輕型車用柴油機(jī)預(yù)混合低溫燃燒機(jī)理及排放控制研究.pdf

1、柴油機(jī)的燃燒過程對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有著舉足輕重的影響。隨著內(nèi)燃機(jī)日益向高效節(jié)能與環(huán)保方向發(fā)展，突破柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒模式下有害排放物的生成極限，新一代內(nèi)燃機(jī)燃燒理論與技術(shù)的創(chuàng)新研究成為了各國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)。本文針對(duì)小缸徑輕型車用柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、均質(zhì)混合氣制備和燃燒過程組織困難的特點(diǎn)，開展了基于適時(shí)早噴結(jié)合高比例冷卻EGR實(shí)現(xiàn)預(yù)混合低溫燃燒的研究。通過缸內(nèi)工作過程可視化、缸內(nèi)壓力采集、臺(tái)架性能試驗(yàn)及燃燒過程三維數(shù)值模擬計(jì)

2、算，系統(tǒng)的研究了燃油噴射策略、進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)及燃油在燃燒室內(nèi)的空間分布對(duì)預(yù)混合低溫燃燒過程和污染物排放的影響規(guī)律，探索小缸徑柴油機(jī)均質(zhì)混合氣制備、低溫燃燒過程控制的有效途徑，以達(dá)到高效清潔燃燒的目標(biāo)，為預(yù)混合低溫燃燒技術(shù)的工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。
　　 研究首先通過缸內(nèi)燃燒過程可視化試驗(yàn)，探明提前噴射和降低進(jìn)氣氧濃度對(duì)實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒和降低燃燒溫度的作用機(jī)理，驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)預(yù)混合低溫燃燒的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明:噴射正時(shí)提前有利于延長油氣混合

3、時(shí)間，顯著減少著火和燃燒過程中的擴(kuò)散火焰，是實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒的有效措施;早噴射策略下，預(yù)混合燃燒比例增加，缸內(nèi)碳煙生成區(qū)域顯著減小，且高濃度區(qū)域所占的比例較低;高比例EGR的引入，使氧濃度減少，進(jìn)一步延長油氣混合時(shí)間，提高油氣混合質(zhì)量，減少擴(kuò)散燃燒;隨著進(jìn)氣氧濃度的降低，擴(kuò)散火焰明亮程度減弱，缸內(nèi)擴(kuò)散火焰面積和缸內(nèi)碳煙生成區(qū)域均呈現(xiàn)減少的趨勢，但是碳煙高濃度區(qū)域所占比例略有上升。
　　 基于缸內(nèi)壓力采集和臺(tái)架性能試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了噴

4、射正時(shí)、噴射壓力、進(jìn)氣氧濃度、進(jìn)氣溫度等燃燒控制參數(shù)對(duì)預(yù)混合低溫燃燒過程和排放性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明:采用提前噴射策略，延長滯燃期、改善滯燃期內(nèi)的油氣混合是降低碳煙排放的關(guān)鍵;降低進(jìn)氣氧濃度能有效控制預(yù)混合燃燒溫度，抑制NOx污染物生成，推遲預(yù)混合燃燒過早的燃燒相位，有利于提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性;10％和25％負(fù)荷工況下，提高噴射壓力能夠同時(shí)改善預(yù)混合低溫燃燒模式下的NOx和碳煙的排放，中等負(fù)荷工況下，噴射壓力的提高導(dǎo)致NOx排

5、放上升和燃油經(jīng)濟(jì)性下降;預(yù)混合低溫燃燒模式下通過降低進(jìn)氣溫度推遲過早的燃燒相位，有利于提高燃燒效率，同時(shí)降低缸內(nèi)燃燒溫度，抑制NOx的生成，10％負(fù)荷工況，適當(dāng)?shù)奶岣哌M(jìn)氣溫度有利于減少碳煙排放，25％和50％負(fù)荷工況，進(jìn)氣中冷對(duì)降低碳煙排放有著顯著的效果。
　　 多次噴射策略是拓展預(yù)混合低溫燃燒運(yùn)行區(qū)域，改善NOx和碳煙排放Trade-off關(guān)系的有效措施。預(yù)噴射的引入，減小了主噴油量的同時(shí)縮短主噴燃油的著火滯燃期，放熱相位提前

6、，放熱率峰值下降，能夠有效抑制NOx的生成，不同的預(yù)噴射參數(shù)對(duì)碳煙排放有著不同的影響。后噴射的引入對(duì)燃燒過程的影響主要是降低主噴燃油的燃燒放熱率和提升主噴燃油放熱后期缸內(nèi)溫度。引入后噴射后NOx能夠得到有效改善，碳煙的排放則與后噴射參數(shù)的調(diào)節(jié)有關(guān)，只有在適當(dāng)?shù)恼龝r(shí)下實(shí)施適量的后噴射才能同時(shí)改善NOx和碳煙排放。通過不同負(fù)荷工況下預(yù)混合低溫燃燒過程和排放的優(yōu)化，確定了實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的關(guān)鍵控制參數(shù)和控制策略。10％、25％和50％負(fù)荷工況

7、NOx排放與原機(jī)相比分別降低97.8％、80.7％和72.6％，碳煙排放分別降低76.1％、93.9％和74.3％，有效燃油消耗率僅分別上升3.6％、4.7％和2.8％。
　　 最后從減少試驗(yàn)工作量和提高研究效率的角度出發(fā)，借助AVLFire計(jì)算軟件建立柴油機(jī)預(yù)混合低溫燃燒數(shù)值模擬計(jì)算模型，為更加深入有效的開展預(yù)混合低溫燃燒基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究創(chuàng)造了條件。通過柴油機(jī)預(yù)混合低溫燃燒三維數(shù)值模擬計(jì)算，研究了燃油油束在燃燒室內(nèi)的軸向分布