高EGR、水乳化柴油、富氧进气协同作用的高效清洁燃烧机理研究

内燃机富氧燃烧不但可以显著降低颗粒物和碳烟的排放，而且还能够提高燃烧热效率、增加发动机功率密度，缩短滞燃期和容许使用低质燃料。因此，有关内燃机富氧燃烧的越来越受到重视。但是在未采取特别的技术措施的情况下，NOx的排放则会显著增加。本申请项目拟以柴油机作为研究对象，以进气中吸入富氧气体作为富氧来源，开展内燃机富氧燃烧理论和技术的研究。以提高内燃机热效率和降低NOx、HC和PM为目标，提出高EGR、水乳化柴油、富氧进气协同作用的内燃机富氧燃烧过程优化控制的学术思想，并从燃烧理论出发，寻求EGR、水乳化柴油、富氧进气的自变量以及组合变量结合内燃机燃烧过程控制参数优化的方法和技术。定量地揭示EGR、水乳化柴油、富氧进气对富氧燃烧过程的影响规律和影响机理，对关键的运行参数进行重新考察以寻求NOx-颗粒以及NOx-燃油消耗率的最佳兼顾方式。对探索内燃机燃烧新理论及新技术具有重要的学术价值和理论意义。

在柴油机上应用进气富氧技术不但可以显著降低碳烟的排放，而且还能够提高燃烧热效率、增加发动机功率密度。为此，国内外研究人员对柴油机富氧燃烧技术和理论进行了积极的探索。本文采取实验研究与模拟研究相结合的方法，采用进气富氧、EGR及水乳化柴油三种技术手段，探索进气氧浓度与EGR率及乳化柴油含水量对增压柴油机燃烧与排放的影响规律，对进气富氧技术的发展与完善具有一定的促进作用。.在增压中冷柴油机上应用自行设计的氧气供给系统，进行EGR为0%（不掺废气）、21%、32%、48%和50%五组对比，每一组进行氧浓度为21%（正常大气氧浓度）、22%、23%和24%的对比试验。研究发现：不掺EGR的情况下使用富氧燃烧，NOx的排放将随氧浓度的上升而大幅增加。富氧进气与高比率冷EGR相结合，可以显著降低Smoke并抑制NOx过度增长，同时保证发动机的燃烧热效率和输出功率不过分降低。富氧与EGR的合理配合可从机内净化的角度实现NOx-Smoke的同时降低，不同工况NOx-Smoke低排放区大小及形状均不相同。.在直喷柴油机上采用进气增氧技术（氧气体积分数为21%、23%、25%和30%）燃用不同掺水比乳化柴油（水在乳化柴油中的体积分数为0％、10％、20％和30％）的循环变动及燃烧特性研究；试验工况为发动机经济转速中等负荷（1600r/m 100Nm），采集二十个连续循环，取最大爆发压力值，计算循环变动率，并进行燃烧分析。研究结果表明：在纯柴油条件下，随氧含量的增加，缸内最大爆发压力增加，循环变动率降低，燃烧始点提前；在使用乳化柴油时，着火点随水乳化率的增加而推后；含水量达30%时，着火延迟加大，燃烧组织恶化，循环变动加大。.基于AVL-FIRE与CHEMKIN软件，对增压柴油机进气富氧燃烧的工作过程进行了模拟耦合计算，获得了缸内压力、缸内气体平均温度、各种反应组分的质量分数等燃烧过程参数。计算结果表明，在氧气体积百分数21%~24%的范围内，随着进气氧浓度的增加，最高燃烧压力和最高燃烧温度增加， NOx生成量增加。在氧浓度24%时，掺入10%的CO2实现高EGR下的富氧燃烧，爆发压力和温度大幅下降，缸内的燃烧准备期被明显延长。计算结果与实验结果相互对应，证明能通过数学模型描述柴油机缸内的富氧燃烧。