氧化劑設(shè)計改善內(nèi)燃機燃燒的研究.pdf

1、隨著汽車保有量的不斷增加和排放法規(guī)的日益嚴格，進一步降低內(nèi)燃機排放是當前能源與環(huán)境領(lǐng)域的一個重要課題。本文從改善燃燒降低排放的目標出發(fā)，開展了內(nèi)燃機氧化劑設(shè)計的研究。在對不同氧化劑環(huán)境中內(nèi)燃機氣體燃料LPG和液體燃料輕柴油穩(wěn)態(tài)燃燒火焰特性研究基礎(chǔ)上，本文重點研究了LPG發(fā)動機和柴油機冷起動以及柴油機穩(wěn)態(tài)運行時使用組合進氣的燃燒和性能。 ⑴構(gòu)建了杯式燃燒裝置?；谠撊紵b置，研究了氣體燃料LPG和液體燃料輕柴油在不同氧化劑環(huán)境下的

2、穩(wěn)態(tài)燃燒火焰特性。對LPG，研究了氧化劑組分對其部分預混合火焰和擴散火焰的影響，并對LPG擴散火焰進行了數(shù)值模擬研究。對LPG部分預混合火焰，當O2/N2氧化劑總流量不變時，擴散火焰長度和亮度隨O2濃度下降先增加后減少，火焰根部與燃燒杯口的距離增大，直至火焰熄滅。對LPG擴散火焰，O2流量保持不變時，隨N2流量的增加，火焰高度增加，而火焰可見長度先增加后降低，亮度減弱：火焰最高溫度下降，而且火焰高溫區(qū)減小。當N2流量過大時，火焰熄滅。L

3、PG擴散火焰的數(shù)值模擬表明，隨O2/N2氧化劑氧濃度提高，燃燒區(qū)域縮小并向燃燒杯杯口集中，同時火焰高溫層變厚且高溫區(qū)域集中。對輕柴油，首先考察了液面燃燒時擴散火焰和黑煙隨氧化劑氧濃度增加的變化，然后重點研究了氧化劑組分和流量對以燈芯方式燃燒時的擴散火焰的影響。研究表明，柴油的液面燃燒火焰和燈芯火焰都包括兩部分：刷子形的上部火焰和圓錐形的下部火焰。對柴油液面燃燒，O2/N2氧化劑總流量不變時，增加氧濃度后擴散火焰高度增加。氧濃度較低時，黑

4、煙較多；氧濃度增大到某范圍內(nèi)，黑煙消失；氧濃度繼續(xù)增加，則又產(chǎn)生黑煙。而對柴油燈芯火焰，高度的變化趨勢是先增加后降低。無論是LPG燃燒還是柴油燃燒，比較N2，CO2對火焰的影響更顯著。 ⑵分別構(gòu)建了基于膜法富氧技術(shù)的富氧進氣LPG發(fā)動機和柴油機冷起動研究系統(tǒng)。對LPG發(fā)動機，基于循環(huán)控制方法研究了富氧進氣冷起動首循環(huán)的燃燒排放，并比較了不同氧濃度進氣時冷起動/暖機和熱怠速階段的運行行為。對柴油機，重點研究了最低自行起動溫度時進氣

5、氧濃度對燃燒和性能的影響。研究表明，無論是LPG發(fā)動機還是柴油機，富氧進氣的使用均能夠提高發(fā)動機的起動速度。同時，隨著進氣氧濃度的增加，排氣煙度、HC和CO排放顯著降低，但NOx排放增加。LPG發(fā)動機冷起動首循環(huán)缸內(nèi)燃燒分析表明，各種循環(huán)燃料量下，使用富氧進氣均使缸內(nèi)峰值壓力增加，對應出現(xiàn)時刻提前，同時使缸內(nèi)燃燒放熱更為集中，最大放熱率出現(xiàn)時刻提前。柴油機冷起動缸內(nèi)燃燒分析表明，與常規(guī)進氣相比，富氧進氣后著火時刻明顯提前，缸內(nèi)壓力升高。

6、 ⑶構(gòu)建了柴油機組合進氣供給系統(tǒng)。在供油時刻不變的條件下，研究了柴油機富氧進氣和常規(guī)進氣添加惰性氣體時的燃燒排放特性。結(jié)果表明，富氧進氣后排氣煙度、HC和CO排放顯著降低而NOx排放增加明顯。常規(guī)進氣添加Ar、N2和CO2時排氣煙度均上升而NOx排放均下降。相同Ar、N2和CO2添加量，使用CO2后煙度增加幅度最小而NOx排放下降幅度最大。針對富氧進氣和常規(guī)進氣添加惰性氣體后的燃燒排放特點，研究了O2/CO2/N2組合進氣時柴油

7、機燃燒排放特性，得到了實現(xiàn)柴油機排氣煙度和NOx排放同時降低的優(yōu)化組分進氣，并對柴油機使用優(yōu)化組分進氣進行了研究。研究表明，柴油機使用O2/CO2/N2優(yōu)化組分進氣，NOx排放可降至原機排放的40％，而排氣煙度的下降可達50％以上，而保持指示熱效率下降很小。柴油機使用優(yōu)化組分進氣時，隨進氣中O2濃度和CO2濃度同時增加，絕熱指數(shù)和多變指數(shù)逐漸變小，滯燃期延長，平均指示壓力降低。排氣煙度和NOx排放隨優(yōu)化組分進氣中O2濃度和CO2濃度同時

8、增加均降低，但HC和CO排放變化不大。對柴油機在兩種富氧燃燒方式-進氣富氧和燃料含氧時的燃燒排放特性進行了比較。進氣氧濃度選擇22.1％；使用DMC添加比例10％的DMC/柴油混合燃料作為含氧混合燃料。結(jié)果表明，與使用含氧混合燃料時相比，在供油時刻不變情況下，富氧進氣時燃燒持續(xù)期長，指示熱效率低，排氣煙度低而NOx排放高。HC和CO排放均較使用含氧混合燃料時的低。柴油機采用富氧進氣方式時，排氣再循環(huán)具有更高的容忍度。 ⑷利用化學

9、反應動力學與KIVA3V耦合對柴油機采用優(yōu)化組分進氣時的燃燒和排放進行了數(shù)值模擬，并對進氣中CO2與O2影響柴油機燃燒和排放的作用機理進行分析。結(jié)果表明，隨優(yōu)化組分進氣中O2濃度和CO2濃度的同時增加，缸內(nèi)溫度、NO和O原子濃度逐漸降低，且高溫、高濃度區(qū)域縮小。就降低NO效果而言，進氣CO2濃度較低時，熱作用效果較小，而CO2濃度增大到15％后，熱作用的貢獻起主導作用。與使用CO2置換N2比較，CO2直接稀釋常規(guī)進氣時缸內(nèi)溫度、NO、O