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原文传递乙醇/氢气复合喷射发动机燃烧及排放特性研究

论文题名：	乙醇/氢气复合喷射发动机燃烧及排放特性研究
关键词：	乙醇发动机;复合喷射;喷射策略;氢气;废气再循环
摘要：	随着我国“双碳”战略的全面实施，汽车燃料消耗与尾气排放问题伴随汽车保有量的攀升而日趋严峻。寻求清洁的代用燃料已成为发动机技术研究的重要方向。在众多的代用燃料中，乙醇燃料具有与传统内燃机良好的兼容性，可以利用现有的工业体系快速推广，同时限制了温室气体的排放，是一种备受瞩目的碳中和可再生燃料。但是乙醇的汽化潜热大，饱和蒸汽压较低，缸内混合气形成困难，在一定程度上影响整车的动力性。为解决上述乙醇燃料固有的瓶颈问题，本文通过乙醇/氢气复合喷射的形式将氢气引入缸内，通过氢气优良的理化特性弥补乙醇燃料的缺点，促进发动机有效点火并快速、稳定、充分燃烧。　　本文采用缸内直喷的形式加入氢气，通过在火花塞附近形成局部富氢区域提升发动机性能，同时避免进气道回火等问题。为了系统性分析乙醇/氢气复合喷射发动机燃烧及排放的特性，首先搭建了乙醇进气道喷射、氢气缸内直喷的复合喷射发动机试验平台，并通过自主开发的dSPACE快速控制原型实现在线开环调试；其次，应用仿真手段，探究缸内流场分布和燃烧状况，进一步基于仿真结论，进行台架试验验证，结合单一变量原则，定量分析关键控制参数对发动机燃烧及排放性能的影响；最后，为解决掺氢带来的氮氧化物排放上升的问题，引入外部EGR，在不同工作模式下寻找EGR和掺氢比的协同优化策略。主要研究工作及结论如下: 　　1.建立CFD仿真模型，探究不同喷氢策略及点火策略对缸内混合气分布状态和燃烧状况的影响。结果表明，当氢气在火花塞附近局部富集时，乙醇/氢气发动机的混合气分布状态最为理想，有利于通过氢气较低的点火能量和快速的火焰传播速度改善燃烧。其中，60℃ABTDC和75℃ABTDC直喷时刻有利于混合气局部浓区的形成。　　2.探究了掺氢比、喷氢时刻、喷氢压力和点火时刻对不同工况下发动机缸内燃烧状况的影响，得出小比例掺氢即可缩短火焰发展期、提升最大放热率和平均指示压力、并且使发动机燃烧更加稳定的结论。当掺氢比大于10%时，发动机动力性提升的幅度降低，并且掺氢后火焰传播速度加快，应适当推迟点火以防止发动机负功增加。当缸内直喷压力为5MPa时，氢气束具有足够的初速度和贯穿距离，不易受缸内气流运动的影响而发散，有利于形成局部富氢的分层状态。当喷氢时刻为60℃ABTDC和75℃ABTDC时，既可以保证火花塞附近的氢气浓度，也能使剩余部分氢气在缸内其余区域形成较稀的分层混合气。在不同工况下，随着转速和负荷升高，掺氢比例增加带来的动力性和经济性收益不断降低，对燃烧的影响也愈发不明显。　　3.探究了掺氢比、喷氢时刻、喷氢压力和点火时刻对发动机不同工况下排放特性的影响。在不同转速和负荷下，随着掺氢比的增加，缸内温度升高，壁面淬熄距离缩短，一氧化碳和碳氢排放不断降低。5MPa的喷氢压力和60℃ABTDC喷氢时刻形成的分层混合气改善了缸内燃烧过程，从而使排放产物氧化更加完全，一氧化碳和碳氢排放降低，但同时也增加了氮氧化物的排放。此外掺氢有效减少了大颗粒碳烟的产生，随着掺氢比增加，微粒排放量不断降低且微粒粒径呈下降趋势。　　4.在稀燃条件下，掺氢可以保障火焰核心形成的稳定性，达到扩展稀燃极限的目的。通过掺氢可以使相同过量空气系数下的缸内燃烧状态更为稳定，提升火焰传播速度，弥补功率损失。在过量空气系数为1.3时，10%掺氢比可以得到与原机在当量空燃比时相近的动力性，此时一氧化碳和碳氢排放最低，且由于缸内温度降低，也抑制了氮氧化物排放的生成。乙醇发动机的非常规排放物除甲醛排放随掺氢比的增加略有升高外，乙醛、乙醇和1,3-丁二烯排放量均有所下降。总体来看，掺氢是降低乙醇燃料发动机非常规排放的有效手段。　　5.探究了不同掺氢比和EGR率对乙醇发动机燃烧和排放的影响规律。在过量空气系数为1.0时，乙醇发动机本身对EGR率的容忍度较高，大EGR率可以降低氮氧化物排放，解决大比例掺氢导致的氮氧化物排放量升高的问题，同时还可以提高燃油经济性。在过量空气系数为1.2时，氢气的少量加入即可提高发动机对EGR的容忍度，但持续提高掺氢比对稳定性的改善效果并不明显。5%掺氢比配合15%EGR率可以被认为是一个较优的控制策略，既可以协同发挥氢气对燃烧的促进作用以及EGR对泵气损失的降低作用，也可以通过EGR降低掺氢带来的氮氧化物激增问题。lt;/Ch_Abstractgt;lt;Ch_Keywordsgt;乙醇发动机;复合喷射;喷射策略;氢气;废气再循环lt;/Ch_Keywordsgt;lt;covergt;1lt;/covergt;lt;Anthorize_covergt;1lt;/Anthorize_covergt;lt;Encryptgt;公开lt;/Encryptgt;lt;Authorizegt;亲笔签名lt;/Authorizegt;lt;Languagegt;中文lt;/Languagegt;lt;unvalidgt;可用lt;/unvalidgt;lt;Mes_codegt;lt;/Mes_codegt;lt;Operatorgt;刘玉茹lt;/Operatorgt;lt;OperatorIPgt;192.168.3.14lt;/OperatorIPgt;lt;ReceiveTimegt;2022-08-0114:24:16lt;/ReceiveTimegt;lt;FinishedTimegt;。
作者：	陈朝
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	于秀敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022