、15%和 30%，開展了F-T 柴油的燃燒過程和排放污染物測(cè)量工作。采用燃燒分析儀采集不同工況點(diǎn)的示功圖，分析壓力升高率、燃燒相位、瞬時(shí)放熱率和缸內(nèi)燃燒溫度等燃燒特性參數(shù)，采用尾氣分析儀，測(cè)量了不同工況點(diǎn)的氣體排放物(CO、HC、NOx)。

EGR 對(duì) F-T 柴油燃燒及顆粒影響的研究的開度，控制 EGR 廢氣流量在柴油機(jī)進(jìn)氣流量的比例，實(shí)現(xiàn)對(duì) EGR 率的準(zhǔn)確控制。EGR 的控制策略認(rèn)為：(1)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時(shí)，采用 EGR 技術(shù)會(huì)導(dǎo)致顆粒排放的激增；(2)在怠速工況和滿負(fù)荷時(shí)，一般不使用 EGR；(3)EGR 率超過 30%，降低 NOx的同時(shí)也會(huì)對(duì)其他排放污染物產(chǎn)生較大的不利影響。根據(jù) EGR 控制策略，試驗(yàn)排除標(biāo)定轉(zhuǎn)速 3600r/min 和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 2400r/min，選取轉(zhuǎn)速為 2700 r/min，負(fù)荷為 25%、50%和 75%，EGR 率為 0%、15%和 30%，開展了F-T 柴油的燃燒過程和排放污染物測(cè)量工作。采用燃燒分析儀采集不同工況點(diǎn)的示功圖，分析壓力升高率、燃燒相位、瞬時(shí)放熱率和缸內(nèi)燃燒溫度等燃燒特性參數(shù)，采用尾氣分析儀，測(cè)量了不同工況點(diǎn)的氣體排放物(CO、HC、NOx)。

(a) 氣缸壓力 (b) 壓力升高率圖 2.3 不同 EGR 率時(shí) F-T 柴油的氣缸壓力與壓力升高率 (2700r/min，25%負(fù)荷)Fig. 2.3 Cylinder pressure and pressure rise rate at different EGR rates (2700r/min, 25% load)圖 2.4 為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為 2700r/min、負(fù)荷為 50%，不同 EGR 率時(shí)柴油機(jī)燃燒 F-T 柴油的示功圖和壓力升高率。從圖 2.4(a)看出，50%負(fù)荷時(shí)，不引入 EGR 時(shí)，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力為 7.20MPa。轉(zhuǎn)速不變、負(fù)荷一定時(shí)，當(dāng) EGR 為 15%和 30%時(shí)，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力分別為 7.14 MPa 和 7.08 MPa，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力分別降低 0.8%和 1.7%，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角分別后移 0.9 °CA 和 1.7 °CA。從圖 2.4(b)壓力升高率曲線中可以看出，與 EGR率為 0%時(shí)相比，隨著 EGR 率增加，最大壓力升高率分別降低 9.2%和 22.7%，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角分別后移 1.1 °CA 和 2.0 °CA。

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本文編號(hào)：2783694