煤直接液化柴油发动机预混合燃烧研究

摘要

将煤直接液化柴油（DDCL)作为石化柴油代用燃料直接应用在电控共轨柴油机上，利用其低十六烷值和高挥发性特点，借助EGR、喷射策略、高扩散度喷油器和掺混含氧燃料等方法实现预混合燃烧，同时降低氮氧化物（NOx)和碳烟排放，并兼顾不完全燃烧产物（CO和HC)和燃料消耗率，最终得到不同负荷预混合燃烧的最佳控制方法。利用遗传算法优化的BP网络预测DDCL预混合燃烧与排放，缩短试验周期，降低试验成本。
　　首先通过调整EGR率，实现DDCL预混合燃烧。分别比较DDCL与石化柴油在传统扩散燃烧与预混合燃烧模式下的燃烧与排放。利用SMPS比较DDCL与石化柴油超细微粒排放的差别。研宄表明：E GR率为零时，DDCL的NOx高于石化柴油，碳烟略低于石化柴油；EGR率增加到40％，DDCL的着火时刻明显晚于石化柴油，小负荷燃烧重心早于石化柴油，中等负荷燃烧重心与石化柴油接近，DDCL的NOx低于石化柴油；碳烟随进气氧浓度降低均递增，但DDCL的碳烟始终低于石化柴油；EGR率为零时与石化柴油相比，DDCL超细微粒核模态数量峰值粒径更小，峰值更高，DDCL超细微粒数量总量更大，质量总量更小；EGR率增加，DDCL超细微粒数量浓度峰值降低，集聚模态数量增多。
　　比较喷射策略对DDCL预混合燃烧的影响。研宄表明：主喷时刻推迟后DDCL滞燃期先缩短后延长，最大压升率降低，NOx显著下降，碳烟和CO先上升后下降；存在特定的预喷时刻（14.5°CABTDC左右），提前或推迟预喷NOx都会下降；预喷增加了碳烟排放；后喷可同时降低DDCL的NOx和碳烟;喷射压力升高，循环变动、最大压升率和NOx上升，碳烟和CO下降；2.5° CABTDC主喷时刻、20%EGR率和恰当的后喷策略（不同负荷，后喷量和后喷时刻不同）可同时降低NOx和碳烟，并控制CO在相对较低水平。
　　设计了三种具有更高喷射速率和更好雾化效果的高扩散度喷油器，在相同控制方法下进一步增加DDCL预混合燃烧比例。研宄表明：采用高扩散度喷油器后，DDCL滞燃期延长，预混合燃烧比例增加，喷油器孔径越小，DDCL的燃烧效率越高；与原机喷油器相比，采用1215高扩散度喷油器实现DDCL预混合燃烧时，碳烟、CO和HC显著降低，燃烧效率提高，Nox不受影响。
　　基于燃料设计思想将生物柴油与DDCL掺混，一方面利用生物柴油较高的黏度改善DDCL较差的润滑性，另一方面利用生物柴油含氧特性改善DDCL预混合燃烧。研宄表明：掺混生物柴油后，最大压升率降低，着火时刻提前；中等EGR率(20%)下，Nox、碳烟、CO和燃料消耗率改善；高EGR率(40%)下，Nox、CO和燃料消耗率降低，但碳烟排放升高；综合比较不同控制方法，小负荷时采用1215高扩散度喷油器，1°CAATDC喷射时刻和30%EGR可实现DDCL预混合燃烧，Nox、碳烟和燃料消耗率都很低，CO排放稍高；中等负荷时采用燃料D80，1°CA ATDC喷射时刻和20%EGR也可实现预混合燃烧，且Nox、碳烟、C O排放和燃料消耗率都低。
　　利用遗传算法优化的BP网络预测了DDCL预混合燃烧。研宄表明：上止点附近的主喷时刻下，预喷可降低DDCL的Nox排放，但增加碳烟和CO排放；不论主喷时刻如何变化，后喷可降低DDCL的Nox、碳烟和CO排放，推迟燃烧重心；更高的喷射压力可使1215喷油器对碳烟、CO排放和燃料消耗率的改善程度增加；不论负荷大小，DDCL-生物柴油混合燃料在高EGR率(40%)的预混合燃烧模式下碳烟排放升高。

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第一章绪论

1 .1车用能源需求与环境问题

1 .2排放法规与技术措施

1 .3柴油机代用燃料研宄现状

1 .4柴油机预混合燃烧模式与扩散燃烧模式对比

1 .5煤直接液化柴油在柴油机上燃烧的研宄现状

1 .6本文主要研宄内容

第二章煤直接液化柴油发动机预混合燃烧试验系统与方法

2 .1概述

2 .2煤直接液化柴油发动机试验系统

2 .3试验燃料

2 .4试验方法

2.5主要喷射和燃烧参数定义

第三章煤直接液化柴油和石化柴油预混合燃烧与超细微粒排放

3 .1概述

3.2 EGR率对煤直接液化与石化柴油燃烧与性能的影响

3 .3煤直接液化柴油和石化柴油的超细微粒排放分析

3 .4本章小结

第四章喷射策略对煤直接液化柴油发动机预混合燃烧的影响

4 .1概述

4 .2主喷时刻对燃烧与性能的影响

4 .3预喷对燃烧与性能的影响

4 .4后喷对燃烧与性能的影响

4 .5喷射压力对燃烧与性能的影响

4 .6不同控制方法下排放与燃料消耗率的综合分析

4 .7本章小结

第五章喷油器参数对煤直接液化柴油发动机预混合燃烧的影响

5 .1概述

5 .2喷油器参数对燃烧的影响

5 .3喷油器参数对排放的影响

5 .4高扩散度喷油器预喷对燃烧与排放的影响

5.5采用EGR时喷油器参数对煤直接液化柴油燃烧的影响

5 .6本章小结

第六章煤直接液化柴油-生物柴油混合燃料发动机预混合燃烧的研究

6 .1概述

6 .2燃料混合比对燃烧与排放的影响

6 .3喷射策略对燃烧和排放的影响

6.4 DDCL-生物柴油预混合燃烧

6 .5不同控制方法下预混合燃烧和性能比较

6 .6本章小结

第七章基于神经网络的煤直接液化柴油发动机预混合燃烧预测

7 .1概述

7 .2基于遗传算法优化的B P网络的构建

7 .3预喷对煤直接液化柴油燃烧影响的预测

7 .4后喷对煤直接液化柴油燃烧影响的预测

7 .5高扩散度喷油器参数对煤直接液化柴油燃烧影响的预测

7 .6喷射时刻对煤直接液化柴油-生物柴油混合燃料燃烧的预测

7 .7本章小结

第八章全文总结和工作展望

8 .1全文总结

8 .2工作展望

创新点说明

参考文献

符号与缩写

攻读博士学位期间已发表或录用的论文和申请的专利

参加的科研项目与获得的奖励

致谢

答辩决议书