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        重型柴油機(jī)中參數(shù)對系統(tǒng)燃燒排放的影響

        2023-11-27 07:37:54郭俊寶紀(jì)新春高志雄
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年20期

        郭俊寶 紀(jì)新春 康 毅 高志雄 魏 達(dá)

        (山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037036)

        隨著技術(shù)的持續(xù)升級,內(nèi)燃機(jī)有了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性,它在生產(chǎn)建設(shè)、道路運輸和機(jī)械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中是一種不可缺少的動力機(jī)械[1]。使用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)將能量轉(zhuǎn)化為工業(yè)價值的同時,產(chǎn)生大量的污染物。內(nèi)燃機(jī)排放的污染物主要是NOx,該類污染物對環(huán)境和人體健康安全都存在危害,因此減少內(nèi)燃機(jī)的污染物排放迫在眉睫[2]。為了保障國家能源安全,采取的一個重要措施是在能源使用領(lǐng)域內(nèi)提高能源使用效率,這樣可以減少碳排放,減輕溫室效應(yīng),也可以降低石油需求的增速,降低其對外依賴度[3]。傳統(tǒng)柴油機(jī)使用擴(kuò)散燃燒方法,燃燒性能不夠理想,有害物質(zhì)排放多。研究主題是對柴油機(jī)的燃燒和排放性能的影響進(jìn)行研究,并提高熱效率,減少有害排放;研究的創(chuàng)新性在于擯棄傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的擴(kuò)散燃燒方法,選擇高充量強(qiáng)混合技術(shù),對燃燒過程中的油氣混合進(jìn)行強(qiáng)化,來提升柴油機(jī)大負(fù)荷工況下的性能。

        1 強(qiáng)混合技術(shù)對重型柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)及參數(shù)對燃燒和排放的影響

        1.1 進(jìn)氣和噴油系統(tǒng)參數(shù)對柴油機(jī)大負(fù)荷工況下燃燒的影響

        重型柴油機(jī)在大負(fù)荷工況下的噴油量較大,難以應(yīng)用新型的燃燒模式,因此多采用傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒方法。為提高熱效率,需要采取措施來提升油氣混合速率。在單缸柴油機(jī)中,通過改變進(jìn)氣參數(shù)來改變對氣體的壓力、密度及循環(huán)油量對燃燒過程和有害物質(zhì)排放的影響。在噴油的瞬間,缸內(nèi)的充量密度會對噴霧的破碎、霧化和蒸發(fā)產(chǎn)生很大的影響[4]。環(huán)境密度在20kg/m3~100kg/m3,環(huán)境溫度為800K。在柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中,進(jìn)氣壓力是一個重要的邊界條件,它與有效壓縮比共同決定了上止點瞬間的充量密度。在發(fā)動機(jī)的壓縮過程中,花費的時間短暫,可以看作絕熱壓縮過程?;诶硐霘怏w狀態(tài)方程可知,上止點充量密度計算如公式(1)所示。

        式中:Pb為進(jìn)氣壓力;Tin為進(jìn)氣溫度;ε為發(fā)動機(jī)有效壓縮比,ρtdc為上充量密度;Ptdc為壓縮上止點壓力;Ttdc為壓縮上止點溫度。從公式(1)可以看出,當(dāng)進(jìn)氣溫度保持不變時,增大進(jìn)氣壓力可以增大氣體充量密度,以此增加缸內(nèi)的氧氣含量,來提高其燃燒效率。研究對不同充量密度對柴油機(jī)的大負(fù)荷工況下油氣混合狀態(tài)、燃燒過程、有害氣體排放的影響,在溫度為330K的條件下進(jìn)行試驗,對進(jìn)氣壓力和循環(huán)油量進(jìn)行調(diào)節(jié)來改變充量密度。設(shè)置試驗參數(shù)見表1。

        表1 試驗參數(shù)設(shè)置

        1.2 基于強(qiáng)混合技術(shù)改進(jìn)重型柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)

        雖然增大充量密度可以提高缸內(nèi)的油氣混合速率,改善燃燒性能,但是缸體存在壓力項指控,充量密度增加是有限的,壓力過高會給柴油機(jī)帶來更多的負(fù)擔(dān),不利于延長柴油機(jī)的壽命[5]。為進(jìn)一步提升燃油的混合率,提出一種采用預(yù)燃室與主燃室相結(jié)合的新型預(yù)燃室射流擾動技術(shù),利用其在主燃燒室中產(chǎn)生的劇烈湍流,加速主燃燒室中的燃油混合,并在大尺度射流擾動與大范圍小尺度湍流的聯(lián)合作用下,提升燃料的燃燒速率與定容,最終實現(xiàn)柴油的準(zhǔn)均質(zhì)燃燒。將預(yù)燃室和主燃燒室進(jìn)行結(jié)合,主燃燒室和預(yù)燃室都布置了噴油器來承擔(dān)放熱,預(yù)燃室主要負(fù)責(zé)形成強(qiáng)烈的擾動射流,加速主噴燃油的快速混合和燃燒放熱,而主燃室內(nèi)燃油的燃燒是主要的功率輸出。不同燃燒系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

        圖1 不同燃燒系統(tǒng)的示意圖

        研究中,為探索預(yù)燃室射流對主燃室內(nèi)燃油的油氣混合效果以及改善指示熱效率的潛力,可以將主燃室內(nèi)的燃油流動和燃燒過程準(zhǔn)確地反映出來。使用一種標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)模型,并研究了有無預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)間的差異。

        2 改進(jìn)后的柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的效果對比及參數(shù)在大負(fù)荷工況下對燃燒系統(tǒng)的影響

        2.1 改進(jìn)重型柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)改進(jìn)效果分析

        在改善前、改善后的柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)中,預(yù)燃室對缸內(nèi)壓力、瞬間熱效率以及缸內(nèi)平均溫度的影響如圖2所示。

        圖2 預(yù)燃室對缸內(nèi)壓力、瞬時放熱率和缸內(nèi)平均溫度的影響

        如圖2所示,在上止點處,由于預(yù)燃室的形狀發(fā)生變化,在上止點處腔體的空間增大,壓縮比降低,因此缸內(nèi)壓力峰值小于參考缸。由于主燃室的最高爆裂壓力與參考缸接近,因此也能夠滿足高爆燃要求。同時,在上止點后,預(yù)燃室中的燃料在燃燒后將與主燃室間形成6MPa的壓差,同時也在主燃室中生成一股高速射流,對主燃室的燃燒進(jìn)行干預(yù)。從瞬態(tài)放熱速率變化規(guī)律來看,加入預(yù)燃器射流使瞬態(tài)放熱速率的峰值增大,并使燃燒終止時間提前。從缸內(nèi)平均溫度變化曲線可以看出,壓縮比降低,Case0上止點溫度低于基準(zhǔn)Case,但是溫升速率得到了提升,并且最高燃燒溫度超過基準(zhǔn)Case,這說明射流可以提升主燃室燃油的放熱速度,降低排氣溫度,減少排氣損失。

        2.2 進(jìn)氣壓力參數(shù)和循環(huán)油量對柴油機(jī)大負(fù)荷工況下燃燒的影響

        該文分析了不同充量密度對柴油機(jī)的大負(fù)荷工況下油氣混合狀態(tài)、燃燒過程、有害氣體排放的影響,當(dāng)溫度為330K時進(jìn)行試驗,隨著進(jìn)氣壓力變化,上止點充量密度的變化情況如圖3所示。

        圖3 上止點充量密度隨進(jìn)氣壓力的變化

        隨著進(jìn)氣溫度和有效壓縮比增加,充量密度也會隨之增加,這表明內(nèi)燃機(jī)在上止點時刻燃燒的每個體積單位中含有更多的氧氣。因此,試驗結(jié)果表明,對一個理想的內(nèi)燃機(jī)來說,充量密度呈線性增長。為更好地了解不同進(jìn)氣壓力下的瞬間放熱率,可以通過對不同進(jìn)氣壓力下瞬間放熱效率的研究來了解內(nèi)燃機(jī)在不同工況下的運行狀態(tài)。試驗結(jié)果表明,在不同進(jìn)氣壓力下,瞬間放熱效率都有一定的變化,其變化趨勢如圖4所示。

        圖4 不同進(jìn)氣壓力下的瞬時放熱率

        如圖4所示,隨著進(jìn)氣壓力升高,瞬時放熱效率增大,燃燒時間顯著下降,更集中,因為擴(kuò)散燃燒的放熱線效率是由油氣混合速率決定的。隨著進(jìn)氣壓力增大,充量密度增加,增加進(jìn)氣壓力可以提高燃燒室內(nèi)單位體積氣體中的含氧量,更好地促進(jìn)油氣混合。柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的有害物質(zhì)中的主要成分為燃燒不完全產(chǎn)生的CO氣體、未燃燒的HC、碳煙Soot和氮氧化合物NOx。研究主要對其中的CO氣體和HC進(jìn)行探究,不同循環(huán)油量影響的進(jìn)氣壓力對CO氣體和HC排放量影響如圖5所示。

        圖5 不同循環(huán)油量下CO、HC排放隨進(jìn)氣壓力變化

        如圖5(a)所示,當(dāng)?shù)瓦M(jìn)氣量時,CO的排放相對較高,且隨進(jìn)氣量增大而減少。在不同的訓(xùn)練油量下,CO排放有很大的差異。當(dāng)不同的訓(xùn)練油量為170mg、180mg、200mg時,CO的排放會急劇上升,這是因為CO的氧化主要發(fā)生在熱焰反應(yīng)階段,OH自由基是CO氧化為CO2的必要條件。在較低的進(jìn)氣壓力條件下,缸內(nèi)絕對氧含量較少。隨著循環(huán)油量增加,當(dāng)量比大于1的燃油濃區(qū)就會相應(yīng)增大。在燃燒過程中,因為氧氣不足,OH自由基的生成也會減少,最終導(dǎo)致大量CO不能被氧化,低進(jìn)氣壓力下的不完全燃燒損失主要是因為CO排放。如圖5(b)所示,隨著進(jìn)氣口壓力增加,HC排放呈遞增趨勢,這是因為隨著進(jìn)氣壓力增加,活塞與氣缸壁間的間隙逐漸變小,導(dǎo)致混合氣過稀。在高進(jìn)氣口壓力下,可能會造成過多的混合,形成“過稀區(qū)”。降低燃燒室溫度也不利于 HC的氧化,進(jìn)氣門關(guān)閉時間延長,HC在缸內(nèi)的氧化反應(yīng)受到抑制。HC排放隨著進(jìn)氣口壓力增加而增加。HC排放是高進(jìn)氣口不完全燃燒損失的主要原因。

        3 結(jié)論

        重載柴油發(fā)動機(jī)在大負(fù)載下的能耗較高,其擴(kuò)散燃燒速率及有害氣體的排放與燃料中的油氣混合有關(guān)。提高油氣混合速度是實現(xiàn)大負(fù)載條件下燃料高效清潔燃燒的關(guān)鍵。研究利用高密度的混合基團(tuán)來增強(qiáng)油氣混合,使燃料迅速燃燒,從而提高柴油機(jī)在大負(fù)載條件下的機(jī)械性能。試驗表明,隨著進(jìn)氣壓力增加,汽油在缸內(nèi)的濃度增加,汽油在缸內(nèi)的平均溫度下降,汽油在缸內(nèi)的摻混速度加快,對尾氣中有害物質(zhì)的改善作用顯著,當(dāng)循環(huán)油量為170mg、180mg、200mg時,CO排放量上升。當(dāng)循環(huán)油量為150mg時CO排放量最低,當(dāng)循環(huán)油量為190mg時HC排放量最低。當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.36MPa時瞬間放熱率最大。柴油機(jī)的進(jìn)氣和噴射參數(shù)直接影響缸內(nèi)燃料的摻混以及柴油機(jī)的燃燒和排放特性。

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