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原文传递不同后喷策略对柴油机燃烧性能常规和非常规HCs排放影响的实验研究

论文题名：	不同后喷策略对柴油机燃烧性能常规和非常规HCs排放影响的实验研究
关键词：	汽车柴油发动机;后喷策略;燃烧性能;碳氢化合物;排放特性
摘要：	减少汽车污染物排放引起了全世界的关注。近年来，通过改进燃油喷射技术和耦合后处理集成系统来改善缸内燃烧和减少发动机污染物排放已成为重要课题。在发动机的综合控制系统中，后喷射对优化发动机的燃烧和排放性能起着至关重要的作用。后喷射是一种缸内喷射技术，可在保持发动机效率的同时减少有害的发动机排放，并且可能带有或不带有排气后处理装置。后喷射产生的额外热量有助于提高缸内温度，从而通过柴油燃料的热裂解刺激越来越多的OH自由基和轻质HC的形成，从而促进了烟灰的氧化过程。后喷射还可用于生成反应性轻质烃(HC)，其可用于释放氧化催化转化器中的热量，并可在为柴油微粒过滤器(DPF)的再生提供合适的温度方面发挥重要作用。提高排气温度，通过缸内后喷射提供活性轻质HCs反应物，是辅助柴油机尾气后处理作业进行高效污染控制的有效措施。　　根据发动机燃烧室的几何特征，采用CONVERGE CFD软件建立了1/8柴油机的仿真计算模型。然后简要描述了湍流、燃烧反应和NOx排放模型的特征。将仿真结果与实验数据进行对比，验证模型的有效性。CFD仿真结果表明，计算结果与实验采集的数据相吻合。分析了后喷参数对燃烧行为和污染物形成的影响，为进一步了解后喷机理和优化后喷策略提供依据。主要工作如下：　　（1）通过实验和计算评估后喷射参数对固定转速（1200r/min）下发动机性能的影响。评估了喷射后参数对指示的瞬时放热率、缸内压力、缸内温度、调节的非调节排放特性的影响。实验中，后注射时间设定在20~120℃A ATDC，后注射量为5~15mg。结果表明，与单次主喷射相比，后喷射技术可以有效减少调节和非调节排放。在不同的后喷射条件下，烟灰和NOx排放之间也存在权衡关系。在SOI40℃A时，与单次主喷射相比，碳烟排放减少了26%。在SOI早期，不受管制的排放（甲醛和乙醛除外）较低，在SOI100-120℃A也观察到。此外，当SOI为20℃A且喷油后质量为15mg时，NOx排放量减少了20%，总碳氢化合物(THC)排放量减少了60%。　　（2）研究了发动机不同工况下后喷参数对排放特性的影响规律，实验选取三种发动机负荷为20%、40%和60%工况，对应的平均有效压力分别为0.5MPa、1.15MPa和1.65MPa。结果表明，相对于单次主喷工况，60%负荷工况下NOx、THC和碳烟排放较高；在20%负荷条件下，NOx、THC和碳烟的排放浓度最小。在40%和60%工况下，SOI位于60℃A时，NOx排放减少达25%，碳烟排放减少达40%，CO排放减少达12%，THC排放减少达60%。　　（3）研究了不同发动机转速工况下后喷参数对排放性能的影响规律，实验分别选取了1000r/min、1200r/min和1400r/min三种不同转速，探讨了发动机转速对后喷效率和发动机排放的影响。结果表明，与较高的发动机转速相比，较低转速(1000r/min)下的后喷策略可以显著提升发动机IHRR、缸内温度和压力等参数的燃烧特性，但是排放会有所增加。在1400r/min时，较早的SOI和较大的燃油后喷量可以明显减少NOx、CO和NMHC排放。随着SOI的推迟，碳烟排放呈先增加后降低趋势。与1000r/min和1200r/min转速相比，1400r/min转速工况下的后喷明显降低了碳烟排放，同时也可以抑制不同PIM下C3H8、C3H6和C2H4等HC的形成。　　（4）研究了不同后喷策略对发动机非常规HCs排放的影响规律，重点研究了不同后喷参数对不同碳原子数HC物种形成和分布的影响。SOI设定在20-120℃A范围内，后喷燃油量分别为5mg、10mg和15mg。结果表明，后喷参数对柴油机排气中的HC成分有明显影响。当SOI位于20-40℃A时，由于气缸内温度较高，燃烧较为彻底，轻质HC排放降低；随着SOI的推迟，轻质HC的排放逐渐增加。此外，后喷燃油量的增多也会促进轻质HC的形成。当SOI为60℃A，PIM为15mg时，观察到C1、C2和C3化合物的峰值，而NMHC排放在SOI为80℃A时达到峰值。当SOI在20-40℃A时，不同后喷燃油量下的轻质HCs浓度约占THC排放量的50-80%。随着SOI的推迟，当SOI为80-120℃A时，C8化合物的比例高于所有其他HC化合物的比例，其浓度分数超过50%。一般来说，后喷产生相对较多的轻质HC，是排放后处理系统所需要的。
作者：	Sheikh Muhammad Farhan
专业：	Power Engineering and Engineering Thermophysics
导师：	王攀
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022