氧化劑設(shè)計改善內(nèi)燃機(jī)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(yán)格，進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)排放是當(dāng)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(biāo)出發(fā)，開展了內(nèi)燃機(jī)氧化劑設(shè)計的研究。在對不同氧化劑環(huán)境中內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)研究了LPG發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)冷起動以及柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時使用組合進(jìn)氣的燃燒和性能。 ⑴構(gòu)建了杯式燃燒裝置。基于該燃燒裝置，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(yù)混合火焰和擴(kuò)散火焰的影響，并對LPG擴(kuò)散火焰進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。對LPG部分預(yù)混合火焰，當(dāng)O2/N2氧化劑總流量不變時，擴(kuò)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(kuò)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(dāng)N2流量過大時，火焰熄滅。L

3、PG擴(kuò)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(kuò)散火焰和黑煙隨氧化劑氧濃度增加的變化，然后重點(diǎn)研究了氧化劑組分和流量對以燈芯方式燃燒時的擴(kuò)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(kuò)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(jìn)氣LPG發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)冷起動研究系統(tǒng)。對LPG發(fā)動機(jī)，基于循環(huán)控制方法研究了富氧進(jìn)氣冷起動首循環(huán)的燃燒排放，并比較了不同氧濃度進(jìn)氣時冷起動/暖機(jī)和熱怠速階段的運(yùn)行行為。對柴油機(jī)，重點(diǎn)研究了最低自行起動溫度時進(jìn)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(jī)還是柴油機(jī)，富氧進(jìn)氣的使用均能夠提高發(fā)動機(jī)的起動速度。同時，隨著進(jìn)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(jī)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(jìn)氣均使缸內(nèi)峰值壓力增加，對應(yīng)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(jī)冷起動缸內(nèi)燃燒分析表明，與常規(guī)進(jìn)氣相比，富氧進(jìn)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(jī)組合進(jìn)氣供給系統(tǒng)。在供油時刻不變的條件下，研究了柴油機(jī)富氧進(jìn)氣和常規(guī)進(jìn)氣添加惰性氣體時的燃燒排放特性。結(jié)果表明，富氧進(jìn)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(jìn)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(jìn)氣和常規(guī)進(jìn)氣添加惰性氣體后的燃燒排放特點(diǎn)，研究了O2/CO2/N2組合進(jìn)氣時柴油

7、機(jī)燃燒排放特性，得到了實現(xiàn)柴油機(jī)排氣煙度和NOx排放同時降低的優(yōu)化組分進(jìn)氣，并對柴油機(jī)使用優(yōu)化組分進(jìn)氣進(jìn)行了研究。研究表明，柴油機(jī)使用O2/CO2/N2優(yōu)化組分進(jìn)氣，NOx排放可降至原機(jī)排放的40％，而排氣煙度的下降可達(dá)50％以上，而保持指示熱效率下降很小。柴油機(jī)使用優(yōu)化組分進(jìn)氣時，隨進(jìn)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(jìn)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(jī)在兩種富氧燃燒方式-進(jìn)氣富氧和燃料含氧時的燃燒排放特性進(jìn)行了比較。進(jìn)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(jìn)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(jī)采用富氧進(jìn)氣方式時，排氣再循環(huán)具有更高的容忍度。 ⑷利用化學(xué)

9、反應(yīng)動力學(xué)與KIVA3V耦合對柴油機(jī)采用優(yōu)化組分進(jìn)氣時的燃燒和排放進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對進(jìn)氣中CO2與O2影響柴油機(jī)燃燒和排放的作用機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨優(yōu)化組分進(jìn)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(jìn)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(xiàn)起主導(dǎo)作用。與使用CO2置換N2比較，CO2直接稀釋常規(guī)進(jìn)氣時缸內(nèi)溫度、NO、O