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

【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)展成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。針對傳統(tǒng)柴油機(jī)混合氣不均勻的問題,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)性的同時降低污染物排放是未來內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢。同時,從優(yōu)化燃料特性的角度改善內(nèi)燃機(jī)工作過程、降低排放逐漸成為國際內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本研究在國家自然科學(xué)基金項目的資助下,針對內(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(jī)預(yù)混合燃燒過程及排放污染物生成的影響規(guī)律。通過調(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(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)時數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng),設(shè)計搭建了壓燃式發(fā)動機(jī)預(yù)混合燃燒試驗(yàn)測控平臺?；贑AN通訊技術(shù)開發(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)動機(jī)進(jìn)氣、噴油及缸內(nèi)燃燒邊界條件的主動控制和柔性調(diào)節(jié);基于TSI 3090微粒粒徑分析儀及自行設(shè)計開發(fā)的發(fā)動機(jī)排氣二級稀釋系統(tǒng),建立了柴油機(jī)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?qū)λ沧冞^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)動機(jī)燃燒過程及排氣污染物排放的重要因素。對于預(yù)混合燃燒過程,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,但過早噴油反而對熱效率產(chǎn)生不利的影響。通過提高燃油噴射壓力,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(yīng)有所提高。通過控制噴油時刻選取適宜的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,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(qiáng)燃料時,有助于強(qiáng)化油氣混合過程,減少缸內(nèi)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(jī)上應(yīng)用寬餾程燃料有利于實(shí)現(xiàn)預(yù)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(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,燃用過高汽油組分占比的寬餾程燃料會導(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)混合燃燒過程,有助于拓展預(yù)混合燃燒過程負(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,燃用G50燃料時積聚態(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(jī)有明顯改善。同時從能量利用的角度講,在壓燃式發(fā)動機(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)柴油燃料時有所降低,但仍優(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。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(shè)計開發(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,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(jié)合化學(xué)動力學(xué)模擬分析的手段針對寬餾程燃料對缸內(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,避開燃燒過程N(yùn)Ox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?nèi)剂系姆磻?yīng)活性,實(shí)際燃燒過程中反應(yīng)活性較強(qiáng)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(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)動機(jī)瞬態(tài)過程。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)瞬變過程中由于渦輪增壓器進(jìn)氣遲滯導(dǎo)致增負(fù)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(jìn)氣響應(yīng)性的需求,可顯著改善瞬變增負(fù)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(dāng)汽油摻入比例達(dá)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。 【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK401

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