汽油品质对发动机性能影响的试验研究与数值模拟

论文摘要

汽油品质对发动机性能尤其是排放性能有重要影响,燃用清洁汽油可有效控制汽油机的排放。许多国家已根据本国汽车行业和石化行业的特点进行了相关研究,并制定了严格的清洁汽油标准。我国炼油工艺与国外存在较大差异,同时缺乏汽油品质与排放相关性的研究工作积累。因此有必要开展相关研究,为制定符合我国国情的汽油标准提供依据。本文首先对国际上典型“汽车—燃油”（Auto-Oil）项目及汽油品质相关研究进展进行了系统地综述分析,总结了其主要研究结果、研究方法以及不足之处,在此基础上确定了本研究的主要技术路线。试验研究中,在不同排放水平的汽油发动机上,通过发动机台架性能试验、催化器快速硫老化试验和冷起动模拟试验研究了汽油的辛烷值、挥发性、烯烃、芳烃和硫含量对动力性、燃油经济性和排放特性的影响规律;并通过燃烧分析对试验现象进行了深入解析。结合本研究结果和相关研究进展阐述了汽油品质与排放的相关性,提出了适合我国国情的清洁汽油相关建议。试验结果表明,汽油辛烷值过高,会使燃烧持续期加长,导致燃油经济性和排放特性恶化;烯烃易于燃烧,可缩短着火落后期和燃烧持续期,显著降低THC排放,烯烃含量每增加1%v,THC排放降低1%;芳烃含量在35～45%v范围内变化对燃烧和排放的影响不明显;硫对三效催化剂（TWC）的初始活性没有影响,但对其耐久性有严重影响,硫含量增加,TWC老化后的起燃温度显著升高,同时TWC硫中毒具有一定可逆性,高温下催化剂活性可得到部分恢复;汽油挥发性提高,对改善冷起动燃烧和THC排放有利,对CO排放的影响则与具体发动机相关。针对汽油多组分燃料的特点,通过燃油热重分析试验合理确定了三组分汽油模型中的替代组分和比例,据此开发了三组分油滴蒸发模型和油膜蒸发模型,该模型较好地体现了汽油不同组分蒸发特性的差异。基于所开发的三组分汽油蒸发模型,模拟分析了汽油喷雾蒸发的规律,并应用所建立的发动机CFD数值模型研究了汽油挥发性对冷起动首循环中混合气形成和燃烧过程的影响,为理解汽油品质对燃烧和排放的影响提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 主要研究内容及本文结构
• 第2章 汽油品质研究进展综述
• 2.1 与发动机性能密切相关的汽油理化特性参数
• 2.1.1 汽油的物理特性参数
• 2.1.2 汽油的化学特性参数
• 2.2 汽油品质研究历史及主要研究项目
• 2.2.1 汽油品质研究历史
• 2.2.2 美国空气质量改善研究计划
• 2.2.3 欧洲排放、燃油及发动机技术计划
• 2.2.4 日本清洁空气计划
• 2.3 汽油主要理化特性参数对发动机性能影响的研究进展
• 2.3.1 辛烷值与发动机性能的关系
• 2.3.2 烯烃含量对排放的影响
• 2.3.3 芳烃含量对排放的影响
• 2.3.4 催化剂硫中毒及汽油含硫量对排放的影响
• 2.3.5 挥发性对发动机性能的影响
• 2.4 汽油喷雾蒸发特性数值模拟研究进展
• 2.4.1 油滴蒸发模拟研究进展
• 2.4.2 油膜蒸发模拟研究进展
• 2.5 本章小结
• 第3章 试验研究方法与测试仪器
• 3.1 试验油样设计
• 3.2 台架试验研究方法设计
• 3.2.1 性能试验台架
• 3.2.2 烯烃和芳烃含量对排放影响的试验研究方法
• 3.2.3 硫对催化剂活性影响的试验研究方法
• 3.2.4 挥发性对汽油机冷起动性能影响的试验研究方法
• 3.2.5 整车性能试验台
• 3.2.6 喷雾可视化试验台
• 3.3 本章小结
• 第4章 汽油主要理化特性参数与排放相关性的试验研究
• 4.1 辛烷值与发动机性能的相关性
• 4.1.1 辛烷值对发动机动力性的影响
• 4.1.2 辛烷值对发动机燃油经济性的影响
• 4.1.3 辛烷值与排放的相关性分析
• 4.1.4 不同辛烷值汽油的燃烧特性对比
• 4.2 烯烃含量与发动机排放的相关性
• 4.2.1 烯烃含量对排放特性的影响
• 4.2.2 不同烯烃含量汽油的燃烧特性分析
• 4.2.3 烯烃含量对催化剂性能的影响
• 4.3 芳烃含量与发动机排放的相关性
• 4.3.1 芳烃含量对排放特性的影响
• 4.3.2 不同芳烃含量汽油的燃烧特性分析
• 4.3.3 芳烃含量对催化剂性能的影响
• 4.4 硫含量对催化剂性能的影响
• 4.4.1 硫含量对催化剂耐久性的影响
• 4.4.2 硫含量对催化剂初始活性的影响
• 4.5 蒸气压对发动机冷起动性能的影响
• 4.5.1 蒸气压对冷起动燃烧特性的影响
• 4.5.2 蒸气压与冷起动排放的相关性
• 4.6 油品参数综合讨论及优化
• 4.6.1 油品参数与排放相关性的综合讨论
• 4.6.2 基于国情的清洁油品优化原则
• 4.6.3 研究结果的应用
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于多组分蒸发模型的汽油机工作过程模拟
• 5.1 汽油机工作过程三维CFD 模拟的数学模型
• 5.1.1 气相控制方程
• 5.1.2 湍流模型
• 5.1.3 喷雾模型
• 5.1.4 油膜模型
• 5.1.5 燃烧模型
• 5.2 多组分蒸发模型
• 5.2.1 多组分油滴蒸发模型
• 5.2.2 多组分油膜蒸发模型
• 5.2.3 蒸发模型的验证
• 5.2.4 喷雾模型的验证
• 5.2.5 模拟替代多组分的选取
• 5.2.6 单油滴蒸发模拟
• 5.2.7 定容燃烧弹喷雾模拟
• 5.3 汽油挥发性对发动机冷起动过程影响的模拟
• 5.3.1 动网格生成及边界条件设定
• 5.3.2 挥发性对冷起动首循环工作过程影响的模拟
• 5.3.3 汽油多组分蒸发模型与单组分蒸发模型的对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果