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原文传递燃料特性及EGR对缸内污染物生成影响的光学诊断研究

论文题名：	燃料特性及EGR对缸内污染物生成影响的光学诊断研究
关键词：	车用内燃机;煤制油;燃料特性;污染物生成;光学诊断
摘要：	能源短缺与环境污染是当今世界面临的两个重大挑战，在交通领域寻求来源丰富、环境友好的新型替代燃料势在必行。结合中国富煤、贫油、少气的能源禀赋，煤制油技术的开发和应用对于我国的能源结构优化和能源安全具有战略意义。在“双碳”战略的时代背景下，探索煤制油的高效清洁燃烧技术有利于推动煤基合成燃料在车用内燃机上的推广应用。同时，燃料特性与燃烧边界条件协同控制改善内燃机燃烧及排放性能成为研究热点，利用该思想实现煤制油高效清洁燃烧成为一条切实可行的技术路线。　　本研究基于一台单缸立式发动机搭建了高速摄影光学试验平台，以煤基合成柴油（Coal to Liquids,CTL）为基础燃料探究燃料特性与燃烧边界条件联合调控对发动机缸内燃烧过程和污染物生成历程的影响。研究中利用高速相机对燃烧火焰发展历程进行采集，并结合双色法对火焰图像进行深入解析求取燃烧过程中的缸内温度场及表征碳烟浓度的KL因子场，揭示燃烧过程中污染物生成历程的时空分布规律，为CTL高效清洁燃烧技术的开发提供了数据基础和理论支撑。主要研究内容及结论包括：　　（1）针对CTL十六烷值过高导致燃烧时扩散燃烧比例过大的问题，以CTL为基础燃料掺混国Ⅵ柴油探究燃料活性对燃烧过程及碳烟生成历程的影响。结果表明适当降低燃料活性有利于降低火焰面积和火焰亮度，推迟着火时刻，使缸内燃烧温度、碳烟浓度及其梯度不断降低。　　（2）以CTL为基础燃料分别掺混DMC、PODE和正丁醇制取含氧量相同的混合燃料，探究不同含氧官能团对燃烧及碳烟生成的影响。研究发现，最大火焰面积和亮度的变化规律为纯CTL＞DC＞PC＞BC；光学着火时刻的变化规律为纯CTL＞DC＞PC≈BC；在火焰形态方面，纯CTL燃烧呈明显油束状，DC在燃烧室壁面附近呈块状，PC在气缸中心区域呈团状，而BC在整个燃烧室内分布着点状火焰。综合来看，在CTL的三种含氧掺混燃料中，正丁醇由于燃料活性低、汽化潜热大，在燃烧过程中可以生成大量抑制碳烟生成的自由基而表现出了优异的燃烧与排放性能。　　（3）以纯CTL和正丁醇/CTL为试验燃料探究喷油正时对燃烧及碳烟生成的影响。结果表明，随着喷油时刻提前火焰面积和火焰亮度先增大后减小，光学着火时刻不断提前。在喷油提前角为7℃A BTDC和11℃A BTDC时，正丁醇/CTL混合燃料的高温像素点数量大于纯CTL，说明需要进一步采取其他措施以降低燃烧温度。　　（4）以纯CTL和正丁醇/CTL为试验燃料探究内外部EGR对燃烧及碳烟生成的影响。结果表明外部EGR始终在稀释作用、降低比热容和化学抑制的作用下减缓燃烧，因此可以显著降低火焰亮度，但过高比例的EGR会造成燃烧恶化从而不利于降低碳烟排放。而内部EGR是热效应和以上因素共同作用的结果。因此内部EGR率较小时有利于降低燃烧温度和抑制碳烟生成，继续增大后效果相反。
作者：	张鑫
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	孙万臣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022