柴油机掺混燃烧机理及排放控制的研究

论文摘要

随着汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严格，进一步降低内燃机排放成为当前能源与环境领域的一个重要课题。柴油机作为动力装置以动力性强、热效率高、燃油消耗率低而得到广泛应用，但其NOx和微粒（碳烟）排放量较高，且排放控制受“NOX－微粒”折中曲线的束缚。为了改善柴油机的排放特性，本文以ZS195柴油机为研究对象，通过燃烧可视化实验和数值模拟相结合的方法，研究柴油机掺混燃烧过程的燃烧机理，探讨从机内净化入手达到同时降低NOx和微粒的目的，破解柴油机的“NOx－微粒”排放难题。本文综合各种可视化系统结构型式的优缺点和研究的实际情况，研制了一套视窗上置式柴油机可视化实验装置。在应用三基色测温法进行温度测量前，对光学测试系统进行温度标定，标定结果表明，用三基色法算出的温度场数值与实测值是非常相近的，其结果在工程上是可信的。利用三基色测温法在视窗上置式柴油机可视化实验装置上，对柴油机的着火和燃烧过程进行了可视化分析，结果表明，用三基色法分析缸内燃烧温度场与用其它方法得到的结果相一致，说明该方法是一种测试分析内燃机缸内着火、燃烧及火焰传播过程的有效方法；结合温度场和示功图曲线对柴油机的着火及燃烧过程进行了分析，结果符合实际柴油机燃烧过程的发展规律。利用柴油机可视化实验装置对柴油机掺氢、EGR（用CO2模拟）和掺氢EGR的燃烧特性进行了试验研究，结果表明，柴油机采用EGR技术后，随着EGR率的增加，着火时刻呈现推迟的趋势，燃烧持续时间因不完全燃烧而缩短；缸内最大爆发压力减小，达到峰值压力的时间推迟，放热率峰值下降，放热率曲线整体推后，对柴油机的动力性和经济性产生不利影响；另外，EGR的加入使缸内燃烧的最高温度和平均温度降低，缸内氧体积数下降，有利于降低NOX的排放。柴油机进气掺氢后，随着掺氢比的增加，着火时刻呈现提前的趋势，燃烧持续时间因燃烧速率加快而缩短；缸内最大爆发压力增大，达到峰值压力的时间提前，放热率峰值上升，放热率曲线整体提前，有利于提高柴油机的动力性和经济性；另外，掺氢使得缸内燃烧的最高温度和平均温度相应升高。对于柴油机的掺氢EGR燃烧，当EGR率一定时，随着掺氢比的增加，着火时刻呈现提前的趋势，小EGR率时，燃烧持续时间随着掺氢比的增加而缩短，大EGR率时，燃烧持续时间随着掺氢比的增加而延长；缸内最大爆发压力增加，达到峰值压力的时间提前，放热率峰值增加，放热率曲线整体提前；缸内最高温度和平均温度相应增高；另外，掺氢EGR可以在对发动机的动力性和经济性不产生较大影响和氧体积分数减少的前提下，改善柴油机的燃烧，有利于降低柴油机有害排放物的生成。柴油机掺烧模拟废气柴油重整气时，当EGR率一定时，随着掺氢比的增加，着火时刻呈现提前的趋势，其中H2对着火发生的影响作用大于CO；从火焰发展照片来看，H2对混合气燃烧的影响也要大于CO气体；由于模拟废气柴油重整气的掺混气体量较大，而总进气量和喷油量保持不变，导致过量空气系数变小，混合气变浓，氧体积数下降，所以造成燃料不能完全燃烧，燃烧结束较早导致燃烧持续时间较短，随着掺氢比的增大，燃烧逐步改善，燃烧持续时间开始延长；当EGR率一定时，随着掺氢比的增加，缸内最大爆发压力增加，达到峰值压力的时间提前；放热率峰值增加，放热率曲线整体提前；缸内最高温度和平均温度相应增高。利用FLUENT软件建立了三维燃烧模型，分别模拟计算了标定工况下ZS195柴油机不同方案的缸内压力变化趋势，与ZS195柴油机试验值进行比较，模拟结果和测试结果较为吻合，变化趋势一致，说明论文建立的燃烧模型真实可行。通过三维燃烧模拟，对缸内流场、温度、氧体积数和有害排放进行了分析，对比了掺烧模拟废气柴油重整气不同方案对柴油机工作过程的影响。在喷油初期，缸内速度矢量分布受柴油喷射速率的影响较大；随着掺混气体量的增加，缸内氧浓度下降；当EGR率一定时，随着掺氢比的增大，缸内最高温度升高；当掺氢比一定时，随着EGR率的增大，缸内最高温度降低，而CO的加入对燃烧温度的影响不太明显，这与试验结果基本一致。利用建立的三维燃烧模型，对掺烧模拟废气柴油重整气不同方案下柴油机的有害排放进行了预测分析。原机方案A的NOX排放和碳烟排放值都比较大；5%EGR对应的B、C、D三种方案中，NOX排放的降低效果差不多，碳烟排放降低效果从D至C再到B越来越好；15%EGR对应的E、F、G三种方案中，NOX排放的降低效果从E至F再到G越来越好，碳烟排放大幅降低，降低最明显的是F方案。因此，模拟废气柴油重整气可以实现同时降低NOx和碳烟排放的目的，为破解柴油机“NOX－微粒”排放难题提供一条重要的技术途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 柴油机燃烧及排放控制的发展现状
• 1.3 内燃机掺混燃烧国内外研究进展
• 1.4 课题来源和研究意义
• 1.5 研究思路和主要研究内容
• 第二章 柴油机掺混燃烧可视化实验装置设计
• 2.1 引言
• 2.2 内燃机可视化技术国内外研究进展
• 2.3 可视化发动机及测试分析方法
• 2.4 柴油机掺混燃烧可视化实验装置
• 2.5 本章小结
• 第三章 彩色三基色测温原理及应用
• 3.1 引言
• 3.2 彩色三基色测温原理
• 3.3 温度标定
• 3.4 基于三基色测温的 ZS195 柴油机燃烧过程可视化分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 柴油机掺混燃烧过程的可视化试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 柴油机掺氢燃烧过程的可视化试验研究
• 4.3 柴油机 EGR 燃烧过程的可视化试验研究
• 4.4 柴油机掺氢 EGR 燃烧过程的可视化试验研究
• 4.5 对本章试验结果的讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 柴油机掺烧模拟废气柴油重整气的可视化试验研究和数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 柴油机掺烧模拟废气柴油重整气的可视化试验研究
• 5.3 柴油机掺烧模拟废气柴油重整气燃烧过程的数值模拟
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 论文主要创新点
• 6.3 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研和发表论文情况