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原文传递布朗气对丁醇/汽油发动机性能影响的研究

论文题名：	布朗气对丁醇/汽油发动机性能影响的研究
关键词：	点燃式发动机;复合喷射;布朗气;丁醇;稀薄燃烧
摘要：	随着科技的进步与社会的发展，能源危机与环境污染问题日益突出，为了缓解内燃机对化石燃料的依赖并减少污染物的排放，应用清洁高效的替代燃料已然成为内燃机行业主要发展方向之一。醇类燃料得益于其优异的理化性质及再生性，一直是替代燃料的研究热点，而其中的丁醇燃料，由于其具有更高的热值与更低的汽化潜热，且理化性质与汽油最为接近,作为替代燃料应用时不需要对发动机结构进行过多更改，因此被认为是更有潜力替代汽油的清洁燃料。　　布朗气(HHO)作为一种新兴的氢能燃料，在保留氢气优秀理化特性的同时还兼具“即产即用”的便携特点，近些年被更多的研究者所关注。鉴于此，本文将两者结合起来，通过发动机台架试验探究掺混布朗气对丁醇/汽油发动机燃烧及排放特性的影响，以明确丁醇/汽油/布朗气三种燃料在点燃式发动机上的协同工作效果。主要研究工作与结论如下: 　　论文首先基于所搭建的发动机试验台架，探究了理论混合气（λ=1.0）工况下，不同丁醇直喷时刻与直喷比例条件对发动机性能的影响。结果表明，在理论混合气（λ=1.0）工况下，随着布朗气掺混量的提高，发动机Pmax、IMEP及NOx排放增大；APmax、CA0-10、CA10-90、CO排放与HC排放均减小。掺混16L/min的布朗气，不仅可以进一步增强丁醇/汽油发动机的动力性并降低排放，还可以削弱丁醇汽化潜热对燃烧的负面影响，缩短不同丁醇直喷时刻间的性能差距，并能将最佳丁醇直喷比例由40%提高至60%。此外，直喷丁醇对缸温的冷却效果能够在一定程度上降低掺混布朗气带来的高NOx排放。综上，布朗气与丁醇存在良好的协同工作关系，在丁醇直喷时刻300℃ABTDC、丁醇直喷比例40%～60%以及布朗气掺混量16L/min的条件下发动机具有最佳的综合性能表现。　　在明确丁醇与布朗气之间存在优秀协同工作效果基础上，为了进一步探究布朗气对发动机性能提升的潜力，并改善掺混布朗气后的高NOx排放弊端，本研究通过台架试验探究了不同布朗气掺混量对丁醇/汽油发动机稀燃特性的影响。结果表明，布朗气更低的点火能量以及更快的火焰传播速度能够有效促进稀薄燃烧时火焰核心的稳定形成及层流火焰的快速传播，掺混16L/min布朗气可以使λ=1.1～1.4全工况下的CA0-10及CA10-90处于较短水平，并抑制缸内失火现象的发生，进而保证燃烧进程的正常进行。因此，掺混布朗气能使丁醇/汽油发动机在稀燃条件下具有更好的动力性以及更低的排放。此外，稀薄燃烧降低了缸内温度，可以有效抑制因掺混布朗气而产生的NOx排放升高，在布朗气掺混量为16L/min的条件下，λ=1.3、1.4时的NOx排放较λ=1.0时降低了33.51%、57.28%。在λ≤1.3的稀燃条件下，掺混16L/min的布朗气可以有效缩短丁醇直喷比为40%与80%时发动机的性能差距。16L/min布朗气+80%丁醇直喷比的组合可以使发动机在拥有优秀稀燃特性的同时获得更低的NOx排放，并减少发动机对汽油的消耗。　　掺混布朗气对丁醇/汽油发动机燃烧稳定性的提高效果显著，仅掺混8L/min的布朗气就可以使λ≤1.4时丁醇/汽油发动机的CoVIMEP维持在2.5%以下。此外，掺混布朗气拓展了丁醇/汽油发动机的稀燃极限。在丁醇直喷比例为40%的基础上，掺混16L/min的布朗气能够将发动机稀燃极限由1.41提高至1.83。　　综上所述，掺混布朗气能够改善丁醇/汽油发动机的燃烧特性，特别是在稀薄燃烧条件下，可抑制丁醇汽化潜热带来的负面影响，提高发动机对丁醇的耐受度，使得发动机具有更佳的动力性与排放性。此外，直喷丁醇与稀薄燃烧均能降低发动机缸内的温度，进而降低因掺混布朗气而造成的高NOx排放。
作者：	黄延
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