基于燃料设计的含氧燃料柴油机预混合低温燃烧研究

摘要

本文基于燃料设计方法，将生物柴油和乙醇等含氧燃料应用到了预混合低温燃烧模式，深入系统研究了燃料含氧对低温燃烧的燃烧过程和排放物生成的影响规律。全文工作如下:
　　(1)在高压共轨电控喷油系统上开展了燃料喷射和喷雾特性的研究。研究发现，生物柴油与柴油的喷油延迟无明显差别，两者具有相似的喷油速率。生物柴油的喷雾贯穿距离比柴油长，喷雾锥角比柴油窄，索特平均直径比柴油大，雾化比柴油差。生物柴油中掺入乙醇后，喷雾贯穿距离变短，喷雾锥角变大，索特平均直径减小，雾化效果显著改善。
　　(2)通过模拟计算，分析了碳烟颗粒的生成规律，发现生物柴油和乙醇对碳烟颗粒的生成具有明显的抑制作用。在低温燃烧模式下给定富油区内的碳烟颗粒生成量，柴油最多，生物柴油次之，生物柴油-乙醇混合燃料最低。
　　(3)在单缸柴油机上研究了含氧燃料在预混合低温燃烧模式下的燃烧、排放和负荷特性。结果表明，基于雾化的改善，滞燃期的延长和燃料含氧对碳烟颗粒生成的抑制作用，生物柴油-乙醇混合燃料在所有测试工况下都保持了超低的碳烟排放。生物柴油-乙醇混合燃料消除了碳烟排放与NOx排放的此消彼长关系，实现了碳烟排放和NOx排放的同时降低，并保持了高的燃烧效率。通过使用生物柴油-乙醇混合燃料和进气增压将预混合低温燃烧模式的最大负荷拓展到了0.82 MPa IMEP，且保持了碳烟排放低于0.5FSN，NOx低于1 g/kg-fuel，燃烧效率高于96％。
　　(4)对预混合低温燃烧模式下的颗粒物数量排放进行了研究。从颗粒物粒径分布角度分析:生物柴油在约70 nm以上的颗粒物数量浓度低于柴油，约70 nm以下的颗粒物浓度高于柴油;生物柴油-乙醇混合燃料在约20nm以上的颗粒物数量浓度最低，在约20 nm以下的颗粒物数量浓度高于柴油。从颗粒物总数量角度分析，生物柴油的颗粒物总数量比柴油增多约38％，生物柴油-乙醇混合燃料的颗粒物总数量比柴油降低约33～47％。
　　(5)研究了燃料含氧量对预混合低温燃烧排放产物的影响，发现提高燃料含氧量能显著地降低碳烟排放，但对NOx、CO、HC等排放无明显影响。进一步从燃烧参数角度出发，分析了NOx、CO、HC等排放的生成规律与影响因素。研究发现:进气中CO2和H2O浓度是影响NOx排放的主要参数;总体当量比和最高平均燃烧温度是影响CO排放的主要因素;最高平均燃烧温度和滞燃期是影响HC排放的主要参数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 柴油机低温燃烧

1．2．1 传统柴油机燃烧模式

1．2．2 均质充量压缩着火燃烧方式

1．2．3 低温燃烧

1．2．4 低温燃烧目前存在的问题

1．3 本文的研究思路和内容

1．3．1 燃料设计

1．3．2 研究思路

1．3．3 研究内容

第二章 研究系统与方法

2．1 燃料喷射、喷雾测试系统

2．2 发动机试验系统

2．3 数据处理方法

2．3．1 燃料喷射与喷雾数据分析

2．3．2 燃烧放热率的分析

2．3．3 绝热火焰温度的计算

2．3．4 尾气排放物分析

2．3．5 发动机试验数据误差分析

第三章 生物柴油和乙醇燃料喷射、喷雾与碳烟颗粒生成的研究

3．1 前言

3．2 燃料喷射与喷雾

3．2．1 燃料喷射特性分析

3．2．2 燃料的喷雾与雾化

3．3 碳烟颗粒生成过程

3．3．1 模拟方法

3．3．2 φ-T图上碳烟颗粒生成区域的比较

3．3．3 低温燃烧模式的碳烟颗粒生成过程

3．4 小结

第四章 生物柴油和乙醇预混合低温燃烧特性研究

4．1 前言

4．2 生物柴油和乙醇对碳烟与NOx排放此消彼长关系的影响

4．3 生物柴油和乙醇对负荷界限的影响

4．4 进气增压对预混合低温燃烧负荷极限的影响

4．5 生物柴油和乙醇对颗粒物排放特性的影响

4．5．1 传统柴油燃烧模式下的颗粒物排放

4．5．2 预混合低温燃烧模式下的颗粒物排放

4．6 本章小结

第五章 燃料含氧量对预混合低温燃烧的影响

5．1 前言

5．2 燃料的设计

5．3 不同负荷下燃料含氧量对预混合低温燃烧的影响

5．4 不同EGR率下燃料含氧量对预混合低温燃烧的影响

5．5 小结

第六章 含氧燃料预混合低温燃烧排放产物影响因素分析

6．1 前言

6．2 碳烟排放影晌因素分析

6．3 NOx排放影响因素分析

6．4 CO排放影响因素分析

6．5 HC排放影响因素分析

6．6 小结

第七章 全文总结和工作展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

创新点说明

参考文献

符号与缩写

博士学位期间已发表和录用的论文

参加科研项目和获得的奖励

致谢