壓燃式發(fā)動機缸內氧濃度分布對排放物生成的影響研究

發(fā)布時間：2020-10-20 13:18

　　能源危機和排放法規(guī)對傳統(tǒng)內燃機提出嚴峻的挑戰(zhàn),實現(xiàn)內燃機的高效清潔燃燒勢在必行,而柴油機排放物中NO_x和soot之間“trade off”的關系一直是排放控制技術的難點,限制了柴油機的進一步應用。基于NO_x和soot缸內空間分布區(qū)域互異的特點,本課題提出利用EGR分層的控制方法,實現(xiàn)對缸內氧濃度分布的靈活控制,尋求在NO_x生成的高峰區(qū)域保持較高的廢氣濃度,而在soot生成的高峰區(qū)域保持較高的氧濃度,抑制soot前期的生成,促進其后期的氧化,實現(xiàn)NO_x和soot的同時降低,達到內燃機高效清潔燃燒的目的。本文以一臺四氣門電控高壓共軌柴油機為基礎,利用發(fā)動機專業(yè)流體仿真軟件AVL-FIRE建立了發(fā)動機全氣道全循環(huán)數(shù)值模型,確定了壓燃式發(fā)動機NO_x和soot在缸內的生成特點和空間分布區(qū)域。以發(fā)動機原始排放場為基準,提出了“下濃上稀、中間濃周側稀”及“下濃上稀、周側濃中間稀”兩種目標氧濃度分布形態(tài)。并采用人為設定缸內氧濃度分布的方式研究分析了理想氧濃度分布形式對排放物生成的影響規(guī)律,結果表明:氧濃度及廢氣分層可以獲得更低的排放水平,在相同NO排放水平下,廢氣分層對EGR率的需求大約可降低7%左右,在一定程度上降低了柴油機排放控制對大比例EGR率的依賴。以目標氧濃度分布形式為指導,結合原機矩形布置的雙進氣道結構,設計了單氣道引入廢氣、單氣道添加廢氣引流管及廢氣引流板三種廢氣分層方案,對實現(xiàn)目標氧濃度分布形式的廢氣引入策略進行了探究。結果表明:單氣道引入廢氣使氧濃度在缸內整體呈現(xiàn)側向的分布形態(tài);廢氣引流管方案有利于獲得較理想的氧濃度分布形式,但引流管有效引入直徑限制了廢氣比例的提升,導致氧濃度分層度過低;添加具有相同引流作用的廢氣引流板有利于提升缸內的廢氣比例,擴大氧濃度的分層度,從而獲得理想的氧濃度分布形態(tài)。針對發(fā)動機轉速及廢氣參數(shù)對缸內氧濃度分布形式的影響進行了研究。結果表明:提升廢氣引入比例有利于擴大氧濃度在缸內的分層度;由于不同進氣道引流特性互異,廢氣引入壓力對缸內氧濃度分布形式的影響效果不同;相同廢氣引入方案下,中低轉速下的氧濃度分層效果要優(yōu)于高轉速。計算分析了不同氧濃度分布形態(tài)對燃燒及排放特性的影響�？梢园l(fā)現(xiàn),氧濃度呈現(xiàn)“下濃上稀,周側濃中間稀”的分層形式更利于獲得較低的排放水平,且對缸內整體的燃燒情況影響較小。同時研究結果表明:廢氣及氧濃度分層對NO_x和soot的改善效果在缸內廢氣比例較高、氧濃度較低及氧濃度分層度較大時表現(xiàn)得更顯著。中等負荷下,當缸內總體氧濃度為21.4%,氧濃度分層度為4.5%時,氧濃度分層的NO水平較均質EGR降低4.5%,soot降低2.7%;而當缸內總體氧濃度為20.2%,氧濃度分層度為6.8%時,氧濃度分層對NO的改善程度提升為8.5%,soot則提升為4.9%。發(fā)動機運轉工況及進氣邊界條件對氧濃度分層下的燃燒有較大影響,結果表明:氧濃度分層對排放的改善程度在中低轉速時較理想。不同負荷下,氧濃度分層對排放的改善程度差異較大。中小負荷下,氧濃度分層對排放的改善效果較好,而在大負荷下,噴油持續(xù)期和燃燒持續(xù)期的延長弱化了氧濃度分層對燃燒的影響程度,使其對排放的改善程度降低。進氣壓力對氧濃度分層燃燒的影響較大,適度提高進氣壓力有利于增大氧濃度分層對soot的改善效果,且對NO的排放水平影響較小。中等負荷下,當進氣壓力由126kPa提升至133kPa時,soot的改善比例由4.9%提升為6.8%。而過分提升進氣壓力會使滯燃期明顯縮短,預混燃燒比例降低,弱化了氧濃度分層對燃燒及排放的影響程度。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK401
【部分圖文】：

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