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《华中科技大学》 2018年
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乙醇/柴油双燃料预混低温燃烧模式试验和数值模拟研究

董世军  
【摘要】:双燃料预混低温燃烧模式可以同时降低发动机尾气中的碳烟和NOx排放,并且可以保证较高的热效率。此外,双燃料燃烧模式可以实现良好的燃烧相位和放热速率控制,有利于发动机向高负荷工况拓展。因此,双燃料预混低温燃烧模式具有满足未来更加严格排放法规的潜力。然而乙醇/柴油双燃料燃烧模式存在UHC(unburned hydrocarbon)和CO排放过高,以及发动机循环波动较大的问题,并且目前对其混合气着火以及燃烧过程机理的认识仍不清晰。本文采用试验和数值模拟相结合的方法研究了乙醇/柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性,并且分析了双燃料燃烧模式下混合气的燃烧机制。本文首先采用激波管试验装置研究了乙醇-正庚烷二元掺混燃料的化学反应机理以及滞燃期,并在此基础上分析了双燃料发动机中燃料分层特性对混合气滞燃期梯度的影响。结果表明,双燃料发动机中混合气燃料分层特性可以形成较大的滞燃期梯度。对于乙醇-正庚烷掺混燃料,固定乙醇当量比(0.3),增大正庚烷含量,混合气当量比小于1.0时,正庚烷含量增大可以有效减小掺混燃料滞燃期;而当混合气当量比高于1.0时,正庚烷含量进一步增大对滞燃期影响不明显。其次,在双燃料发动机中,预混乙醇可以抑制柴油的低温反应,但预混乙醇同时提高了直喷燃油区域的混合气当量比,因此乙醇预混合气直接影响直喷燃油的着火以及碳烟排放。本文基于数值模拟研究了定容燃烧弹中预混乙醇/空气和异辛烷/空气氛围下正庚烷喷雾的燃烧和排放特性,并分析了预混燃料性质,预混燃料当量比以及环境温度等因素的影响。结果表明,在预混乙醇/空气氛围下,接近化学当量比的区域混合气最先着火,而混合气当量比进一步增大(燃料活性进一步提高)的区域滞燃期反而较长。这主要是由于直喷正庚烷蒸发降低了混合气局部温度,从而抑制了高当量比区域混合气低温放热。同时初始着火区域混合气当量比主要由环境温度和压力决定,而随着乙醇预混当量比增大,接近化学当量比的区域混合气活性降低,从而导致滞燃期增大。此外,预混乙醇抑制正庚烷喷雾碳烟生成的效果对环境温度较为敏感。而对比高温环境下预混乙醇/空气和异辛烷/空气氛围中的正庚烷喷雾碳烟排放结果,表明乙醇分子中含氧的特性对碳烟排放影响较小。在上述研究基础上,本文研究了预混燃料性质以及预混燃料比例对双燃料发动机燃烧和排放特性影响。结果表明,预混乙醇对双燃料发动机燃烧相位的影响更加明显,并且乙醇/柴油双燃料发动机在较高的负荷下仍可以实现较为缓和的燃烧放热,因此乙醇预混方式更有利于双燃料发动机向高负荷工况拓展。但乙醇预混方式下UHC和CO排放更高,并且相同负荷下发动机循环波动率高于汽油预混方式,主要是由于乙醇预混合气的燃烧过程对混合气初始温度波动较为敏感。最后,本文基于发动机试验研究了直喷喷孔数对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响,并结合发动机试验和数值模拟研究了乙醇/柴油双燃料燃烧模式混合气的燃料分层特性,包括预混乙醇比例、直喷正时以及直喷喷孔数目对燃料分层的影响,进而分析了相应的燃料分层影响着火和燃烧过程的机制。结果表明减小喷孔数有助于降低乙醇/柴油双燃料发动机缸内爆压以及最大压力升高率。主要是由于喷孔数较小时直喷燃油沿气缸周向和径向的分布均存在明显的梯度,从而降低了乙醇预混合气的燃烧速率。此外,试验结果表明混合气燃料分层在很大程度上影响发动机循环波动,而保证混合气的着火正时稳定性对于保证发动机的燃烧稳定性较为关键。此外,研究结果表明当保证相同的燃烧相位以及缸内爆压时,采用较高的乙醇预混比例结合推迟的主喷正时,可以实现更加稳定的着火,进而可以降低双燃料发动机循环波动率。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U473

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