燃料特性和燃烧模式对柴油机低温燃烧影响的研究

摘要

低温燃烧作为一种新型燃烧方式,燃料特性对其燃烧、性能、排放及高效清洁运行工况范围有重要影响;另一方面,采用多种燃烧模式的复合燃烧模式也是在全工况范围内实现高效清洁燃烧的重要技术途径。因此,对燃料特性和燃烧模式的研究具有很重要的理论意义和实际应用价值。本文采用台架试验、三维数值模拟和热力学分析手段相结合的方法,开展了燃料特性和燃烧模式对柴油机低温燃烧影响的研究。
　　本文首先对汽油燃料低温燃烧开展了研究,主要研究了燃烧控制参数和喷油策略对汽油低温燃烧的影响。结果表明,相对于柴油,汽油低温燃烧可以同时获得较低的NOX和soot排放,并获得与传统柴油燃烧相当的热效率,但最大压力升高率和循环波动较高,CO排放与柴油相当,HC排放略高,提高进气压力可以有效降低汽油低温燃烧排放。采用两次喷射策略有利于将汽油低温燃烧向大负荷工况扩展,但大负荷时soot、CO和HC排放升高,燃烧效率和指示热效率略有降低。
　　针对汽油燃料在大负荷工况soot排放高的问题,作者对汽油燃料添加正丁醇对低温燃烧影响进行了研究。结果表明,添加正丁醇可以有效降低soot排放;在高EGR率区域,添加正丁醇使CO和HC排放降低,但NOX排放基本不变。随着正丁醇比例提高,NO和NO2占氮氧化物的比例基本不变,多环芳香烃占总碳氢排放的比例下降,甲醛和乙醛与总碳氢排放的比例升高。
　　尽管上述高辛烷值燃料有利于在大负荷工况实现低温燃烧,但是由于十六烷值低,小负荷工况容易失火,为了向小负荷工况扩展,作者对汽油燃料中添加柴油组成汽油/柴油混合燃料的低温燃烧特性进行了研究。结果表明,在CA50相同的条件下,随着汽油比例升高,燃烧放热速率增大,缸内最大压力升高率和爆发压力升高,但对指示热效率影响很小;soot排放降低,NOX排放升高,但可以采用更大的EGR率实现更低的NOX排放。提高喷油压力可有效降低混合燃料的soot排放,但过高的喷油压力对降低soot排放的作用减小。随着汽油/柴油混合燃料中柴油比例的提高,能够平稳运行的小负荷工况向更低的极限工况扩展,但在小负荷工况下,较高柴油比例燃料的soot排放较高。
　　为了探索相同燃料采用不同燃烧模式的燃烧特性以及对性能和排放的影响,对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)方式以及汽油/柴油混合燃料低温燃烧(LTC)方式进行了对比研究。结果表明,采用早喷策略的E-HPCC燃烧模式中缸内混合气浓度及混合气化学活性分布较为均匀,而采用晚喷策略的L-HPCC和混合燃料的LTC燃烧模式中则存在不同程度的混合气浓度分层。E-HPCC更接近于双燃烧均质压燃(HCCI)燃烧模式,柴油的低温反应对燃烧过程起决定性作用;L-HPCC是柴油压燃多点点燃汽油均质混合气的准均质压燃(QHCCI)燃烧过程,其燃烧放热速率最低;LTC燃烧模式中的混合气不均匀导致快速的放热和较高的最大压力升高率,汽油和柴油同时在混合气浓度高的区域开始反应。E-HPCC燃烧模式中NOX和soot排放较低主要是由于混合气较均匀,而未燃HC排放则主要来源于进入余隙容积的汽油燃料。在相同的主放热时刻(CA50)条件下,LTC的传热损失最高,L-HPCC燃烧模式废气热损失最大,E-HPCC和L-HPCC燃烧模式的燃烧损失均高于LTC模式,但相同CA50条件下三种燃烧模式的指示热效率基本相当。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2柴油机低温燃烧技术发展

1.3燃料特性对柴油机低温燃烧的影响

1.4课题的研究目的、意义和主要工作内容

2.1试验装置

第二章试验装置和研究方法

2.2研究方法

第三章 燃烧控制参数及喷油策略对汽油低温燃烧影响的研究

3.1 燃烧控制参数对汽油低温燃烧的影响

3.2 喷射策略对汽油低温燃烧的影响

3.3 本章小节

第四章 正丁醇燃料对汽油低温燃烧的影响

4.1 添加正丁醇对燃烧特性的影响

4.2 添加正丁醇对排放特性的影响

4.3 本章小结

第五章 汽油/柴油混合燃料的燃烧与排放特性

5.1 汽油/柴油混合燃料理化特性分析

5.2 汽油比例对汽油/柴油混合燃料燃烧与排放的影响

5.3 喷油压力的影响

5.4 汽油/柴油混合燃料小负荷工况研究

5.5 本章小结

第六章 汽油/柴油双燃料燃烧模式对比研究

6.1 汽油/柴油双燃料不同燃烧模式对比

6.2汽油/柴油双燃料燃烧模式数值模拟研究

6.3 汽油比例对汽油/柴油双燃料燃烧模式的影响

6.4双燃料燃烧模式能量平衡分析

6.5 本章小结

第七章 全文总结及工作展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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