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《吉林大学》 2017年
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氢气/汽油复合喷射发动机混合气形成及燃烧过程研究

杜耀东  
【摘要】:氢气是一种清洁替代能源,可以作为掺混燃料加入传统点燃式发动机中,它的优良理化特性可以提高汽油机性能。该种汽油机掺氢方式对氢气需求量较小,而且不需要对发动机进行更多改造,也不必大规模提供和氢气相关的基础设施,因而具有很好的发展前景。作为一种氢气掺混的方式,氢气缸内直喷,使氢气喷射参数控制更为精准和灵活,可以避免因为降低充量系数而使功率下降,同时又有效避免了进气道喷射可能导致的回火和早燃等问题,是氢气的一种在内燃机上合理且高效的应用手段。本文针对传统汽油机对燃烧及排放指标优化的需求,结合国家自然科学基金项目,期望通过氢气缸内直喷的手段在点燃式发动机中掺氢,构建氢气/汽油复合喷射模式,利用氢气的理化特性构建氢气缸内直喷,局部富氢稀燃的点燃式发动机燃烧模式,进而挖掘掺混氢气提高传统点燃式发动机燃烧排放性能的优化潜力。为此,本文设计并搭建了缸内直喷氢气,进气道喷射汽油的复合喷射发动机实验平台,改装了外部EGR系统,并基于dSPACE快速原型系统开发了发动机测控系统,实现发动机包括缸内喷氢策略、燃料比例、点火时刻和EGR率等参数在线调节。利用氢气喷射策略和燃烧室流场形成火花塞附近局部富氢的混合气分布模式,探索了缸内不同的混合气分布对复合喷射发动机燃烧的影响效果,并耦合EGR进一步探究对发动机燃烧排放性能的影响。主要研究工作及结论如下:1.构建了燃烧室物理模型,利用CFD手段探究了缸内直喷氢气对缸内混合气分布的影响。氢气点火能量低和火焰传播速度快的特性可促进传统汽油机稳定点火和集中燃烧。转速和喷氢策略对混合气分布影响较大,合理利用燃烧室内流场和喷氢的配合,可以得到火花塞附近局部富氢,混合气浓度在燃烧室内分层分布的理想状态。其中,在1200r/min转速下利用氢气的喷射策略来形成有利于燃烧的分层混合气最容易,而转速提高对喷氢压力的需求也更高。2.研究了喷氢压力、喷氢时刻和点火时刻等因素对复合喷射燃烧状况的影响。在1200r/min的转速条件下,喷氢时刻对燃烧状况的影响高过喷氢压力,但随着转速提高,合适的喷氢压力更有利于缸内理想混合气分布的形成,进而明显提高发动机的动力输出。高转速需求更高的氢气喷射压力。理想的混合气分布可以有效改善氢气/汽油复合喷射发动机的燃烧,在不改变燃料配比和每循环缸内输入热量的前提下,依靠合理的喷氢策略即可明显提升发动机动力输出并改善排放。3.研究了复合喷射发动机的燃烧和排放特性。结果表明,少量掺混氢气能够显著改善发动机的燃烧状况,缩短火焰发展期和快速燃烧期,有利于发动机放热集中,降低循环变动,加速未燃HC和CO的氧化。但随着掺氢比例的提高,发动机的动力性仍有提升但幅度较小。氮氧化物排放始终随着掺氢比例的提高而提高。4.研究了发动机的稀薄燃烧特性。利用缸内掺氢,局部富氢稀燃的模式所导致的混合气分层,使缸内稳定形成火焰核心,进而引燃缸内的稀薄混合气,提高稀燃稳定性并大幅度拓展稀燃极限。氢气/汽油复合喷射可以利用氢气的燃烧特点加大节气门开度来实现稀燃,减小节流损失,并提高燃烧等容度,进而提高热效率。少量掺氢即可越过纯汽油的稀燃极限并实现稳定燃烧,而随着掺氢比例提高,稀燃极限下的过量空气系数可达2.65。此外,稀燃一定程度上会降低燃烧温度,减少氮氧化物生成。5.探索了掺氢比例,EGR率等参数对燃烧和排放的影响程度,利用缸内喷氢与稀燃和EGR协同作用降低NO_x排放,达到使点燃式发动机在动力输出水平提升且排放水平大幅下降的目的。EGR条件下,氢气的掺混比例影响大过氢气的喷射策略。缸内喷氢有利于动力性和热效率的提升,但也同时导致NO_x排放急剧升高;EGR有利于减小发动机的节流损失,降低NO_x排放,但EGR的加入会影响原机的燃烧稳定性。因此,二者在稀燃条件下的协同作用有利于在兼顾动力性指标的同时,实现大幅度的降低NO_x排放。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK401

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