本文關(guān)鍵詞：基于燃料特性與燃燒邊界條件協(xié)同控制的高效清潔燃燒技術(shù)研究

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【摘要】：隨著燃油耗法規(guī)和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,能源高效利用與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)混合氣不均勻的問(wèn)題,積極導(dǎo)入預(yù)混合化的燃燒模式,實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)與柴油機(jī)的統(tǒng)一化,在保證燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)降低污染物排放是未來(lái)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí),從優(yōu)化燃料特性的角度改善內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程、降低排放逐漸成為國(guó)際內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本研究在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下,針對(duì)內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的需求,基于燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)與燃燒邊界條件協(xié)同控制的思想,采用煤基費(fèi)托合成燃料、高辛烷值汽油及高品質(zhì)柴油等作為基礎(chǔ)燃料組分,從燃料設(shè)計(jì)及燃燒邊界條件控制的角度出發(fā),探究燃料特性對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混合燃燒過(guò)程及排放污染物生成的影響規(guī)律。通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣參數(shù)及噴油參數(shù)等控制燃燒邊界條件,利用寬餾程燃料系統(tǒng)的研究了實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)/柴油機(jī)統(tǒng)一化的預(yù)混壓燃高效清潔燃燒模式的控制方法及與之相適應(yīng)的燃料特性指標(biāo);確定了燃料理化特性及燃燒邊界條件對(duì)混合氣制備、燃燒及排放污染物生成的影響程度及范圍;探索了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用寬餾程燃料穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)工況燃燒及排放的差異,揭示了燃料化學(xué)及缸內(nèi)活化熱氛圍對(duì)燃燒及排放的作用機(jī)理與影響機(jī)制。研究中基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng),設(shè)計(jì)搭建了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混合燃燒試驗(yàn)測(cè)控平臺(tái)�；贑AN通訊技術(shù)開(kāi)發(fā)了燃油噴射控制系統(tǒng)及電控EGR系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、噴油及缸內(nèi)燃燒邊界條件的主動(dòng)控制和柔性調(diào)節(jié);基于TSI 3090微粒粒徑分析儀及自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣二級(jí)稀釋系統(tǒng),建立了柴油機(jī)瞬態(tài)工況微粒粒度分布測(cè)試系統(tǒng),可滿(mǎn)足瞬態(tài)工況微粒粒度分布測(cè)試的要求;基于索氏萃取法、色譜分析法建立了排氣顆粒物排放特性分析平臺(tái),開(kāi)發(fā)了排氣單循環(huán)采樣系統(tǒng),能夠?qū)λ沧冞^(guò)程單一循環(huán)排氣進(jìn)行準(zhǔn)確采樣,為排氣微粒排放成分的深入分析創(chuàng)造了條件。研究結(jié)果表明:1.燃料理化特性及燃燒邊界條件是影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程及排氣污染物排放的重要因素。對(duì)于預(yù)混合燃燒過(guò)程,適當(dāng)增加噴油提前角,有助于提高燃燒定容度,改善熱效率,但過(guò)早噴油反而對(duì)熱效率產(chǎn)生不利的影響。通過(guò)提高燃油噴射壓力,有助于進(jìn)一步促進(jìn)油氣混合,減少局部過(guò)濃區(qū)的形成,降低積聚態(tài)微粒數(shù)量,同時(shí)核態(tài)微粒比例相應(yīng)有所提高。通過(guò)控制噴油時(shí)刻選取適宜的CA50并配合適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣氧濃度條件有利于提高熱效率、降低排放。燃料核心理化特性對(duì)燃燒及排放的影響研究表明,降低燃料十六烷值及改善揮發(fā)性均可促進(jìn)油氣進(jìn)一步混合,增大預(yù)混合燃燒量,降低排氣煙度。同時(shí),隨燃料十六烷值升高,核態(tài)微�？倲�(shù)明顯降低,積聚態(tài)微�？倲�(shù)有所升高;燃用揮發(fā)性較強(qiáng)燃料時(shí),有助于強(qiáng)化油氣混合過(guò)程,減少缸內(nèi)局部過(guò)濃區(qū),使積聚態(tài)微粒數(shù)量排放明顯降低。2.在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用寬餾程燃料有利于實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒過(guò)程。寬餾程燃料組分對(duì)燃燒及排放有顯著影響,隨燃料中汽油組分含量增加,滯燃期延長(zhǎng),揮發(fā)性改善,有利于增大預(yù)混合燃燒量,降低排氣煙度,并改善燃燒定容性。小負(fù)荷工況下,燃用過(guò)高汽油組分占比的寬餾程燃料會(huì)導(dǎo)致CO、HC排放物增加,燃燒效率降低,熱效率下降;從保證熱效率的角度講,不宜采用過(guò)高汽油組分含量的寬餾程燃料。但在大負(fù)荷工況下,采用高汽油含量的寬餾程燃料能夠進(jìn)一步降低排氣煙度,且不會(huì)導(dǎo)致NOx顯著增加,能夠在更高負(fù)荷工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒過(guò)程,有助于拓展預(yù)混合燃燒過(guò)程負(fù)荷工況范圍。綜合考慮不同負(fù)荷工況下運(yùn)行情況,汽油組分占比控制在40%~50%左右較為適宜。3.燃用寬餾程燃料時(shí)排氣顆粒物更趨于細(xì)化,其微粒幾何平均粒徑較柴油明顯降低。大負(fù)荷工況下,燃用寬餾程燃料在降低積聚態(tài)微粒數(shù)量方面更具優(yōu)勢(shì),燃用G50燃料時(shí)積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度較柴油降低可達(dá)70%以上。從控制顆粒物生成的角度上講,在低氧濃度氛圍下,提高噴油壓力對(duì)微粒排放的影響和燃用寬餾程燃料的影響可以相互替代,即燃用寬餾程燃料可以提高對(duì)更高比例EGR的耐受性,同時(shí)可降低對(duì)于高噴射壓力的需求。在排氣顆粒物成分方面,與柴油燃料相比,燃用寬餾程燃料時(shí)排氣微粒中DS比例有所降低,SOF比例升高。4.燃用寬餾程燃料時(shí)能夠在不引起NOx排放顯著增加的情況下使排氣煙度較傳統(tǒng)壓燃式柴油機(jī)有明顯改善。同時(shí)從能量利用的角度講,在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中燃用寬餾程燃料能夠在一定程度上提高汽油組分的能量利用率,經(jīng)濟(jì)性雖然較燃用傳統(tǒng)柴油燃料時(shí)有所降低,但仍?xún)?yōu)于傳統(tǒng)點(diǎn)燃式汽油機(jī),在提高燃料能量轉(zhuǎn)化效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)。因此,采用寬餾程燃料可作為實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)與柴油機(jī)統(tǒng)一化燃燒過(guò)程的有效手段。5.針對(duì)燃料特性對(duì)燃油噴霧特性的影響,本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了可控壓力及溫度的定容噴霧試驗(yàn)系統(tǒng),搭建了燃料噴霧特性研究平臺(tái),并基于AVL Fire軟件建立了模擬仿真研究平臺(tái),利用高速成像法結(jié)合化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬分析的手段針對(duì)寬餾程燃料對(duì)缸內(nèi)霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒及排放污染物生成的影響機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn),采用寬餾程燃料后,燃料貫穿距離縮短,噴霧錐角增大,油氣的宏觀混合效果明顯改善。燃用寬餾程燃料并配合燃燒邊界條件協(xié)同控制可優(yōu)化燃燒路徑,避開(kāi)燃燒過(guò)程N(yùn)Ox與soot生成區(qū),降低NOx及微粒排放。通過(guò)將柴油與汽油燃料相互混合,可在整體上改變?nèi)剂系姆磻?yīng)活性,實(shí)際燃燒過(guò)程中反應(yīng)活性較強(qiáng)的柴油組分會(huì)率先在溫度及壓力適宜的條件下發(fā)生高溫放熱反應(yīng),使缸內(nèi)局部溫度及壓力升高,繼而引燃反應(yīng)活性較低的汽油組分。6.燃用寬餾程燃料有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變過(guò)程中由于渦輪增壓器進(jìn)氣遲滯導(dǎo)致增負(fù)荷過(guò)程中部分循環(huán)燃燒畸變,排氣煙度急劇升高,燃用寬餾程燃料時(shí)能夠降低對(duì)于渦輪增壓器進(jìn)氣響應(yīng)性的需求,可顯著改善瞬變?cè)鲐?fù)荷過(guò)程排氣煙度,且在加載速率較大時(shí)改善效果更為明顯。同時(shí),隨寬餾程燃料中汽油組分含量增大,積聚態(tài)微粒數(shù)量增加較為平緩,當(dāng)汽油摻入比例達(dá)到50%時(shí),在高瞬變率工況積聚態(tài)微粒數(shù)量相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況無(wú)明顯增加,說(shuō)明寬餾程燃料在改善瞬變工況積聚態(tài)微粒數(shù)量排放方面表現(xiàn)出一定潛力。
【關(guān)鍵詞】：寬餾程燃料 燃燒邊界條件 壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī) 高效清潔燃燒 微粒粒度分布
【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(lèi)號(hào)】：TK401
【目錄】：

• 摘要4-6
• abstract6-14
• 第1章 緒論14-38
• 1.1 引言14-16
• 1.2 內(nèi)燃機(jī)面臨的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)思路16-21
• 1.3 內(nèi)燃機(jī)高效清潔燃燒模式21-30
• 1.3.1 傳統(tǒng)燃燒模式及熱效率影響因素21-23
• 1.3.2 內(nèi)燃機(jī)排氣污染物生成機(jī)理及研究進(jìn)展23-27
• 1.3.3 內(nèi)燃機(jī)新型燃燒模式的研究進(jìn)展27-30
• 1.4 基于燃料特性?xún)?yōu)化的高效清潔燃燒模式研究進(jìn)展30-35
• 1.5 本文研究目的、意義及主要工作內(nèi)容35-38
• 第2章 試驗(yàn)研究平臺(tái)建立及測(cè)試分析方法38-52
• 2.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)控系統(tǒng)38-39
• 2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒邊界條件調(diào)控系統(tǒng)39-44
• 2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)39-42
• 2.2.2 燃燒分析系統(tǒng)及分析方法42-43
• 2.2.3 廢氣再循環(huán)流量及溫度控制系統(tǒng)43-44
• 2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)氣態(tài)HC及顆粒物排放測(cè)量分析平臺(tái)44-50
• 2.3.1 排氣顆粒物稀釋采樣系統(tǒng)45
• 2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣二級(jí)稀釋系統(tǒng)45-47
• 2.3.3 排氣單循環(huán)采樣系統(tǒng)47-48
• 2.3.4 排氣顆粒物成分分析系統(tǒng)48-50
• 2.4 本章小結(jié)50-52
• 第3章 燃燒邊界條件及燃料特性對(duì)燃燒及排放影響的基礎(chǔ)研究52-76
• 3.1 燃油噴射條件對(duì)燃燒及排放的影響規(guī)律分析52-60
• 3.1.1 燃油噴射時(shí)刻及噴射壓力對(duì)燃燒及排放特性的影響52-57
• 3.1.2 不同燃油噴射參數(shù)下超細(xì)顆粒物排放特性57-60
• 3.2 燃油噴射條件與再循環(huán)廢氣協(xié)同控制對(duì)燃燒及排放的影響60-67
• 3.2.1 燃燒相位協(xié)同EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放及經(jīng)濟(jì)性的影響60-63
• 3.2.2 再循環(huán)廢氣溫度對(duì)燃燒及排放的影響63-64
• 3.2.3 再循環(huán)廢氣量及溫度對(duì)超細(xì)微粒排放特性的影響64-67
• 3.3 燃料核心理化特性參數(shù)對(duì)燃燒及排放影響規(guī)律探討67-74
• 3.3.1 燃料著火性對(duì)燃燒及排放的影響69-71
• 3.3.2 燃料揮發(fā)性對(duì)燃燒及排放的影響71-74
• 3.4 本章小結(jié)74-76
• 第4章 利用寬餾程燃料實(shí)現(xiàn)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混合燃燒模式探索研究76-106
• 4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用寬餾程燃料燃燒及排放特性分析76-87
• 4.1.1 寬餾程燃料組分對(duì)燃燒及排放特性的影響77-80
• 4.1.2 不同CA50下燃用寬餾程燃料熱效率評(píng)價(jià)80-82
• 4.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用寬餾程燃料實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒的負(fù)荷范圍82-87
• 4.2 寬餾程燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣氣態(tài)HC成分及顆粒物排放特征分析87-95
• 4.2.1 寬餾程燃料對(duì)排氣氣態(tài)HC成分的影響87-90
• 4.2.2 微粒排放粒度分布的影響規(guī)律分析90-92
• 4.2.3 排氣顆粒物成分的影響分析92-95
• 4.3 基于寬餾程燃料與燃燒邊界條件協(xié)同控制的燃燒過(guò)程優(yōu)化95-103
• 4.3.1 EGR及噴油壓力對(duì)寬餾程燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放的影響95-98
• 4.3.2 兩段噴射模式對(duì)燃燒及排放的改善潛力98-103
• 4.4 本章小結(jié)103-106
• 第5章 寬餾程燃料噴霧特性分析及對(duì)燃燒和排放的影響機(jī)理106-124
• 5.1 定容噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)106-109
• 5.1.1 定容噴霧試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)106-107
• 5.1.2 電控高壓共軌系統(tǒng)107-108
• 5.1.3 高速成像系統(tǒng)108-109
• 5.2 定容器中燃料噴霧特性研究109-112
• 5.2.1 環(huán)境背壓的影響109-110
• 5.2.2 噴油器噴孔直徑的影響110-111
• 5.2.3 寬餾程燃料噴霧特性試驗(yàn)研究111-112
• 5.3 燃料特性及燃燒邊界條件對(duì)燃燒及排放物生成影響的模擬分析112-121
• 5.3.1 燃燒過(guò)程數(shù)值模型的建立及網(wǎng)格劃分112-113
• 5.3.2 計(jì)算初始邊界條件的設(shè)定及模型驗(yàn)證113-115
• 5.3.3 燃料組分對(duì)缸內(nèi)混合氣形成及排放物生成的影響115-117
• 5.3.4 寬餾程燃料燃燒過(guò)程主要組分的變化歷程117-118
• 5.3.5 寬餾程燃料與燃燒邊界條件協(xié)同控制對(duì)燃燒及排放的影響118-121
• 5.4 本章小結(jié)121-124
• 第6章 寬餾程燃料對(duì)瞬變過(guò)程燃燒及排放影響評(píng)價(jià)124-138
• 6.1 試驗(yàn)研究方案124-125
• 6.2 瞬變過(guò)程加載速率對(duì)瞬變過(guò)程燃燒及排放的影響125-127
• 6.2.1 加載速率對(duì)燃燒特性的影響125-126
• 6.2.2 加載速率對(duì)排放特性的影響126-127
• 6.3 EGR對(duì)瞬變過(guò)程燃燒及排放的影響127-129
• 6.4 寬餾程燃料預(yù)混合燃燒瞬變工況排放特性129-133
• 6.4.1 排氣煙度及NOx排放特性129-131
• 6.4.2 超細(xì)微粒數(shù)量排放特性131-133
• 6.5 寬餾程燃料瞬變工況HC排放特性分析133-136
• 6.6 本章小結(jié)136-138
• 第7章 全文總結(jié)及未來(lái)工作展望138-142
• 7.1 全文總結(jié)138-140
• 7.2 本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)140-141
• 7.3 工作展望141-142
• 參考文獻(xiàn)142-152
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果152-156
• 致謝156

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本文編號(hào)：703943