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上海交通大学
博士学位论文
燃料设计控制发动机燃烧与排放的试验研究
姓名:吕兴才
申请学位级别:博士
专业:动力机械及工程
指导教师:黄震
20050201
上海交通大学博士学位论文
燃料设计控制发动机燃烧与排放的试验研究
摘要
随着汽车保有量的不断增加如何发展高效低排放的发动机已经成为能源与环境
领域的一个重要课题本文从燃料设计的角度来探讨对现有柴油机的燃烧特性和排放
特性的改善潜力同时在新建立的 HCCI 燃烧研究平台上对发动机实现新型高效超低
排放的 HCCI 燃烧模式进行了研究分析了 HCCI 燃烧的着火时刻和燃烧速率的控制
规律
根据燃料设计概念选用多种含氧燃料与柴油以不同比例互溶互混改变燃料的
输运参数和化学特性以不同比例的甲缩醛/柴油混合燃料为研究对象采用激光相位
多普勒技术测试了混合燃料在一定喷射压力下的喷雾特征揭示了甲缩醛/柴油混合
燃料喷雾的粒径和速度分布规律为了考察燃料理化特性对柴油机燃烧和排放特性的
影响在一台高速多缸柴油机上进行了实验研究重点评价了混合燃料的氧含量对柴
油机的性能影响研究发现随着含氧量增加柴油机的烟度排放降低当燃料含氧
量达到 15 时大负荷下的烟度降低 75 以上 NOx 排放降低 15 20 针对乙
醇柴油混合燃料的 HC 排放和低负荷下的 CO 排放升高的问题本文在乙醇柴油混合
燃料中加入适当比例的十六烷值改进剂成功的解决了中低负荷下的 CO 和 HC 排放
升高的问题为了深入了解混合燃料的燃烧特性在一台单缸机柴油机上进行了光学
可视化研究并用三基色法对燃烧火焰照片进行温度场分析实验研究表明相对柴
油而言乙醇柴油混合燃料的着火时刻推迟火焰辉度减弱燃烧持续期缩短最高
燃烧温度降低十六烷值改进剂可以缩短混合燃料的着火延迟
由于 HCCI 燃烧受化学动力学控制因此研究碳氢燃料特别是基础燃料正庚
烷和异辛烷的氧化机理相当重要本文采用数值模拟方法研究了正庚烷和异辛烷
在相同当量比不同进气温度下 HCCI 燃烧过程中第一阶段着火第二阶段着火负
温度系数区 NTC 的典型特点以及反应物一些重要的中间产物和最终生成物的
历程
进一步在发动机上对正庚烷 RON25 RON50 RON75 RON90 和异辛烷在不
同负荷下的 HCCI 燃烧特性和排放特性进行了试验研究系统地分析了燃料辛烷值对
第一阶段反应的着火时刻压力升高量和温度升高量累计放热量和第二阶段反应的
着火时刻燃烧持续期的影响研究发现燃料第一阶段反应对第二阶段着火时刻有显
I
摘要
著的影响针对高辛烷值燃料不容易压燃的缺点本文在 RON90 燃料和异辛烷中加
入一定比例的过氧化二叔丁基 DTBP 达到了控制高辛烷值燃料着火时刻提高燃
烧效率降低排放的目的
影响 HCCI 着火与燃烧的因素相当多包括湍流与缸内流场分布进气温度缸
内废气浓度气缸环境温度冷却温度转速当量比燃料特性等为了发展 HCCI
燃烧的控制策略以得到合适的着火时刻和放热速率对冷却废气再循环进气温度
发动机冷却水温度转速对各种辛烷值燃料 HCCI 燃烧的影响进行了研究
在燃料设计对燃料物理化学特性改善以及各种基础燃料的 HCCI 燃烧和排放特
征的研究基础上对柴油 25 50 75 DMM/柴油和纯 DMM 采用气口喷射方
式进行 HCCI 燃烧研究通过柴油和 DMM 的混合 HCCI 燃烧的运转范围向低转速
高负荷范围得到拓展在大负荷下的较高 NOx 排放采用大比例的冷却 EGR 而降低到
很低的水平
根据本文研究结果提出了针对 HCCI 着火和燃烧速率控制的燃料设计基本原则
关键词发动机燃料设计均质充量压缩着火 HCCI 排放基础燃料 PFR
化学动力学燃烧
II
上海交通大学博士学位论文
Experimental Study on the Control of bustion
and Emissions using Fuel Design Concept
Abstract
With the increase of vehicle population, one key problem in energy and environmental
fields is to develop an engine with high efficiency and ultra-low emissions. Using fuel
design concept, this paper explores potential bustion and emission improvement of
direct injectio