基于排放特性的小型风冷柴油机燃烧过程研究

摘要

我国小功率非道路柴油机产量和使用量大，现行排放标准对小功率段的排放要求十分严苛。由于受单缸风冷柴油机结构限制，低排放的可用技术受限，特别是HC、CO比排放偏高，因此对其开展燃烧过程和降低排放研究具有重要的学术意义和工程价值。 本文以 186F 风冷柴油机为研究对象，采用台架试验与模拟仿真相结合的方法，研究排放物生成和燃烧过程的关系、探索低排放燃烧条件和HC、CO的生成机理。原机试验表明，控制整机NOX在合适的范围，HC和CO排放偏高，特别是在小负荷工况下的HC、CO 分担率偏大。使用模拟分析对比了不同燃烧室结构和压缩比方案下的缸内速度场、混合气浓度场、温度场的分布情况，结合排放物生成特性，得出小负荷工况下，HC、CO排放量大小与缸内压缩终了和预混燃烧前期温度有关，当压缩终了温度达到850 K以上时能够有效减少HC、CO 排放生成量；燃烧后期缸内温度升高，CO的氧化能力增加，CO排放量可减少。用增大压缩比的燃烧室结构和外部排气再循环（Exhaust Gas Recirculation， EGR）试验方案进行整机匹配，结果表明：在控制 NOX排放一定范围的同时能有效降低HC、CO和烟度排放。通过实测气缸压力和放热规律计算分析，得出研究方案能提高压缩温度和燃烧温度，缩短滞燃期，改善油气混合，有效组织燃烧，提高燃烧效率。引入EGR能进一步提高压缩温度，且抑制最高燃烧温度的发展，加速燃烧前期燃油液滴的汽化，燃烧始点提前，有效减少了后燃，最终使 CO、HC 和 HC+NOX的整机比排放较原机方案降低了47.7%、56.8%和20.6%；为了进一步降低风冷柴油机中小负荷下的排放，应用热管理理论，改进导风罩壳的结构，设置旁通风口，并通过设计与油门联动的机构可变旁通风口的面积，减少中小负荷工况对气缸盖的冷却来提高缸内燃烧温度，试验结果是 HC 和 CO的初次排放分别下降了7.1%和10.0%，而NOX小幅度增加了2.5%。 研究工作通过改进设计燃烧室结构、提高压缩比、运用外部EGR、改进导风罩壳结构，结合喷油系统的匹配，改善了单缸风冷柴油机缸内燃烧过程，降低了整机排放。最终柴油机CO、HC+NOX、PM整机比排放分别达到了4.22、6.36和0.52 g/(kW·h)，相比于原机分别降低了50.6%、23.3%和16.1%，满足我国非道路柴油机排放标准（中国第三、第四阶段）的要求。研究工作对同类型的小型风冷柴油机的发展提供了理论指导和技术参考。

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第一章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 小功率非道路柴油机的排放法规

1.3 小功率非道路柴油机排放控制的技术方案研究

1.3.1 国内研究现状

1.3.2 国外研究现状

1.4 小功率柴油机燃烧过程和HC、CO排放控制研究

1.4.1 燃烧过程研究

1.4.2 HC、CO排放控制研究

1.5 本文主要研究内容

第二章 186F柴油机台架试验及排放特性分析

2.1 试验台架的搭建

2.1.1 样机基本参数

2.1.2 试验设备

2.1.3 试验台架布置和排放试验循环介绍

2.2 试验结果和排放特性分析

2.2.1 柴油机整机比排放

2.2.2 排放物浓度分析

2.2.3 工况分担率分析

2.3 负荷特性分析

2.4 示功图分析

2.5 本章小结

第三章 186F柴油机缸内燃烧过程数值模拟研究

3.1 网格模型的建立和初始条件的设定

3.1.1 几何模型的建立

3.1.2 初始参数及边界条件的设定

3.2 计算模型的选取

3.2.1 气相湍流流动模型

3.2.2 喷雾模型

3.2.3 着火及燃烧模型

3.2.4 排放模型

3.3 仿真模型的验证

3.4 燃烧室结构设计

3.5 缸内燃烧过程模拟结果及分析

3.5.1 缸内速度场分布

3.5.2 油束贯穿距分析

3.5.3 当量燃空比分布

3.5.4 油滴汽化速率分析

3.5.5 缸内温度场分布

3.5.6 气体污染物生成特性

3.5.7 排放物生成量与缸内温度关系

3.6 本章小结

第四章 186F柴油机试验研究及缸内燃烧分析

4.1 供油提前角的影响

4.2 试验方案

4.3 缸内燃烧过程分析

4.3.1 示功图分析

4.3.2 缸内工质平均温度变化分析

4.3.3 放热规律分析

4.3.4 滞燃期分析

4.3.5 累积放热量分析

4.4 燃油经济性分析

4.5 排放特性分析

4.5.1 NOX排放浓度分析

4.5.2 CO排放浓度分析

4.5.3 HC排放浓度分析

4.5.4 烟度测量结果及分析

4.5.5 整机比排放结果及分析

4.6 本章小结

第五章 优化冷却系统进一步降低整机排放的研究

5.1 单缸风冷柴油机与水冷机型对比分析

5.2 不同工况改变冷却条件的方法

5.3 冷却系统优化后的柴油机性能和排放试验结果

5.3.1 供油提前角的调整

5.3.2 不同旁通风口开度下的缸盖表面温度变化

5.3.3 不同旁通风口开度下的燃油经济性

5.3.4 冷却系统的优化对排放特性的影响

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间科研及发表论文情况