基于燃料設(shè)計(jì)與管理的HCCI-DI分層復(fù)合燃燒的試驗(yàn)研究.pdf

1、均質(zhì)壓燃著火(HCCI)燃燒由于其高效率低排放的突出優(yōu)點(diǎn)成為近年來國(guó)際內(nèi)燃機(jī)界研究的熱點(diǎn)。但是由于HCCI燃燒的著火是由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制的,缺乏直接的著火控制手段,導(dǎo)致其著火時(shí)刻和燃燒速率難以有效控制,負(fù)荷拓展問題難以解決。本文提出的基于燃料設(shè)計(jì)與管理的HCCI/DI分層復(fù)合燃燒是一種將HCCI燃燒和傳統(tǒng)缸內(nèi)直噴壓燃(DICI)融為一體的新型燃燒方式,通過對(duì)燃料理化特性的設(shè)計(jì)和在預(yù)噴與直噴階段從時(shí)間尺度和空間尺度上對(duì)均質(zhì)和非均質(zhì)混合氣

2、制備過程的控制和管理,在發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中將均質(zhì)混合氣的HCCI燃燒和非均質(zhì)混合氣的DICI擴(kuò)散燃燒相融合,徹底消除了HCCI燃燒在小負(fù)荷失火和大負(fù)荷爆震的弊病,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷范圍內(nèi)的高效清潔燃燒。
　　 本文首先采用雙燃料的方式,對(duì)正庚烷/柴油、異辛烷/柴油、乙醇/生物柴油這三種雙燃料組合的HCCI/DI分層復(fù)合燃燒與排放特性進(jìn)行深入研究和比較分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:預(yù)噴正庚烷結(jié)合缸內(nèi)直噴柴油的HCCI/DI分層復(fù)合燃燒是

3、由正庚烷HCCI低溫放熱、高溫放熱和柴油擴(kuò)散燃燒組成的三階段放熱。異辛烷/柴油和乙醇/生物柴油HCCI/DI分層復(fù)合燃燒沒有明顯的低溫放熱反應(yīng),是兩階段燃燒。三種不同雙燃料組合的HCCI/DI分層復(fù)合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率與原機(jī)DICI模式相當(dāng),NOx明顯下降,HC和CO排放介于HCCI和DICI之間,并且異辛烷/柴油和乙醇/生物柴油還能同時(shí)降低煙度。研究發(fā)現(xiàn)燃料理化特性決定了分層復(fù)合燃燒的特性；預(yù)混合率決定了預(yù)混合燃燒與擴(kuò)散燃燒的比例,影響

4、分層復(fù)合燃燒放熱在時(shí)間和空間上的分布；缸內(nèi)直噴時(shí)刻決定擴(kuò)散燃燒的相位,是優(yōu)化分層復(fù)合燃燒的重要參數(shù)。
　　 基于燃料設(shè)計(jì)與管理思想,本文針對(duì)進(jìn)氣道預(yù)噴可變辛烷值參比燃料,缸內(nèi)直噴正庚烷的HCCI/DI分層復(fù)合燃燒,系統(tǒng)考察預(yù)噴燃料辛烷值,預(yù)混合率以及缸內(nèi)直噴時(shí)刻這三個(gè)因素對(duì)分層復(fù)合燃燒相位、放熱形態(tài)與分布、發(fā)動(dòng)機(jī)效率和排放的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):進(jìn)氣道預(yù)噴燃料辛烷值決定了第一和第二階段放熱相位和形態(tài),進(jìn)一步對(duì)第三階段放熱有重要影響。辛

5、烷值為50的參比燃料最適合作為分層復(fù)合燃燒的預(yù)噴燃料,在相同工況條件下,其指示熱效率最高,NOx排放最低。預(yù)混合率是分層復(fù)合燃燒的關(guān)鍵控制要素,最優(yōu)預(yù)混合率隨負(fù)荷的增大而降低,在中低負(fù)荷時(shí)可以采用較高的預(yù)混合率甚至是完全HCCI,而在中高負(fù)荷則可以采用較低的預(yù)混合率,通過選用最優(yōu)化的預(yù)混合率,可以在全負(fù)荷范圍內(nèi)使發(fā)動(dòng)機(jī)避免爆震并保持很低的NOx排放。缸內(nèi)直噴時(shí)刻主要影響分層復(fù)合燃燒的第三階段擴(kuò)散燃燒。隨著噴油提前角減小,HCCI/DI分

6、層復(fù)合燃燒第三階段擴(kuò)散燃燒峰值明顯降低,缸內(nèi)最高壓力和溫度的下降,燃燒持續(xù)期增大,有助于NOx的降低,但會(huì)引起其它排放的升高和燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化,在本文的試驗(yàn)條件下,綜合考慮熱效率和排放的最佳直噴供油提前角為180CA BTDC。通過對(duì)燃料理化特性、預(yù)混合率和缸內(nèi)直噴時(shí)刻這三個(gè)影響因素的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)HCCI/DI燃燒相位、放熱分布和形態(tài)的調(diào)制,使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷拓展到全負(fù)荷,在全負(fù)荷范圍內(nèi)NOx排放低于40×10-6排放水平,HC和CO排放

7、顯著低于HCCI燃燒,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率ηi高于原機(jī)柴油直噴的水平。
　　 進(jìn)一步采用進(jìn)氣道預(yù)噴正庚烷,缸內(nèi)直噴異辛烷,在沒有火花點(diǎn)火和熱EGR的輔助下利用預(yù)噴正庚烷HCCI燃燒產(chǎn)生活化熱氛圍的熱作用和化學(xué)作用引燃缸內(nèi)直噴高辛烷值燃料異辛烷,系統(tǒng)研究了不同預(yù)噴正庚烷當(dāng)量比和缸內(nèi)直噴時(shí)刻對(duì)直噴異辛烷燃燒模式、發(fā)動(dòng)機(jī)效率和排放的影響,并用三維CFD耦合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)其燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)直噴異辛烷的燃燒模式與其噴入缸內(nèi)

8、時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)噴正庚烷HCCI放熱的不同階段有關(guān),通過控制異辛烷直噴時(shí)刻可以實(shí)現(xiàn)其不同燃燒模式的調(diào)制。當(dāng)異辛烷在正庚烷低溫反應(yīng)之前噴入,發(fā)生預(yù)混合燃燒；當(dāng)異辛烷在正庚烷HCCI燃燒負(fù)溫度系數(shù)區(qū)和高溫放熱初期噴入,主要發(fā)生預(yù)混合燃燒；當(dāng)異辛烷在正庚烷HCCI高溫放熱末期或結(jié)束后噴入,則主要發(fā)生擴(kuò)散燃燒。結(jié)果顯示,當(dāng)在正庚烷HCCI高溫反應(yīng)末期噴入,異辛烷主要發(fā)生高溫?cái)U(kuò)散燃燒,對(duì)正庚烷預(yù)噴當(dāng)量比Φp變化不敏感,燃燒穩(wěn)定,熱效率高于原機(jī)柴油直噴的