清洁燃料质量研究论文提纲

论文题目：基于煤基合成柴油与活化热氛围调控的内燃机高效清洁燃烧技术研究

摘要：随着燃油耗法规和污染物排放法规的日益严格,能源与环境的可持续发展成为全球关注的焦点。中国具有缺油、少气、多煤的能源结构特点,根据我国的资源分布情况发展替代燃料可以充分发挥我国地域辽阔和资源多样性的优势,因此清洁替代燃料的开发及合成技术得到了各界的关注。同时,内燃机各种新型燃烧模式对燃料特性以及分子结构提出了新的要求,传统燃油的理化性质难以与新型燃烧模式的需求相匹配。因此,根据新型燃烧模式的需求通过替代燃料灵活调整缸内活化热氛围、优化发动机燃烧过程至关重要,近年来通过油机协同技术实现内燃机高效清洁燃烧逐渐成为研究热点。本研究基于国家自然科学基金以及吉林省自然科学基金项目,针对煤基合成柴油在压燃式发动机上的应用问题,基于燃料理化特性与燃烧模式协同配合的思想,探究煤基合成柴油/丁醇混合燃料活性控制燃烧以及双燃料喷射活化分层燃烧、煤基合成柴油/汽油双燃料喷射活化分层燃烧对于压燃式发动机燃烧过程以及排放污染物的影响。配合进气参数和喷油参数等燃烧边界条件调整,探索通过燃料理化特性以及活化热氛围调整实现压燃式发动机高效清洁燃烧的潜力,确定与燃料特性以及燃烧模式相匹配的燃烧边界条件控制策略。同时利用光学可视化研究与数值模拟分析的手段,探究燃料理化特性与燃烧边界条件对于混合气形成、燃烧过程、火焰发展及污染物生成历程的影响机理与作用机制。研究中以一台电控高压共轨四气门柴油机为基础,基于开放式ECU搭建了具有进气道喷射以及缸内直喷两套燃油喷射系统的热力学发动机试验测试平台。自行设计搭建二级模拟增压系统以及冷却EGR系统实现进气参数的灵活调节,基于电涡流测功机、燃烧分析仪、高响应的瞬态排放分析仪构建了发动机燃烧及排放测控系统,实现了压燃式发动机的燃烧与排放实时测试与分析。基于一台四冲程单缸立式水冷发动机和高速摄像机搭建了光学可视化测试平台,实现了压燃式发动机缸内火焰发展历程的采集和分析。基于本研究中所采用的热力学发动机耦合煤基合成柴油化学反应机理搭建可实现煤基合成柴油/汽油双燃料喷射活化分层燃烧三维模拟仿真平台,为从化学反应动力学角度深入分析压燃式发动机燃烧过程创造了条件。主要研究内容及结论如下:1、试验研究了燃用煤基合成柴油与国VI石化柴油对压燃式发动机燃烧过程及污染物排放的影响,研究发现相对于低芳烃含量的国VI石化柴油,煤基合成柴油具有较高的反应活性、十六烷值过高,在压燃式发动机中燃用煤基合成柴油滞燃期缩短,预混合燃烧比例减小、预混合燃烧与扩散燃烧边界明显。由于扩散燃烧比例高,燃烧持续期延长,因此相对于燃用石化柴油,燃用煤基合成柴油能够降低发动机的NOx排放但其颗粒物质量排放有所增加。2、针对纯煤基合成柴油燃烧存在的预混合燃烧比例不足的问题,采用煤基合成柴油/丁醇混合燃料活性控制以及双燃料喷射活化分层的燃烧方式灵活调控缸内活化热氛围进而改善发动机性能,研究发现两种燃烧模式均有利于提高预混合燃烧比例、改善混合气形成,有利于降低颗粒物排放。其中煤基合成柴油/丁醇活性控制与活化分层燃烧中通入EGR能够显著降低引入丁醇带来的高NOx排放,缓解NOx排放与颗粒物排放的trade-off关系。丁醇汽化潜热较大以及燃烧相位推迟等因素导致煤基合成柴油/丁醇活性控制燃烧的热效率相对于纯煤基合成柴油燃烧较低。相对于煤基合成柴油/丁醇活性控制燃烧模式,进气道喷射丁醇、缸内直喷煤基合成柴油的活化分层燃烧模式能够调整燃料缸内空间分布实现混合气反应活性的分层,从而更加灵活的调控缸内活化热氛围以达到更高的预混燃烧比例,因此活化分层燃烧过程中燃烧持续期更短、热效率水平与纯煤基合成柴油燃烧相当。但活化分层模式在进气和压缩冲程中残留在活塞环与缸套之间的丁醇燃料难以完全燃烧会产生较高的HC和CO排放。通过优化燃油喷射策略以及EGR率,活化分层燃烧模式下丁醇比例为30%时的排放最优点相对于燃用纯煤基合成柴油的排放最优点NOx排放降低了49.5%,颗粒物排放降低了40.9%。3、利用基于光学发动机的可视化平台,对煤基合成柴油/丁醇混合燃料活性控制以及双燃料喷射活化分层燃烧模式下的火焰发展历程以及缸内温度场分布进行研究,发现煤基合成柴油/丁醇混合燃料活性控制以及双燃料喷射活化分层燃烧均能够有效降低压燃式发动机燃烧过程中的火焰面积和火焰自然发光度,缸内平均温度降低、温度场分布更加均匀,有利于降低碳烟KL因子进而抑制碳烟生成,其中活性控制燃烧效果更好。活化分层燃烧模式中进气道预喷的丁醇在压缩过程中开始低温反应先期形成了利于着火的自由基,能够加快煤基合成柴油的后期扩散燃烧速度。相对于活性控制燃烧仅在缸壁周围形成火焰团,煤基合成柴油/丁醇活化分层燃烧过程在气缸中心区域和缸壁周围均形成了明显的火焰团。4、为提高缸内燃烧反应活性梯度实现燃烧放热规律的灵活调控,进一步提高热效率实现高效清洁燃烧,采用反应活性及汽化潜热更低的汽油作为进气道喷射燃料,基于双燃料喷射热力学发动机对煤基合成柴油/汽油双燃料喷射活化分层燃烧模式进行了试验研究。研究表明,在进气道预喷汽油的双燃料喷射活化分层燃烧模式中,缸内直喷高反应活性的煤基合成柴油代替石化柴油能够增大混合气反应活性梯度,有利于进一步提高发动机指示热效率,同时有助于降低压力升高率峰值进而拓展活化分层燃烧模式的负荷范围。煤基合成柴油/汽油双燃料喷射活化分层燃烧模式中需结合发动机工况选择最佳的直喷时刻和汽油比例,在保证压力升高率不超限的基础上获得较高的热效率。通过燃油喷射策略优化,相对于石化柴油/汽油活化分层燃烧模式,采用煤基合成柴油/汽油活化分层燃烧模式使发动机指示热效率提高2%,同时压力升高率峰值和NOx排放分别降低了46.1%和20.1%。相对于纯煤基合成柴油直喷燃烧模式,煤基合成柴油/汽油活化分层燃烧模式的指示热效率提高了6.7%、颗粒物质量排放降低了19.8%而NOx排放变化不大。5、基于数值模拟分析平台,针对煤基合成柴油/汽油双燃料喷射活化分层燃烧模式下的燃料蒸发、雾化混合、燃烧过程及主要污染物生成历程进行了研究。结果表明,煤基合成柴油/汽油双燃料喷射活化分层燃烧模式中提高汽油比例有利于减少扩散燃烧比例从而使温度场分布更加均匀,当汽油比例超过一定限度时可以从温度场分布中明显观察到汽油自燃的过程。活化分层燃烧模式中在气缸中预混的汽油会提前进行低温反应为直喷燃料着火储备一定比例的活性自由基,有利于促进高温反应进行,抑制碳烟前驱物生成。提前喷油能够加速燃烧过程同时改善温度场分布的均匀性,早喷能够显著改善缸内油气混合情况从而抑制碳烟排放。

关键词：压燃式发动机;煤基合成柴油;燃料组分活性控制;双燃料喷射活化分层;燃烧放热过程;排放污染物

学科专业：动力工程及工程热物理

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 内燃机新型燃烧模式的研究进展

1.2.1 均质压燃技术(HCCI)

1.2.2 预混合压燃技术(PCCI)

1.2.3 基于双燃料喷射的反应活性控制压燃技术(RCCI)

1.3 内燃机替代燃料技术的研究进展

1.3.1 醇类燃料发展现状

1.3.2 煤基合成燃料(CTL)发展现状

1.4 发动机光学诊断技术的研究进展

1.4.1 光学发动机国内外研究进展

1.4.2 光学测试方法国内外研究进展

1.5 论文的基本思路与主要研究内容

1.5.1 基本思路和方案

1.5.2 主要研究内容

第2章 试验研究平台建立及测试分析方法

2.1 热力学试验平台及测控系统

2.1.1 试验台架

2.1.2 试验发动机

2.1.3 缸压采集及燃烧数据分析

2.1.4 污染物排放测试系统

2.2 光学可视化平台及测试方法

2.2.1 光学发动机及其测试平台

2.2.2 高速摄像及图像处理方法

2.2.3 双色法及亮温标定

2.3 数值模拟仿真平台

2.3.1 三维仿真模型的建立

2.3.2 网格划分和求解器设置

2.3.3 计算模型选择

2.3.4 化学反应机理介绍及模型验证

2.4 本章小结

第3章 缸内直喷煤基合成柴油及其丁醇混合燃料对燃烧及排放影响的试验研究

3.1 煤基合成柴油与石化柴油燃烧过程及污染物排放对比分析

3.1.1 试验方案

3.1.2 燃烧过程对比分析

3.1.3 污染物排放对比分析

3.2 煤基合成柴油/丁醇活性控制燃烧热力学研究

3.2.1 燃烧过程对比分析

3.2.2 污染物排放对比分析

3.2.3 燃油喷射策略的影响

3.2.4 EGR的影响

3.3 煤基合成柴油/丁醇活性控制燃烧可视化研究

3.3.1 试验方案及试验燃料

3.3.2 丁醇比例对火焰发展及碳烟生成历程的影响

3.3.3 喷油定时对火焰发展及碳烟生成历程的影响

3.4 本章小结

第4章 煤基合成柴油/丁醇双燃料喷射活化分层对发动机燃烧及排放影响的试验研究

4.1 进气道喷射丁醇比例及EGR对活化分层燃烧的影响

4.1.1 试验方案

4.1.2 燃烧过程对比分析

4.1.3 污染物排放对比分析

4.2 煤基合成柴油/丁醇活化分层燃烧边界条件优化

4.3 煤基合成柴油/丁醇活化分层燃烧可视化研究

4.3.1 试验方案

4.3.2 进气道喷射丁醇比例对火焰发展及碳烟生成历程的影响

4.3.3 直喷时刻对火焰发展及碳烟生成历程的影响

4.4 本章小结

第5章 双燃料喷射模式直喷燃料特性及燃烧边界条件调控实现高效清洁燃烧试验研究

5.1 煤基合成柴油/汽油与石化柴油/汽油活化分层燃烧模式对比

5.1.1 试验方案

5.1.2 直喷燃料特性对燃烧过程的影响规律分析

5.1.3 直喷燃料特性对污染物排放的影响规律分析

5.2 喷油策略对煤基合成柴油/汽油活化分层发动机燃烧及排放的影响

5.2.1 低负荷下直喷时刻对燃烧及排放的影响

5.2.2 高负荷下直喷时刻对燃烧及排放的影响

5.2.3 喷射策略优化研究

5.3 EGR对煤基合成柴油/汽油活化分层发动机燃烧及排放的影响

5.3.1 试验方案

5.3.2 燃烧过程的影响

5.3.3 污染物排放的影响

5.4 本章小结

第6章 煤基合成柴油/汽油双燃料喷射活化分层燃烧机理研究

6.1 汽油比例对煤基合成柴油/汽油活化分层燃烧的影响

6.1.1 汽油比例对混合气形成及燃烧过程的影响

6.1.2 汽油比例对污染物生成历程的影响

6.2 直喷时刻对煤基合成柴油/汽油活化分层燃烧的影响

6.2.1 直喷时刻对混合气形成及燃烧过程的影响

6.2.2 直喷时刻对污染物生成历程的影响

6.3 本章小结

第7章 全文总结与工作展望

7.1 全文总结

7.2 本文主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

作者简介及科研成果

致谢