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原文传递氧化剂设计改善内燃机燃烧的研究

论文题名：	氧化剂设计改善内燃机燃烧的研究
关键词：	汽车柴油机;发动机排放;燃油添加剂
摘要：	随着汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严格，进一步降低内燃机排放是当前能源与环境领域的一个重要课题。本文从改善燃烧降低排放的目标出发，开展了内燃机氧化剂设计的研究。在对不同氧化剂环境中内燃机气体燃料LPG和液体燃料轻柴油稳态燃烧火焰特性研究基础上，本文重点研究了LPG发动机和柴油机冷起动以及柴油机稳态运行时使用组合进气的燃烧和性能。 ⑴构建了杯式燃烧装置。基于该燃烧装置，研究了气体燃料LPG和液体燃料轻柴油在不同氧化剂环境下的稳态燃烧火焰特性。对LPG，研究了氧化剂组分对其部分预混合火焰和扩散火焰的影响，并对LPG扩散火焰进行了数值模拟研究。对LPG部分预混合火焰，当O2/N2氧化剂总流量不变时，扩散火焰长度和亮度随O2浓度下降先增加后减少，火焰根部与燃烧杯口的距离增大，直至火焰熄灭。对LPG扩散火焰，O2流量保持不变时，随N2流量的增加，火焰高度增加，而火焰可见长度先增加后降低，亮度减弱：火焰最高温度下降，而且火焰高温区减小。当N2流量过大时，火焰熄灭。LPG扩散火焰的数值模拟表明，随O2/N2氧化剂氧浓度提高，燃烧区域缩小并向燃烧杯杯口集中，同时火焰高温层变厚且高温区域集中。对轻柴油，首先考察了液面燃烧时扩散火焰和黑烟随氧化剂氧浓度增加的变化，然后重点研究了氧化剂组分和流量对以灯芯方式燃烧时的扩散火焰的影响。研究表明，柴油的液面燃烧火焰和灯芯火焰都包括两部分：刷子形的上部火焰和圆锥形的下部火焰。对柴油液面燃烧，O2/N2氧化剂总流量不变时，增加氧浓度后扩散火焰高度增加。氧浓度较低时，黑烟较多；氧浓度增大到某范围内，黑烟消失；氧浓度继续增加，则又产生黑烟。而对柴油灯芯火焰，高度的变化趋势是先增加后降低。无论是LPG燃烧还是柴油燃烧，比较N2，CO2对火焰的影响更显著。 ⑵分别构建了基于膜法富氧技术的富氧进气LPG发动机和柴油机冷起动研究系统。对LPG发动机，基于循环控制方法研究了富氧进气冷起动首循环的燃烧排放，并比较了不同氧浓度进气时冷起动/暖机和热怠速阶段的运行行为。对柴油机，重点研究了最低自行起动温度时进气氧浓度对燃烧和性能的影响。研究表明，无论是LPG发动机还是柴油机，富氧进气的使用均能够提高发动机的起动速度。同时，随着进气氧浓度的增加，排气烟度、HC和CO排放显著降低，但NOx排放增加。LPG发动机冷起动首循环缸内燃烧分析表明，各种循环燃料量下，使用富氧进气均使缸内峰值压力增加，对应出现时刻提前，同时使缸内燃烧放热更为集中，最大放热率出现时刻提前。柴油机冷起动缸内燃烧分析表明，与常规进气相比，富氧进气后着火时刻明显提前，缸内压力升高。 ⑶构建了柴油机组合进气供给系统。在供油时刻不变的条件下，研究了柴油机富氧进气和常规进气添加惰性气体时的燃烧排放特性。结果表明，富氧进气后排气烟度、HC和CO排放显著降低而NOx排放增加明显。常规进气添加Ar、N2和CO2时排气烟度均上升而NOx排放均下降。相同Ar、N2和CO2添加量，使用CO2后烟度增加幅度最小而NOx排放下降幅度最大。针对富氧进气和常规进气添加惰性气体后的燃烧排放特点，研究了O2/CO2/N2组合进气时柴油机燃烧排放特性，得到了实现柴油机排气烟度和NOx排放同时降低的优化组分进气，并对柴油机使用优化组分进气进行了研究。研究表明，柴油机使用O2/CO2/N2优化组分进气，NOx排放可降至原机排放的40％，而排气烟度的下降可达50％以上，而保持指示热效率下降很小。柴油机使用优化组分进气时，随进气中O2浓度和CO2浓度同时增加，绝热指数和多变指数逐渐变小，滞燃期延长，平均指示压力降低。排气烟度和NOx排放随优化组分进气中O2浓度和CO2浓度同时增加均降低，但HC和CO排放变化不大。对柴油机在两种富氧燃烧方式-进气富氧和燃料含氧时的燃烧排放特性进行了比较。进气氧浓度选择22.1％；使用DMC添加比例10％的DMC/柴油混合燃料作为含氧混合燃料。结果表明，与使用含氧混合燃料时相比，在供油时刻不变情况下，富氧进气时燃烧持续期长，指示热效率低，排气烟度低而NOx排放高。HC和CO排放均较使用含氧混合燃料时的低。柴油机采用富氧进气方式时，排气再循环具有更高的容忍度。 ⑷利用化学反应动力学与KIVA3V耦合对柴油机采用优化组分进气时的燃烧和排放进行了数值模拟，并对进气中CO2与O2影响柴油机燃烧和排放的作用机理进行分析。结果表明，随优化组分进气中O2浓度和CO2浓度的同时增加，缸内温度、NO和O原子浓度逐渐降低，且高温、高浓度区域缩小。就降低NO效果而言，进气CO2浓度较低时，热作用效果较小，而CO2浓度增大到15％后，热作用的贡献起主导作用。与使用CO2置换N2比较，CO2直接稀释常规进气时缸内温度、NO、O2和OH浓度的下降趋势更为明显。O2/N2进气氧浓度分别为21％、25％的缸内燃烧过程数值模拟显示，进气氧浓度提高后，缸内O2量增加，OH浓度上升，同时O浓度上升，OH和O原子的高浓度区域增加。
作者：	肖广飞
专业：	动力机械及工程
导师：	黄震;乔信起
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文