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天然气掺混CO_2对发动机燃烧及排放性能的影响

刘清强  
【摘要】:随着能源紧缺和环境污染日益严重,发展代用燃料汽车成为发展趋势。天然气因较低的成本,丰富的储量和良好的排放性等受到广泛的关注,但同时天然气作为代用燃料也存在着一些问题,如火焰传播速度低和循环变动大等,如何使发动机在实现较低排放的同时保证较高的热效率和经济性成为研究热点。 EGR是降低NO_x排放的有效手段,已成为满足未来排放法规的关键技术之一。但传统EGR的最大EGR率受到燃烧循环变动的限制,即EGR率超过一定界限,HC排放将会急剧增加,热效率明显下降。为了进一步探索降低天然发动机NO_x排放并兼顾综合性能的途径,本研究从EGR缸内分区的角度出发,将EGR与天然气耦合,同步喷入发动机进气道内,旨在实现EGR与天然气在缸内浓度分区一致,以达到在保证热效率的前提下进一步降低NOx排放的目的。分析天然气缸内混合气浓度分布特征可知,天然气浓度较小的区域内,由于过量空气的稀释作用使得燃烧温度本来就低,产生的NOx相对较少,而反之天然气浓度较大的区域更容易产生NOx。因此,如果EGR浓度分布与天然气浓度分布一致,则可以减小EGR对天然气浓度较小区域的稀释作用,并有效抑制天然气浓度较大区域的NO_x生成。由于传统的废气再循环引入方式与天然气气轨之间压差较大,直接耦合很困难,因此本文采用了CO_2代替EGR与天然气进行耦合,进行相关研究。 试验中选取ESC测试循环13工况作为试验工况,来研究天然气掺混CO_2时,辅以喷气时刻的调节,对发动机燃烧及排放的影响规律。具体研究结果如下: 1.采用天然气掺混CO_2时,随着掺混率的增加,有效热效率和比气耗在初期基本保持不变,当掺混率超过一定值时,有效热效率下降,比气耗升高。 2.小负荷工况下,随着掺混率的增加,缸内最大压力、最大放热率下降;中大负荷工况下,随着掺混率的增加,缸内最大压力、最大放热率初期呈上升的趋势,当掺混率超过一定值后,缸内最大压力、压力最大升高率、最大放热率随掺混率进一步增加开始降低,且负荷越大降低的速率越快。 3.随着掺混率的增加,燃烧始点、滞燃期和CA50在初期基本保持不变,当掺混率超过一定值后,燃烧始点推迟,滞燃期延长,CA50略有增大;小负荷工况下主燃期随掺混率增加而增加,中大负荷工况下,主燃期在初始阶段基本保持不变,仅当掺混率达到一定值后,主燃期才略有增加。 4.随着掺混率的增加,缸内平均燃烧温度峰值下降,其对应的曲轴转角后移。 5.各个负荷工况下,随着掺混率的增加,循环变动略有增加,但均小于5%,说明天然气掺混CO_2时,辅以喷射策略的调整,可以将循环变动控制在较理想的范围内。 6.天然气掺混CO_2和空气掺混CO_2均可大幅降低NO_x排放,但会造成HC比排放有所增加。通过对掺混率、点火时刻和喷气时刻进行优化后,天然气掺混CO_2可以获得最佳的比排放和比气耗的trade-off关系。初步推测是由于混合气在缸内实现了预想的分层效果,即缸内CO_2的浓度分布与天然气的浓度分布一致,从而减小了CO_2对天然气浓度较小区域的稀释作用,一定程度上改善了这些区域的燃烧,减少了循环变动,同时有效抑制了天然气浓度较大区域的NO_x的生成,说明天然气掺混CO_2这种方式有进一步拓展发动机的经济性及NO_x比排放的优化区域的潜力。


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