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原文传递含水乙醇/氢气复合喷射发动机燃烧和排放特性研究

论文题名：	含水乙醇/氢气复合喷射发动机燃烧和排放特性研究
关键词：	点燃式发动机;复合喷射;含水乙醇;氢气;燃烧特性;排放特性
摘要：	乙醇作为点燃式（SI）发动机的碳中性燃料之一已经得到广泛的应用。乙醇生产过程中脱水提纯会导致高能耗，若将含水乙醇直接应用在发动机上，将会大幅降低使用成本。由于乙醇和水的汽化潜热高，这使得含水乙醇应用于发动机中需考虑雾化、蒸发、着火及燃烧稳定性问题。氢气作为零碳燃料具有点火能量低，火焰传播速度快等优良特性，若将含水乙醇与氢气相结合，则在降低乙醇使用成本的同时还可保证较优的燃烧性能。本文在一台复合喷射发动机试验平台上，完成掺氢对含水乙醇发动机燃烧及排放特性影响的试验研究，本研究的主要工作内容及结论如下：　　（1）为探究含水率对含水乙醇发动机燃烧及排放的影响规律，同时优化含水乙醇发动机的控制参数，以便后续研究掺氢对含水乙醇发动机燃烧及排放特性的影响，进行第一部分试验，在仅进气道喷入含水乙醇的情况下，对发动机燃烧及排放特性进行了研究。设置了5个含水率（0%、3%、6%、9%、12%），分析进气道喷入不同含水率的含水乙醇时的发动机性能，寻求较优的含水率。设置工况点分别为：固定节气门开度12%，转速分别为1200r/min、1500r/min、1800r/min；固定转速为1500r/min，节气门开度分别为10%、12%、14%，分析不同转速和不同负荷时进气道喷入不同含水率的含水乙醇时的发动机性能。试验结论如下：　　1）在研究范围内掺水导致含水乙醇发动机燃烧性能下降，滞燃期与快速燃烧期随含水率的增加而延长，增加含水率会导致平均指示压力（IMEP）下降。一氧化碳（CO）会随含水率的增加而先下降后增加，在含水率9%时达到最低值，氮氧化物（NOx）排放量随含水率的增加而下降，碳氢化合物（HC）排放量则持续增加。　　2）随着转速的升高，滞燃期和快速燃烧期延长，发动机扭矩下降，缸内温度与压力下降，气体排放物中NOx和HC排放量下降，CO排放量增加。升高转速可以增强缸内的气流运动，改善缸内混合气的燃烧。　　3）随着节气门开度的增加，滞燃期和快速燃烧期缩短，缸内峰值压力和峰值温度增加，放热率曲线更加集中，燃烧过程所占据曲轴转角缩短，CO和HC排放量下降，NOx排放增加。增大负荷可以改善缸内的热氛围，从而使得含水率增加带来的负面影响降低。含水率增加至9%时排放性能最佳且燃烧性能并没有过多恶化，12%含水率时燃烧与排放性能大幅度下降。　　（2）在上述试验的基础上，为探究掺氢对含水乙醇燃烧及排放特性影响规律，进行了第二部分试验。发动机转速设定为1500r/min，节气门开度为10%。选定9%含水率进行掺氢试验，试验中设置了5个掺氢比（0%、5%、10%、15%、20%），5个过量空气系数（λ）（1、1.1、1.2、1.3、1.4），探究掺氢比对含水乙醇SI发动机燃烧和排放特性的影响；在上述工作基础上，设定两个λ（1、1.3），5个氢气直喷时刻（75°、90°、105°、120°、135℃ABTDC），探究不同直喷正时对发动机燃烧及排放特性的影响。试验结论如下：　　1）随着掺氢比的增加火焰滞燃期与快速燃烧期缩短，明显改善了发动机的燃烧性能，发动机运行的稳定性得到改善。掺氢之后放热等容度提高，增加了最高缸内温度、最高缸内压力和IMEP。随着掺氢比的增加，由于缸内温度的升高导致NOx排放量随之增加，CO和HC排放量随掺氢比的增加而下降。　　2）随着λ的增加，任意掺氢比下火焰滞燃期和快速燃烧期变长，峰值缸压、温度和IMEP下降，平均指示压力的循环变动系数（COVIMEP）增加，在稀燃工况下，掺氢对燃烧效果的改善更加明显。在排放方面，NOx和CO排放量下降，但是HC排放量先下降后增加。　　3）当λ=1时，直喷时刻为105℃ABTDC为最佳直喷时刻，燃烧及HC排放达到最优；当λ=1.3时，推迟直喷时刻可以减少燃烧放热持续时间，但是会导致HC排放量略高，选取直喷时刻为75℃ABTDC较为合适。　　综合所有的燃烧与排放分析，在理论空燃比和稀薄燃烧下，缸内直喷氢气可以改善SI发动机含水乙醇进气道喷射的燃烧。在固定含水率为9%时，缸内直喷氢气比例为15%更合适。
作者：	胡志鹏
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	于秀敏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023