EGR对燃用不同燃料小型强化SI发动机性能及爆震的影响研究

摘要

为了应对日益严格的排放法规和油耗法规，小型强化（supercharged downsizing）技术是SI发动机发展的主流方向之一。燃用新型生物质代用燃料也被证明能够有效减少SI发动机CO2排放。随着SI发动机小型强化程度的提高，发动机爆震倾向明显增强。同时，代用燃料在发动机中的应用也存在性能优化及爆震抑制等问题。废气再循环技术是抑制发动机爆震及优化燃用代用燃料发动机性能的有效技术手段。为进一步揭示燃用不同燃料对小型强化SI发动机性能和爆震的影响规律，探索爆震抑制方法，本文基于一台单缸SI发动机，开展了不同压缩比、进气压力和进气温度及EGR率对燃用不同燃料（包括汽油、正丁醇和2-甲基呋喃）发动机的性能和爆震的影响研究，并结合AVL-FIRE对上述因素的影响机理开展了数值模拟研究。
　　首先，基于最大扭矩输出点火时刻，开展了不同压缩比、进气压力和进气温度对SI发动机燃用不同燃料的性能影响的试验研究。结果表明：进气压力对提高 BMEP效果最好，压缩比次之，其中对2-甲基呋喃尤其有效；提高进气温度一般会导致BMEP下降，但是适当进气温度能提高燃用正丁醇的发动机性能。
　　其次，开展了不同压缩比、进气压力和进气温对SI小型强化发动机燃用不同燃料的爆震的影响试验研究。研究结果表明：发动机的爆震强度对进气压力较为敏感，其次是压缩比，而爆震强度对进气温度的敏感性较小，不同压缩比下正丁醇爆震强度高于汽油。进气压力提高时，汽油和正丁醇压力振荡峰值增大，汽油对进气压力较为敏感。高压缩比和高进气压力时，2-甲基呋喃较容易发生表面点火现象。三种燃料中，正丁醇和2-甲基呋喃自燃后压力振荡峰值上升较快，然后迅速降低，爆震平均能量比汽油小。
　　为了研究EGR对发动机性能和爆震的影响关系，基于发动机相同爆震强度，开展了不同EGR率对发动机燃用三种燃料在不同压缩比、不同进气压力和进气温度下的性能和爆震影响的试验研究。研究结果表明：基于相同压力振荡峰值，压力振荡平均能量较小时EGR抑制爆震效果较为明显。高压缩比、高进气压力时，EGR抑制爆震的效果最好，但发动机动力性和经济性下降明显。在相同点火时刻，正丁醇和2-甲基呋喃自燃延迟期较汽油短，但2-甲基呋喃爆震强度比汽油小，而正丁醇爆震强度高于汽油，因此，2-甲基呋喃可使用更大点火提前角优化发动机性能。
　　最后，基于Fire开展了燃用汽油和正丁醇的SI发动机爆震燃烧过程模拟研究，定量分析了不同压缩比、进气压力和进气温度等参数对爆震的影响机理。研究结果表明：压缩比、进气压力及进气温度影响到自燃时刻、位置、自燃点的压力及自燃化学反应速率，尤其是进气压力对自燃化学反应速率影响较为显著。对比两种燃料，末端混合气发生自燃时正丁醇未燃混合气质量分数低于汽油，而正丁醇的自燃化学反应速率高于汽油，由于正丁醇自
　　燃释放的总能量较少，导致其压力振荡峰值小于汽油。基于相同点火时刻，使用 EGR后，汽油燃和正丁醇的末端混合气自燃时刻推迟角度、未燃混合气质量分数和自燃化学反应速率均降低均减小，汽油减小的幅值较大。因此，基于相同点火，EGR抑制汽油爆震的效果更为明显。
　　综上所述， SI小型强化发动机提高动力性主要手段为提高进气压力和提高压缩比，而进气压力提高BMEP较为显著。高压缩比和进气压力下，可在较大的爆震强度下工作，从而获得最佳的发动机动力性。由于2-甲基呋喃和正丁醇抗爆性较好，燃用2-甲基呋喃和正丁醇SI发动机可使用较高的进气压力和压缩比来提高动力输出。EGR技术抑制正丁醇的爆震效果较好，燃用正丁醇的SI小型强化发动机可结合EGR使用更高压缩比和进气压力增大。EGR对发动机燃用2-甲基呋喃的性能和爆震影响较小，可使用更高EGR率来抑制燃用2-甲基呋喃的发动机爆震。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1引言

1.2小型强化SI发动机的研究现状

1.3 SI发动机代用燃料

1.4 SI发动机EGR技术

1.5课题的研究目的、意义及主要工作内容

第二章 试验装置和研究方法

2.1 试验装置

2.2 研究方法

2.3 爆震测试和强度评价

2.4 研究工况的选择

2.5试验结果误差分析

2.6 本章小结

第三章 SI发动机燃用不同燃料的性能试验研究

3.1 最佳点火时刻的确定

3.2 压缩比对SI汽油机的性能影响

3.3 进气压力对SI汽油机的性能影响

3.4 进气温度对SI汽油机的性能影响

3.5 本章小结

第四章 SI发动机燃用不同燃料的爆震试验研究

4.1压缩比对爆震的影响分析

4.2 进气压力对爆震的影响分析

4.3 进气温度对爆震的影响分析

4.4 本章小结

第五章 EGR对SI发动机性能和爆震的影响研究

5.1 概述

5.2 爆震强度与发动机性能的关系

5.3 定工况下EGR对汽油爆震燃烧的影响规律

5.4 运行参数结合EGR对汽油燃烧性能和爆震的影响

5.5 EGR对不同燃料燃烧性能和爆震的影响

5.6本章小结

第六章 燃用汽油和正丁醇的小型强化SI发动机爆震模拟

6.1 模型建立

6.2 压缩比对汽油的爆震燃烧的影响分析

6.3 进气压力对汽油的爆震燃烧影响分析

6.4 进气温度对爆震燃烧的影响分析

6.5 EGR对SI发动机爆震燃烧影响分析

6.6 本章小节

第七章 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢