详情

原文传递复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机燃烧及排放特性研究

论文题名：	复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机燃烧及排放特性研究
关键词：	点燃式发动机;复合喷射;双燃料;含水乙醇;汽油;燃烧特性;排放特性
摘要：	开发绿色清洁替代燃料一直是内燃机领域的研究热点，替代燃料的应用可以缓解环境压力与能源危机。乙醇是一种极具发展潜力的替代燃料，但乙醇发酵液中含有大量水，制取无水乙醇需经历蒸馏和提纯过程，消耗大量能源，导致乙醇的制取成本增加。因此，在发动机上直接使用含水乙醇可提高乙醇作为替代燃料的全生命周期竞争力。由于含水乙醇/汽油双燃料使发动机具有优良的低温冷启动性能，其较纯含水乙醇燃料更受青睐。但预混含水乙醇/汽油双燃料不能灵活调节缸内燃料组分，且含水量较高时会出现分层现象。因此，针对目前含水乙醇/汽油双燃料存在的问题，本研究将复合喷射技术与含水乙醇/汽油双燃料相结合，采用化学反应动力学模拟、三维仿真模拟与发动机台架试验联合的研究方法，研究了含水乙醇/汽油双燃料的燃烧特性及化学反应动力学特性，分析了复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机的混合气分布与燃烧历程，并在含水乙醇缸内直喷＋汽油进气道喷射的喷射模式下对复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机的燃烧及排放特性进行了探究。结果表明，含水乙醇/汽油双燃料复合喷射能提升发动机动力性，降低CO、NOx排放及微粒数量浓度。主要研究工作及结论如下：　　（1）燃料燃烧过程是影响发动机性能的关键因素，明晰含水乙醇/汽油双燃料的燃烧特性及化学反应动力学特性是研究复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机燃烧及排放特性的理论基础。因此，本研究首先利用CHEMKIN-PRO软件探究了边界条件及含水乙醇含水量对燃料层流火焰速度、滞燃期及燃烧关键基团的影响，并研究了含水乙醇/汽油双燃料与乙醇/汽油双燃料间的化学反应路径差异。结果表明，含水乙醇含水量升高会使层流火焰速度降低，且初始温度越高，水对火焰传播的抑制作用越强。含水乙醇含水量小于12%时，层流火焰速度随含水乙醇比例的增加而增加；但含水量大于12%时，层流火焰速度随含水乙醇比例的升高而降低。过量空气系数为0.9至1时，燃料的层流火焰速度最大，水对火焰传播的抑制作用也最明显。燃料滞燃期随含水乙醇含水量增加而延长，但其延长作用随初始温度升高而减小。含水乙醇比例越大，滞燃期越长。过量空气系数降低能缩短滞燃期，且过量空气系数越小，水对滞燃期的延长作用越弱。含水乙醇含水量增加使燃烧中间基团的浓度峰值减小，峰值时刻推迟。初始温度升高，水对燃烧中间基团的影响减小；含水乙醇比例增加，水对燃烧中间基团的影响增强。过量空气系数减小，水对燃烧中间基团浓度峰值的削弱作用增强，对峰值时刻的推迟作用减弱。含水乙醇/汽油双燃料与乙醇/汽油双燃料的氧化路径不同，但二者仅个别基团的分解过程出现了较大差异。　　（2）传统台架试验难以对发动机的缸内工作过程进行深入研究，往往需要进行三维仿真模拟，以对整个工作过程进行细致的分析。因此，本研究利用CONVERGE软件对缸内混合气演变历程、缸内温度场、火焰前锋面及燃烧中间基团分布场进行了观察和分析，明晰了含水乙醇喷射策略及含水乙醇含水量影响发动机燃烧历程的微观机制，为研究复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机的燃烧及排放特性提供了科学依据。结果显示，直喷时刻推迟会导致缸内乙醇分布的均匀性变差。早期喷射下含水乙醇直喷时刻推迟会导致轴向火焰传播速度加快，径向火焰传播速度减慢；而晚期喷射下直喷时刻推迟对缸内火焰传播的影响与早期喷射相反，且后燃现象随直喷时刻推迟而加剧。早期喷射下发动机CO排放主要源于CO2高温解离；晚期喷射下CO排放主要来自燃料因缺氧而导致的不完全燃烧。喷射压力升高加速了含水乙醇与空气的混合过程，使火焰前锋面的推进速度及高温区域的拓展速率增加。喷射压力增加会强化气流运动对缸内火焰的拉伸作用，使缸内高温区域的形变增加。水对H2O2基团及OH基团的缸内扩散、积累及消耗过程均有负面效应。含水乙醇含水量增加使火焰前锋面温度及前锋面推进速率降低，使缸内局部高温区域缩小。含水乙醇含水量为0%时，随着喷射比例的增加，H2O2基团扩散速率加快，但燃料低温氧化生成H2O2基团的过程被削弱，OH基团浓度随含水乙醇喷射比例的升高而增加。含水乙醇含水量为20%时，含水乙醇喷射比例增加会抑制H2O2基团的缸内扩散过程，削弱燃料低温氧化生成H2O2基团的能力，缸内OH基团浓度随喷射比例增加而降低。含水量为0%时，喷射比例升高增加了火焰前锋面的推进速度，使缸内高温区域增加；含水量为20%时，喷射比例增加对缸内火焰传播过程和缸内温度场产生负面作用。　　（3）仿真分析具有一定的局限性，不能完全反映复杂多变的发动机实际工作过程，而台架试验能够直观地观察发动机的性能，检验含水乙醇/汽油双燃料在发动机上应用的可行性。因此，本研究通过发动机台架试验手段探究了复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机的燃烧及排放特性。对于复合喷射双燃料发动机，喷射策略是其运转过程中的重要控制参数。本研究通过台架试验探究了含水乙醇喷射策略对复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机燃烧及排放特性的影响。结果表明，含水乙醇喷射比例为40%、含水乙醇含水量为4%至8%时，发动机的动力性及运转稳定性较好，污染物排放量较低。含水乙醇直喷时刻推迟会使缸内混合气的分布不均匀性增加，导致缸内燃烧状态恶化。喷射压力升高有利于含水乙醇与空气充分混合，使发动机的动力性、运转稳定性及污染物排放特性改善。在本研究中，含水乙醇喷射比例为40%、含水乙醇含水量为4%至8%时，配合300℃ABTDC的直喷时刻及12MPa的喷射压力能够保证发动机综合性能较优。　　（4）在车辆行驶过程中，发动机的过量空气系数、转速及负荷等运行参数是实时变化的，为更全面地了解复合喷射含水乙醇/汽油双燃料发动机的性能，避免单一试验工况使结果具有局限性，本研究利用台架试验手段探究了不同运行参数下发动机的燃烧及排放特性。结果表明，稀薄燃烧时，发动机动力性随含水乙醇含水量升高而降低；但使用浓混合气及理论混合气时，动力性在含水乙醇含水量为8%时最佳。不同过量空气系数下HC排放均随含水量升高而增加，但CO及NOx排放呈下降趋势。过量空气系数为0.9及1时，总微粒数量浓度随含水乙醇含水量增加而降低；过量空气系数为1.2时，含水量增加使总微粒数量浓度升高。为保证发动机动力性，含水乙醇含水量应随转速升高及负荷降低而减小。尽管不同工况对应的动力性最佳含水乙醇含水量不同，但4%至8%的含水乙醇含水量在不同工况下均能使发动机获得较好的动力性。含水乙醇含水量增加使HC排放增加，NOx排放降低，且工况变化不会影响HC与NOx排放随含水乙醇含水量的变化趋势。CO排放随含水乙醇含水量的变化规律较复杂，与发动机工况密切相关。当发动机工况为低转速、小负荷时，总微粒数量浓度随含水乙醇含水量升高而增加，而转速及负荷增加后，总微粒数量浓度随含水乙醇含水量的升高而降低。因此，当发动机对动力性需求较大时，含水乙醇含水量应控制在4%至8%范围内；而在大负荷下需要控制微粒排放时，应将含水乙醇含水量控制在20%。
作者：	李德成
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：	2023