本文關鍵詞：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)的日益嚴格,能源高效利用與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展成為各國關注的焦點。針對傳統(tǒng)柴油機混合氣不均勻的問題,積極導入預混合化的燃燒模式,實現(xiàn)汽油機與柴油機的統(tǒng)一化,在保證燃油經濟性的同時降低污染物排放是未來內燃機的發(fā)展趨勢。同時,從優(yōu)化燃料特性的角度改善內燃機工作過程、降低排放逐漸成為國際內燃機領域的研究熱點。本研究在國家自然科學基金項目的資助下,針對內燃機實現(xiàn)高效清潔燃燒的需求,基于燃料化學動力學與燃燒邊界條件協(xié)同控制的思想,采用煤基費托合成燃料、高辛烷值汽油及高品質柴油等作為基礎燃料組分,從燃料設計及燃燒邊界條件控制的角度出發(fā),探究燃料特性對壓燃式發(fā)動機預混合燃燒過程及排放污染物生成的影響規(guī)律。通過調整進氣參數(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)的研究了實現(xiàn)汽油機/柴油機統(tǒng)一化的預混壓燃高效清潔燃燒模式的控制方法及與之相適應的燃料特性指標;確定了燃料理化特性及燃燒邊界條件對混合氣制備、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)動機燃用寬餾程燃料穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)工況燃燒及排放的差異,揭示了燃料化學及缸內活化熱氛圍對燃燒及排放的作用機理與影響機制。研究中基于實時數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng),設計搭建了壓燃式發(fā)動機預混合燃燒試驗測控平臺�；贑AN通訊技術開發(fā)了燃油噴射控制系統(tǒng)及電控EGR系統(tǒng),實現(xiàn)了發(fā)動機進氣、噴油及缸內燃燒邊界條件的主動控制和柔性調節(jié);基于TSI 3090微粒粒徑分析儀及自行設計開發(fā)的發(fā)動機排氣二級稀釋系統(tǒng),建立了柴油機瞬態(tài)工況微粒粒度分布測試系統(tǒng),可滿足瞬態(tài)工況微粒粒度分布測試的要求;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,開發(fā)了排氣單循環(huán)采樣系統(tǒng),能夠對瞬變過程單一循環(huán)排氣進行準確采樣,為排氣微粒排放成分的深入分析創(chuàng)造了條件。研究結果表明:1.燃料理化特性及燃燒邊界條件是影響發(fā)動機燃燒過程及排氣污染物排放的重要因素。對于預混合燃燒過程,適當增加噴油提前角,有助于提高燃燒定容度,改善熱效率,但過早噴油反而對熱效率產生不利的影響。通過提高燃油噴射壓力,有助于進一步促進油氣混合,減少局部過濃區(qū)的形成,降低積聚態(tài)微粒數(shù)量,同時核態(tài)微粒比例相應有所提高。通過控制噴油時刻選取適宜的CA50并配合適當?shù)倪M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)性均可促進油氣進一步混合,增大預混合燃燒量,降低排氣煙度。同時,隨燃料十六烷值升高,核態(tài)微粒總數(shù)明顯降低,積聚態(tài)微�？倲�(shù)有所升高;燃用揮發(fā)性較強燃料時,有助于強化油氣混合過程,減少缸內局部過濃區(qū),使積聚態(tài)微粒數(shù)量排放明顯降低。2.在壓燃式發(fā)動機上應用寬餾程燃料有利于實現(xiàn)預混合燃燒過程。寬餾程燃料組分對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,揮發(fā)性改善,有利于增大預混合燃燒量,降低排氣煙度,并改善燃燒定容性。小負荷工況下,燃用過高汽油組分占比的寬餾程燃料會導致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,不宜采用過高汽油組分含量的寬餾程燃料。但在大負荷工況下,采用高汽油含量的寬餾程燃料能夠進一步降低排氣煙度,且不會導致NOx顯著增加,能夠在更高負荷工況范圍內實現(xiàn)預混合燃燒過程,有助于拓展預混合燃燒過程負荷工況范圍。綜合考慮不同負荷工況下運行情況,汽油組分占比控制在40%~50%左右較為適宜。3.燃用寬餾程燃料時排氣顆粒物更趨于細化,其微粒幾何平均粒徑較柴油明顯降低。大負荷工況下,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,燃用G50燃料時積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度較柴油降低可達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更高比例EGR的耐受性,同時可降低對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)壓燃式柴油機有明顯改善。同時從能量利用的角度講,在壓燃式發(fā)動機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,經濟性雖然較燃用傳統(tǒng)柴油燃料時有所降低,但仍優(yōu)于傳統(tǒng)點燃式汽油機,在提高燃料能量轉化效率方面具有一定優(yōu)勢。因此,采用寬餾程燃料可作為實現(xiàn)汽油機與柴油機統(tǒng)一化燃燒過程的有效手段。5.針對燃料特性對燃油噴霧特性的影響,本文設計開發(fā)了可控壓力及溫度的定容噴霧試驗系統(tǒng),搭建了燃料噴霧特性研究平臺,并基于AVL Fire軟件建立了模擬仿真研究平臺,利用高速成像法結合化學動力學模擬分析的手段針對寬餾程燃料對缸內霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒及排放污染物生成的影響機理進行了深入研究。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,避開燃燒過程NOx與soot生成區(qū),降低NOx及微粒排放。通過將柴油與汽油燃料相互混合,可在整體上改變燃料的反應活性,實際燃燒過程中反應活性較強的柴油組分會率先在溫度及壓力適宜的條件下發(fā)生高溫放熱反應,使缸內局部溫度及壓力升高,繼而引燃反應活性較低的汽油組分。6.燃用寬餾程燃料有助于改善發(fā)動機瞬態(tài)過程。傳統(tǒng)發(fā)動機瞬變過程中由于渦輪增壓器進氣遲滯導致增負荷過程中部分循環(huán)燃燒畸變,排氣煙度急劇升高,燃用寬餾程燃料時能夠降低對于渦輪增壓器進氣響應性的需求,可顯著改善瞬變增負荷過程排氣煙度,且在加載速率較大時改善效果更為明顯。同時,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,當汽油摻入比例達到50%時,在高瞬變率工況積聚態(tài)微粒數(shù)量相對于穩(wěn)態(tài)工況無明顯增加,說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。
【關鍵詞】：寬餾程燃料 燃燒邊界條件 壓燃式發(fā)動機 高效清潔燃燒 微粒粒度分布
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 摘要4-6
• abstract6-14
• 第1章 緒論14-38
• 1.1 引言14-16
• 1.2 內燃機面臨的問題及應對思路16-21
• 1.3 內燃機高效清潔燃燒模式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 內燃機排氣污染物生成機理及研究進展23-27
• 1.3.3 內燃機新型燃燒模式的研究進展27-30
• 1.4 基于燃料特性優(yōu)化的高效清潔燃燒模式研究進展30-35
• 1.5 本文研究目的、意義及主要工作內容35-38
• 第2章 試驗研究平臺建立及測試分析方法38-52
• 2.1 試驗用發(fā)動機及測控系統(tǒng)38-39
• 2.2 發(fā)動機燃燒邊界條件調控系統(tǒng)39-44
• 2.2.1 發(fā)動機燃油噴射控制系統(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)動機氣態(tài)HC及顆粒物排放測量分析平臺44-50
• 2.3.1 排氣顆粒物稀釋采樣系統(tǒng)45
• 2.3.2 發(fā)動機排氣二級稀釋系統(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50-52
• 第3章 燃燒邊界條件及燃料特性對燃燒及排放影響的基礎研究52-76
• 3.1 燃油噴射條件對燃燒及排放的影響規(guī)律分析52-60
• 3.1.1 燃油噴射時刻及噴射壓力對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)同控制對燃燒及排放的影響60-67
• 3.2.1 燃燒相位協(xié)同EGR對發(fā)動機排放及經濟性的影響60-63
• 3.2.2 再循環(huán)廢氣溫度對燃燒及排放的影響63-64
• 3.2.3 再循環(huán)廢氣量及溫度對超細微粒排放特性的影響64-67
• 3.3 燃料核心理化特性參數(shù)對燃燒及排放影響規(guī)律探討67-74
• 3.3.1 燃料著火性對燃燒及排放的影響69-71
• 3.3.2 燃料揮發(fā)性對燃燒及排放的影響71-74
• 3.4 本章小結74-76
• 第4章 利用寬餾程燃料實現(xiàn)壓燃式發(fā)動機預混合燃燒模式探索研究76-106
• 4.1 發(fā)動機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價80-82
• 4.1.3 發(fā)動機燃用寬餾程燃料實現(xiàn)預混合燃燒的負荷范圍82-87
• 4.2 寬餾程燃料發(fā)動機排氣氣態(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)同控制的燃燒過程優(yōu)化95-103
• 4.3.1 EGR及噴油壓力對寬餾程燃料發(fā)動機燃燒及排放的影響95-98
• 4.3.2 兩段噴射模式對燃燒及排放的改善潛力98-103
• 4.4 本章小結103-106
• 第5章 寬餾程燃料噴霧特性分析及對燃燒和排放的影響機理106-124
• 5.1 定容噴霧試驗系統(tǒng)設計106-109
• 5.1.1 定容噴霧試驗裝置設計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研究111-112
• 5.3 燃料特性及燃燒邊界條件對燃燒及排放物生成影響的模擬分析112-121
• 5.3.1 燃燒過程數(shù)值模型的建立及網格劃分112-113
• 5.3.2 計算初始邊界條件的設定及模型驗證113-115
• 5.3.3 燃料組分對缸內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)同控制對燃燒及排放的影響118-121
• 5.4 本章小結121-124
• 第6章 寬餾程燃料對瞬變過程燃燒及排放影響評價124-138
• 6.1 試驗研究方案124-125
• 6.2 瞬變過程加載速率對瞬變過程燃燒及排放的影響125-127
• 6.2.1 加載速率對燃燒特性的影響125-126
• 6.2.2 加載速率對排放特性的影響126-127
• 6.3 EGR對瞬變過程燃燒及排放的影響127-129
• 6.4 寬餾程燃料預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136-138
• 第7章 全文總結及未來工作展望138-142
• 7.1 全文總結138-140
• 7.2 本文主要創(chuàng)新點140-141
• 7.3 工作展望141-142
• 參考文獻142-152
• 作者簡介及科研成果152-156
• 致謝156

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