基于燃料特性与燃烧边界条件协同控制的高效清洁燃烧技术研究

【摘要】：随着燃油耗法规和环保法规的日益严格,能源高效利用与环境可持续发展成为各国关注的焦点。针对传统柴油机混合气不均匀的问题,积极导入预混合化的燃烧模式,实现汽油机与柴油机的统一化,在保证燃油经济性的同时降低污染物排放是未来内燃机的发展趋势。同时,从优化燃料特性的角度改善内燃机工作过程、降低排放逐渐成为国际内燃机领域的研究热点。本研究在国家自然科学基金项目的资助下,针对内燃机实现高效清洁燃烧的需求,基于燃料化学动力学与燃烧边界条件协同控制的思想,采用煤基费托合成燃料、高辛烷值汽油及高品质柴油等作为基础燃料组分,从燃料设计及燃烧边界条件控制的角度出发,探究燃料特性对压燃式发动机预混合燃烧过程及排放污染物生成的影响规律。通过调整进气参数及喷油参数等控制燃烧边界条件,利用宽馏程燃料系统的研究了实现汽油机/柴油机统一化的预混压燃高效清洁燃烧模式的控制方法及与之相适应的燃料特性指标;确定了燃料理化特性及燃烧边界条件对混合气制备、燃烧及排放污染物生成的影响程度及范围;探索了压燃式发动机燃用宽馏程燃料稳态工况与瞬态工况燃烧及排放的差异,揭示了燃料化学及缸内活化热氛围对燃烧及排放的作用机理与影响机制。研究中基于实时数据采集及存储系统,设计搭建了压燃式发动机预混合燃烧试验测控平台。基于CAN通讯技术开发了燃油喷射控制系统及电控EGR系统,实现了发动机进气、喷油及缸内燃烧边界条件的主动控制和柔性调节;基于TSI 3090微粒粒径分析仪及自行设计开发的发动机排气二级稀释系统,建立了柴油机瞬态工况微粒粒度分布测试系统,可满足瞬态工况微粒粒度分布测试的要求;基于索氏萃取法、色谱分析法建立了排气颗粒物排放特性分析平台,开发了排气单循环采样系统,能够对瞬变过程单一循环排气进行准确采样,为排气微粒排放成分的深入分析创造了条件。研究结果表明:1.燃料理化特性及燃烧边界条件是影响发动机燃烧过程及排气污染物排放的重要因素。对于预混合燃烧过程,适当增加喷油提前角,有助于提高燃烧定容度,改善热效率,但过早喷油反而对热效率产生不利的影响。通过提高燃油喷射压力,有助于进一步促进油气混合,减少局部过浓区的形成,降低积聚态微粒数量,同时核态微粒比例相应有所提高。通过控制喷油时刻选取适宜的CA50并配合适当的进气氧浓度条件有利于提高热效率、降低排放。燃料核心理化特性对燃烧及排放的影响研究表明,降低燃料十六烷值及改善挥发性均可促进油气进一步混合,增大预混合燃烧量,降低排气烟度。同时,随燃料十六烷值升高,核态微粒总数明显降低,积聚态微粒总数有所升高;燃用挥发性较强燃料时,有助于强化油气混合过程,减少缸内局部过浓区,使积聚态微粒数量排放明显降低。2.在压燃式发动机上应用宽馏程燃料有利于实现预混合燃烧过程。宽馏程燃料组分对燃烧及排放有显著影响,随燃料中汽油组分含量增加,滞燃期延长,挥发性改善,有利于增大预混合燃烧量,降低排气烟度,并改善燃烧定容性。小负荷工况下,燃用过高汽油组分占比的宽馏程燃料会导致CO、HC排放物增加,燃烧效率降低,热效率下降;从保证热效率的角度讲,不宜采用过高汽油组分含量的宽馏程燃料。但在大负荷工况下,采用高汽油含量的宽馏程燃料能够进一步降低排气烟度,且不会导致NOx显著增加,能够在更高负荷工况范围内实现预混合燃烧过程,有助于拓展预混合燃烧过程负荷工况范围。综合考虑不同负荷工况下运行情况,汽油组分占比控制在40%~50%左右较为适宜。3.燃用宽馏程燃料时排气颗粒物更趋于细化,其微粒几何平均粒径较柴油明显降低。大负荷工况下,燃用宽馏程燃料在降低积聚态微粒数量方面更具优势,燃用G50燃料时积聚态微粒数量浓度较柴油降低可达70%以上。从控制颗粒物生成的角度上讲,在低氧浓度氛围下,提高喷油压力对微粒排放的影响和燃用宽馏程燃料的影响可以相互替代,即燃用宽馏程燃料可以提高对更高比例EGR的耐受性,同时可降低对于高喷射压力的需求。在排气颗粒物成分方面,与柴油燃料相比,燃用宽馏程燃料时排气微粒中DS比例有所降低,SOF比例升高。4.燃用宽馏程燃料时能够在不引起NOx排放显著增加的情况下使排气烟度较传统压燃式柴油机有明显改善。同时从能量利用的角度讲,在压燃式发动机中燃用宽馏程燃料能够在一定程度上提高汽油组分的能量利用率,经济性虽然较燃用传统柴油燃料时有所降低,但仍优于传统点燃式汽油机,在提高燃料能量转化效率方面具有一定优势。因此,采用宽馏程燃料可作为实现汽油机与柴油机统一化燃烧过程的有效手段。5.针对燃料特性对燃油喷雾特性的影响,本文设计开发了可控压力及温度的定容喷雾试验系统,搭建了燃料喷雾特性研究平台,并基于AVL Fire软件建立了模拟仿真研究平台,利用高速成像法结合化学动力学模拟分析的手段针对宽馏程燃料对缸内雾化、蒸发、混合、燃烧及排放污染物生成的影响机理进行了深入研究。研究发现,采用宽馏程燃料后,燃料贯穿距离缩短,喷雾锥角增大,油气的宏观混合效果明显改善。燃用宽馏程燃料并配合燃烧边界条件协同控制可优化燃烧路径,避开燃烧过程NOx与soot生成区,降低NOx及微粒排放。通过将柴油与汽油燃料相互混合,可在整体上改变燃料的反应活性,实际燃烧过程中反应活性较强的柴油组分会率先在温度及压力适宜的条件下发生高温放热反应,使缸内局部温度及压力升高,继而引燃反应活性较低的汽油组分。6.燃用宽馏程燃料有助于改善发动机瞬态过程。传统发动机瞬变过程中由于涡轮增压器进气迟滞导致增负荷过程中部分循环燃烧畸变,排气烟度急剧升高,燃用宽馏程燃料时能够降低对于涡轮增压器进气响应性的需求,可显著改善瞬变增负荷过程排气烟度,且在加载速率较大时改善效果更为明显。同时,随宽馏程燃料中汽油组分含量增大,积聚态微粒数量增加较为平缓,当汽油掺入比例达到50%时,在高瞬变率工况积聚态微粒数量相对于稳态工况无明显增加,说明宽馏程燃料在改善瞬变工况积聚态微粒数量排放方面表现出一定潜力。

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