EGR对柴油机起动过程燃烧排放性能影响的研究

摘要

随着排放法规的日趋严格,除了排放限值不断降低以外,测试循环的改进对起动工况的排放也提出了严格的要求。而柴油机在起动过程,尤其是在冷机条件下的起动过程,由于压缩压力和压缩温度相对较低,存在倒拖时间较长、着火燃烧过程不稳定、排放恶化等问题。此外,起动问题也是高增压大功率柴油机进一步强化所面临的一个关键问题。因此,对柴油机起动过程进行研究具有非常重要的现实意义。
　　 EGR技术是目前柴油机降低NOx排放普遍采用的一种有效有段。在正常工况下,EGR中引入CO2等惰性气体组分有效抑制NOx的生成。但在起动工况,由于发动机转速较低,缸内混合气形成和着火条件较差,排气中含有大量的未燃HC、部分氧化产物等组分。若能在起动过程中将这些活性组分以EGR的方式重新引入气缸内,对缸内燃烧过程将有显著的促进作用。且EGR的热效应也能有效改善混合气的滞燃期。但关于这方面的研究,目前尚鲜有报道。为此,本文采用试验与仿真相结合的方法,研究分析了内、外部EGR对柴油机起动过程燃烧排放性能的影响,掌握起动过程EGR的控制规律,并以试验论证了控制EGR改善柴油机起动性能的可行性。
　　 本文首先根据试验研究方案要求,在原有的单缸直喷柴油机台架基础上,基于工控PC和多线程编程技术,设计开发了柴油机起动工况测控系统,实现了在起动工况试验过程中,对喷油参数、EGR系统等进行实时地控制,并实现了对起动工况试验过程发动机各状态参数、NOx排放和消光烟度的连续采集记录,从而为试验提供了可靠的硬件保障。
　　 然后通过台架试验,分别研究了内、外部EGR对柴油机起动过程燃烧排放性能的影响。结果表明,在发动机起动过程的初始着火循环、首次着火后的初始阶段及循环喷油量减小时出现的着火不稳阶段中,通过引入EGR,均能有效改善缸内混合气的着火燃烧性能。在试验中,利用EGR,首着火循环的IMEP与无EGR时相比最大提高了32％左右；而在初始着火循环的后续循环中,由于EGR的组分和热效应,发动机的IMEP和着火时刻也得到了有效改善；在油量减小的着火不稳阶段,与正常起动工况相比,内、外部EGR试验工况的平均IMEP分别提高了29％和22％左右。
　　 内、外部EGR工况的试验结果还表明,内、外部EGR均能在一定程度上有效降低柴油机起动过程的平均烟度排放。对于起动过程的NOx排放,在外部EGR条件下,随着EGR率的增大NOx排放显著降低；而在内部EGR工况中,由于内部EGR的热效应相对显著,NOx排放将随内部EGR量的增大而出现较大幅度的增长。
　　 根据外部EGR工况的试验结果,提出了起动过程发动机EGR率分阶段的控制规律。在首次着火前及着火后的EGR响应延迟阶段应采用尽可能大的EGR率(本文的试验中达到了70％左右),过渡阶段减小至58％左右,最后稳定阶段EGR率则应维持在37％左右。
　　 在试验的基础上,采用CFD和单区详细化学动力学分析相结合的方法,进一步研究分析了EGR中燃油蒸汽和低温反应产物二者对缸内燃烧的影响作用。计算结果表明,由于低温反应产物中的活性分子对缸内混合气链反应开始阶段的反应速率有显著的促进作用,在柴油机冷机起动过程中,EGR中的低温反应产物与燃油蒸汽相比,更能有效地改善缸内混合气的着火燃烧性能,缩短混合气的滞燃期。
　　 最后,进行了发动机冷机起动过程EGR分阶段控制的验证性试验。结果表明,通过控制EGR系统,对发动机起动过程不同阶段的EGR量进行调节,是改善发动机起动性能的一个有效措施。

目录

文摘

英文文摘

缩写与符号表

第一章 绪论

1.1 柴油机起动工况研究的意义

1.1.1 满足排放法规发展的要求

1.1.2 柴油机起动工况存在亟需解决的问题

1.2 柴油机起动过程的研究进展

1.2.1 柴油机冷机起动性能影响因素的研究

1.2.2 柴油机冷机起动性能改善措施的研究

1.2.3 数值模拟在柴油机冷机起动研究中的应用

1.3 EGR在冷机起动过程中的应用

1.4 课题的研究内容

第二章 柴油机起动工况试验系统设计

2.1 试验台架要求

2.2 试验系统硬件的构成

2.3 试验系统的软件构成

2.4 本章小结

第三章 外部EGR条件下柴油机起动过程试验分析

3.1 试验安排与试验条件

3.2 外部EGR的响应特性分析

3.3 外部EGR条件下的试验结果与分析

3.3.1 EGR对起动过程首着火循环着火燃烧的影响

3.3.2 EGR对起动初始阶段着火燃烧的影响

3.3.3 EGR对起动过程着火稳定性的影响

3.3.4 EGR对起动过程排放性能的影响

3.3.5 起动过程EGR率控制规律分析

3.4 本章小结

第四章 内部EGR条件下柴油机起动过程试验分析

4.1 试验安排与试验条件

4.2 内部EGR的响应特性分析

4 ,3不同排气门正时条件下的试验结果与分析

4.3.1 排气门关闭正时对起动初始着火循环的影响

4.3.2 排气门正时对起动初始阶段燃烧性能的影响

4.3.3 排气门正时对起动过程稳定性的影响

4.3.4 排气门关闭正时对发动机起动过程排放的影响

4.4 内外部EGR对起动过程影响作用的对比分析

4.5 本章小结

第五章 柴油机冷机起动过程喷雾和EGR组分对着火性能影响的仿真分析

5.1 仿真计算方案的确定

5.2 冷机起动条件下缸内喷雾过程仿真分析

5.2.1 喷雾过程仿真计算基本原理

5.2.2 几何模型及计算方法

5.2.3 喷雾模拟计算结果及分析

5.3 EGR组分对冷机起动着火性能的影响

5.3.1 计算模型简单介绍

5.3.2 计算方案

5.3.3 无EGR条件下的计算结果分析

5.3.4 带EGR条件下的计算结果分析

5.4 本章小结

第六章 控制EGR改善柴油机起动性能的试验验证

6.1 EGR系统控制方案及试验系统改进

6.2 试验安排与试验条件

6.3 试验结果与分析

6.3.1 初始着火循环着火燃烧性能分析

6.3.2 起动过程燃烧着火时刻变化分析

6.3.3 起动过程最大爆压变化分析

6.3.4 起动过程IMEP变化分析

6.3.5 起动过程燃烧稳定性对比分析

6.3.6 烟度排放分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

6.3 创新点说明

参考文献

附录 A 喷雾过程CFD模拟相关模型

致谢

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