（动力机械及工程专业论文）柴油机富氧燃烧机理及燃烧路径的研究.pdf

摘要 当今世界内燃机行业发展的主旋律是节能与环保。为了实现这一目标，内燃 机研究人员研发出了很多非常有价值的技术，其中柴油机的富氧燃烧技术( o e c ， o x y g e ne n r i c h e dc o m b u s t i o n ) 受到了国内外内燃机研究人员的关注。本文采用试 验研究和数值计算相结合的方法，对柴油机富氧燃烧机理和燃烧路径进行了分析 研究，为柴油机实现清洁燃烧提供了一定的理论指导。 对4 1 0 0 q b z l 一2 柴油机的进排气系统、燃油供给系统进行改造，实现了不同 含氧浓度进气、e g r 和水乳化柴油的在线供给。在该柴油机上分别进行了不同 浓度富氧燃烧、富氧燃烧协同不同比例e g r 和水乳化油的试验研究。同时，运 用三维c f d 耦合正庚烷氧化反应动力学机理的方法对相应工况下柴油机缸内燃 烧进行数值计算。结果表明：富氧燃烧能够提高柴油机的动力性，降低碳烟、 c o 和h c 排放，但会使n o x 的排放恶化。采用富氧燃烧协同e g r 和水乳化油 技术可以降低n o x 排放，存在最佳的协同比例使得在保证动力性不被显著影响 的前提下，实现柴油机碳烟和n o x 的同时降低。 从缸内燃烧反应的化学反应动力学机理出发，利用c h e m k i n 软件和柴油 机三维c f d 燃烧模型耦合正庚烷化学反应动力学模型的方法对柴油机富氧燃烧 时缸内燃烧的低温、中温和高温反应机理中重要的反应过程进行了分析研究。结 果表明：富氧燃烧能够促进正庚烷氧化反应过程中的低温、中温和高温反应的相 关机理，正是这些微观机理上的变化导致了燃烧和排放特性上的宏观变化。 构建了包含p a h 和n o x 生成反应机理的正庚烷氧化反应详细模型，应用该 模型对富氧燃烧柴油机的燃烧路径进行研究。结果表明：本文所构建的正庚烷氧 化反应详细模型具有较高的有效性。柴油机排放物p a h 、s o o t 和n o x 受燃烧温 度和混合气的氧燃比影响很大。富氧燃烧协同e g r 和水乳化油是一项很有发展 前景的技术，经过优化可以实现柴油机碳烟和n o x 的超低排放。提出了两种富 氧燃烧路径控制策略和相应的实施技术措施，为解决富氧燃烧柴油机n o x 排放 恶化的难题提供了一定的理论指导。 关键词：柴油机；富氧燃烧；反应机理；燃烧路径；燃烧特性；排放特性 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h em a i nt h e m eo f t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e i n d u s t r yi se n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i no r d e r t oa c h i e v et h l sg o a l ， r e s e a r c h e r sd e v e l o p e dl o t so fv e r y v a l u a b l et e c h n o l o g i e s t h et e c h n o l o g y o f o x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi s c o n c e r n e db yb o t hd o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c h e r s b a s e do nt h em i x e dr e s e a r c hm e t h o d s o fe x p e r i m e n t a ls t u d ya n d n u m 嘶c a lc a l c u l a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er e a c t i o nm e c h a n i s ma n dc o m b u s t l o n p a t h so ft h eo x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o ni n d i e s e le n g i n e t h er e s u l tc a np r o v i d e c e r t a i nt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rc l e a nc o m b u s t i o no f d i e s e le n g i n e a4 10 0 q b z l - 2d i e s e le n g i n e si n t a ka n de x h a u s ts y s t e mw e r et r a n s f o r m e dt o r e a l i z es u p p l i n gd i f f e r e n to x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n t a k e ，d i f f e r e n tr a t eo fe g ra n d d i f j f e r e n tp r o p o r t i o no fe m u l s i f i e dd i e s e l t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c h so fd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o no x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o n ，o x y g e n e n r i c h e d c o m b u s t i o n w l t n d i 腩r e n tr a t eo fe g ra n dd i f f e r e n tp r o p o r t i o n o fw a t e re m u l s i f i e d f u e lw e r e d e v e l o p e do nt h ed i e s e le n g i n e a tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e s p o n d i n gm l m e n c a l c a l c u l a t i o nw a sc o n d u c t e db yt h em e t h o do f3 dc f d c o d ec o u p l i n gt on h e p t a n e o x i d a t i o nr e a c t i o nm e c h a n i s m r e s u l t ss h o wt h a t ：o x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o nc a r l i m p r o v ed i e s e le n g i n e sp o w e r ，a n dr e d u c es m o k e ，c o a n dh ce m i s s i o n s h o w e v e r ， i tm a k e sn o xe m i s s i o n sw o r s e t h et e c h n o l o g yo fo x y g e n 。e n r i c h e dc o m b u s t i o nw l t h e g ra n dw a t e re m u l s i f i e df u e lc a nr e d u c en o x e m i s s i o n s t h e r ei sab e s to p t i m i c a l r a t et or e d u c eb o t hs m o k ea n dn o xi nt h ep r e m i s eo fn o ts i g n i f i c a n ti n f l u e n c e o nt h e p o w e ro u t p u t b a s e do nt h ec h e m i c a lr e a c t i o n k i n e t i c so fd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o n ，t h e l o w t e m p e r a t u r e m i d d l e t e m p e r a t u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r er e a c t i o nm e c h a n i s m o f o x y g e n e n r i c h e d c o m b u s t i o nw e r ea n a l y z e db yu s i n g c h e m k i na n dc f d t h r e e d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e lc o u p l e ds i m p l i f i e dn h e p t a n eo x i d a t i o nk i n e t i c m o d e l t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ：o x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o n c a np r o m o t et h e l o w t e m p e r a t u r e m i d d l e t e m p e r a t u r e a n dh i g h t e m p e r a t u r er e a c t i o nm e c h a n i s mo i n h e p t a n eo x i d a t i o n ，w h i c h r e s u l ti n c h a n g e so fd i e s e le n g i n e s c o m b u s t i o na n d e m is s i o n t h ec o m b u s t i o np a t hw a sr e s e a r c h e db yad e t a i l e dn - h e p t a n eo x i d a t i o nr e a c t i o n c o m b i n e dm o d e lw h i c hw a sc o n s t r u c t e di n t h i sp a p e ri n c l u d i n gp a ha n dn o x r e a c t i o nm e c h a n i s m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ：m ec o m b i n e dm o d e lc a nb eu s e dt o p r e d i c td i e s e le n g i n e sp a h ，s o o ta n dn o xe m i s s i o n s ，a n dt h ep r e d i c t e dr e s u l t sa r e r e l i a b l e p a h ，s o o ta n dn o xe m i s s i o n sf r o mo x y g e n - e n r i c h e dd i e s e le n g i n ec a nb e d e t e r m i n e db yc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n do x y g e n - f u e lr a t i oo ft h em i x t u r e t h e t e c h n o l o g yo fo x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o nw i t he g r a n dw a t e re m u l s i f i e df u e li s p r o v e dav e r yp r o m i s i n gt e c h n o l o g yt or e d u c ed i e s e le n g i n e se m i s s i o n s i na d d i t i o n ， t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt w ok i n d so fo x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o np a t hc o n t r o ls t r a t e g y a n dc o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a lm e a s u r e st or e s o l v et h en o xd e t e r i o r a t i o np r o b l e m ， w h i c hw i l lp r o v i d ec e r t a i nt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ec l e a nc o m b u s t i o no fd i e s e l e n g i n e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，o x y g e n e n r i c h e dc o m b u s t i o n ，r e a c t i o n m e c h a n i s m ，c o m b u s t i o np a t h s ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s 第一章绪论 1 1 富氧燃烧 1 1 1 概述 第一章绪论 人类可以通过各种途径获得能量，其中通过燃烧获得能量是目前最主要的途 径。据报道，全世界总共消耗的能量中有9 9 是通过燃烧矿物燃料获得的。所以， 在以节能和减排为主题的当今世界，矿物质燃料燃烧进行得是否合理、是否高效 成为了燃烧领域关注的焦点。燃烧的本质是燃料中的可燃分子与氧气分子发生高 能碰撞，由于氧气分子的助燃作用使得燃烧质量与氧气的供给有很大关系。采用 含氧比例高于普通空气( 氧气体积分数2 1 ) 的富氧空气来助燃，叫做富氧燃烧。 该技术具有高效节能的特点，目前为止广泛应用在热能工程、冶金工业及玻璃工 业等领域。 对比传统燃烧，富氧燃烧的优点可概括为： ( 1 ) 提高了混合气的整体含氧量，使燃烧进行的更充分。 传统燃烧总会出现局部缺氧的问题，导致燃烧不完全，产生大量不完全燃烧 产物，不仅造成了能源的浪费，而且不完全燃烧排放物对环境和人体会产生很大 的危害。而富氧燃烧通过提高混合气的整体氧含量，改善了传统燃烧的局部缺氧 问题，使燃烧进行的更加充分。 ( 2 ) 火焰温度上升，燃烧效率得到提高。 富氧燃烧能够提高火焰温度，使燃烧反应进行的更加稳定。燃烧装置的热效 率受火焰温度的影响很大，火焰温度的上升可以提升整个燃烧装置的温度。对于 某些燃烧装置来说，辐射传热是受热体获得能量的主要途径，而辐射传热中的辐 射强度和温度的四次方成正比，使得燃烧装置温度的微小升高可以导致辐射强度 的大幅增加，从而提高燃烧装置的热效率。 ( 3 ) 改善燃烧装置的排放特性。 富氧燃烧使燃烧装置内的燃烧反应进行的更加充分，减少了不完全燃烧产物 的排放。另外，采用富氧燃烧后，排气中的氧含量也相应升高，再加上较高的排 气温度，对于排气中不完全燃烧产物的氧化具有促进作用，使排气中的不完全燃 烧产物进一步降低，大大改善了燃烧装置的排放特性。 第一章绪论 1 1 2 富氧燃烧技术在内燃机上的研究现状 2 0 世纪6 0 年代末期，为了寻求降低柴油机排放的新技术，研究人员开始了 内燃机进气富氧燃烧技术的研究。初期结果表明，在柴油机上采用富氧燃烧技 术能够显著降低柴油机碳烟的排放量，同时对抑制c o 和h c 的作用也非常明显， 所以，该技术被研究者认为是一种非常有潜力的改善柴油机排放的技术手段，近 些年来得到了学术界和企业界的广泛关注。 近年来，国内外的专家学者对柴油机进气富氧燃烧及其理论和技术问题开展 了深入的研究。研究表明：富氧燃烧能够提高柴油机的燃烧效率，使燃烧过程得 到优化比3 ，提升柴油机的经济性和动力性。h o n g s i k 等人进行了柴油机富氧燃烧 的试验研究 3 1 ，结果发现采用2 4 6 的进气富氧比例时，柴油机的最大功率和最 大扭矩都增加了2 2 。a s s a n i s 等人也进行了富氧燃烧的理论研究，结果表明， 进气含氧浓度增加后，缸内最大爆发压力升高，发动机的有效功率升高。 u d a y a k u m a r 等人在一台单缸小功率柴油机上进行富氧浓度低于2 5 的富氧燃烧 试验【4 1 ，试验结果表明，随着富氧浓度的升高，柴油机的燃油消耗量降低，热效 率升高。 尽管一定浓度的富氧燃烧能够提高柴油机的热效率，但随着富氧浓度的升高 这种作用会逐渐减弱。m a r r 和s e k a r 针对1 亩浓度的富氧燃烧进行了研究2 “】，结 果表明，柴油机的有效热效率在富氧浓度超过2 6 之后将随着富氧浓度的升高而 下降。而u d a y a k u m a r 的研究中也发现，最高的富氧浓度与最低的燃油消耗率并 没有对应关系。 综上所述，柴油机采用富氧燃烧技术不但可以有效降低c o 、h c 和碳烟等 有害排放物的排放量，同时还能够提高柴油机的燃烧效率，增加功率密度，另外 还允许柴油机燃用低品质燃料。然而，并不是富氧浓度越高柴油机的有效热效率 就越高。所以，作为一项运用在柴油机上的新技术，它在改善柴油机排放性和经 济性上的优势是显而易见的，特别是在追求内燃机节能环保的今天，富氧燃烧技 术在内燃机上将有着非常好的应用前景。 1 1 3 柴油机富氧燃烧面临的问题及解决方法 柴油机富氧燃烧提高了进气中氧气的百分数，优化了燃烧过程，减少了燃料 的不完全燃烧，使碳烟、c o 和h c 的排放量大幅降低，但却导致了n o x 排放的 恶化 6 。h o n g s i k 进行了低富氧浓度的柴油机富氧燃烧试验，试验结果发现当进 气中氧气浓度增加到2 4 6 以后，柴油机排放物中n o x 增加了1 0 9 。a s s a n i s 等在进气条件和燃料不变的情况下研究了缸内火焰温度和n o x 百分数之间的变 第一章绪论 化关系，发现进气中的氧气浓度从2 1 升高到2 6 后，燃烧的最高温度上升了 2 4 0 k ，火焰温度的升高会加快n o x 的生成速率，导致n o x 排放大幅度增加0 | 。 日本名古屋大学的k i s h i m o t o 、m a m o r u 从燃烧激励的角度对使用富氧空气燃烧 的火焰结构以及逆火焰对n o x 生成的影响开展了研究【1 1 | 。研究发现对于逆扩散 火焰，氧浓度增高，高温区的宽度变大，导致n o x 生成的热量增加。从上世纪 9 0 年代末以来，国内的上海交通大学“4 | 、合肥工业大学“引、重庆大学6 | 、东北 林业大学7 等也先后开展了富氧燃烧对柴油机燃烧和排放特性影响的研究工作， 研究结果表明柴油机实现富氧燃烧后在导致h c 和c o 浓度大大降低的同时使得 n o x 排放显著增加。因此，柴油机采用富氧燃烧技术后排放物中n o x 的显著增 加是制约该技术在内燃机上进一步发展和应用的一个非常关键的问题。 为了控制柴油机富氧燃烧过程中n o x 排放恶化的问题，研究者对各种抑制 n o x 生成的技术措施进行了研究探讨。日本学者n i s h i m u r a 通过控制空燃比的方 法实现了特定工况下的低n o x 排放1 1 81 引。美国a r g o n n e 国家实验室和美国海军 研究中心的研究人员分别采用富氧空气缸内喷射和等离子技术实现了富氧燃烧 下的低n o x 排放【2 02 1 | 。美国通用汽车公司则通过对进气氧浓度、供油量和喷射 定时等参数进行优化实现了n o x 和碳烟排放的同时降低【22 | 。瑞士联邦技术研究 所a n d r e ab e r t o l a 等人将乳化油技术应用在内燃机领域，发现含水3 0 的乳化油 可使得柴油机的n o x 和碳烟排放分别降低7 0 和3 0 。国内的大学和科研单位 也对富氧条件下同时降低碳烟和n o x 排放的方法进行了探索，结果包括：富氧 燃烧必须同时推迟供油提前角，只有这样才能获得较低的排放量组合，以及采 用废气再循环技术( e g r ) 结合富氧进气可同时有效的抑制n o x 和碳烟的排放， 但较高的e g r 率会使发动机的有效燃油消耗率恶化，碳烟排放也会增加旧3 、2 4 1 。 1 2 柴油机缸内燃烧反应机理 计算机科技的迅速发展使利用计算机自动生成复杂的燃烧化学反应机理成 为可能，研究者可以用这些机理来对内燃机缸内的燃烧过程进行描述。与此同时， 以燃烧化学反应机理为基础，运用化学反应动力学方法已经成为研究内燃机缸内 燃烧过程的重要方法。 关于烃类燃料燃烧化学反应机理方面的研究引起了国内外研究者广泛关注。 美国、德国和英国的研究机构在该方面进行了系统而深入的研究，也取得了大量 有价值的研究成果汜+ 引 。到目前为止，研究者们已经成功构建了碳分子数高达 c 8 的烷烃详细燃烧反应机理。为了深入研究柴油机缸内燃烧过程，研究者们对 柴油的燃烧机理进行了研究，并取得了一定的进展。由于柴油是一种成分复杂的 第一章绪论 混合物，所以无法通过构建柴油的燃烧机理来准确描述柴油机缸内的燃烧过程。 柴油的十六烷值为5 6 ，在烃类燃料中正庚烷的十六烷值与其最接近，于是研究 者通常利用正庚烷作为模型燃料来研究柴油的燃烧特性【3 2 3 6 | 。比如，美国劳伦斯 利弗莫尔国家实验室所提出的用来描述柴油燃烧的正庚烷氧化反应详细模型，到 目前为止该模型已经发展出三个版本，是目前柴油机缸内燃烧研究领域公认的最 权威的正庚烷氧化反应详细模型。 温度对正庚烷的氧化反应过程影响很大，导致反应物在不同的温度条件下沿 着不同的路径进行，从而生成不同的产物。内燃机缸内燃烧过程中所经历的温度 区间大致可分为低温区、中温区和高温区三个区段。与此相对应，正庚烷氧化反 应包括低温反应、中温反应和高温反应，如图l 一1 为正庚烷氧化反应机理示意图。 富氧燃烧能够提高内燃机缸内的燃烧温度，使得正庚烷的氧化转化过程对温度的 依赖性更加明显，所以研究富氧燃烧条件下正庚烷的氧化机理是可行的。 图1 1 正庚烷氧化反应机理示意图 1 2 1 低温反应机理 量装餐 芸连烯歪c = c 环醒 昼裘驿 毫兰芎工 上图中用( 1 ) ( 1 1 ) 共1 1 个反应组来描述正庚烷的详细氧化反应机理， 每个反应组都由数量众多的基元反应组成。反应组( 1 ) ( 5 ) 是对正庚烷氧化 4 第一章绪论 反应中低温反应机理的描述。其中反应组( 1 ) 描述的是正庚烷分子的脱氢反应。 该反应组主要由反应r 1 和r 2 组成。 c 7 h 1 6 + 0 2 = c 7 h 1 5 + h 0 2 ( r 1 ) c 7 h 1 6 + x = c 7 h 1 5 + x h ( r 2 ) 反应r 1 是正庚烷氧化反应的开始，因为该反应的活化能很高，反应过程中 需要吸收大量的热量才能进行，所以该反应对正庚烷的脱氢过程影响较小。只要 反应系统中有o h 、o 和h 0 2 等这些脱氢作用更强的自由基出现，反应r 2 就会 剧烈反应，成为这个阶段起主要作用的脱氢反应。 脱氢反应的产物为烷基，在脱氢反应进行完之后，烷基与氧气分子发生反应 生成过氧烷基( c 7 h 1 5 0 0 ) ，此时反应组( 2 ) 开始反应： c7h15+02=c7h1500(r3) 反应r 3 被称为第一次加氧反应，该反应在正庚烷的低温氧化阶段发挥着非 常重要的作用。该反应在温度较低时以正向反应为主，从而生成大量的过氧烷基。 当系统温度升高到一定程度后，逆向反应超过了正向反应成为了在该温度区域起 主导作用的反应，这过程标志着从低温机理到高温机理的转化。由于该反应中 有氧分子的直接参加，所以富氧燃烧时氧气浓度的增加必将对该步反应产生影响。 在燃烧系统的低温反应区域，第一次加氧反应完成后紧接着进行的就是其产 物的异构化，此时反应组( 3 ) 开始反应。过氧烷基的异构化由反应r 4 表示： c7h1500=c7h1400h(r4) 过氧烷基异构化结束后，其异构产物c 7 h 。4 0 0 h 将再次与氧气分子发生反应， 称为第二次加氧反应，此时反应组( 4 ) 开始反应： c7h1400h+02=ooc7h1400h(r5) 该步反应中也有氧分子的参加，所以富氧燃烧也将对其产生影响。由于反应 r 5 的产物o o c 7 h 1 4 0 0 h 是一种非常不稳定的物质，生成后马上发生异构反应 r 6 ，生成相对稳定的o c 7 h 1 3 0 0 h 和o h ，此时反应组( 5 ) 开始反应： o o c 7 h 1 4 0 0 h = o c 7 h 1 3 0 0 h + o h ( r 6 ) 随着反应的进行，燃烧系统的温度逐渐升高，o c 7 h i 3 0 0 h 在当温度超过 8 0 0 k 时发生分解反应，其反应产区中至少有两种是自由基。也就是说，当燃烧 系统的温度高于8 0 0 k 之后，o c 7 h 1 3 0 0 h 就会发生反应生成大量自由基，这些 自由基是链分支反应的重要反应物，从而促进链分支反应的快速进行，此时反应 组( 1 1 ) 开始反应。 正庚烷燃烧反应机理q 1 的两次加氧反应由于都有氧分子的参加，所以富氧燃 烧时氧气浓度的增加将通过影响加氧反应过程来对低温反应机理产生影响。 第一章绪论 1 2 2 中温反应机理 随着低温反应的进行，燃烧系统的温度不断升高，当温度达到反应组( 8 ) 、 ( 9 ) 和( 1 0 ) 的反应温度时，中温反应开始。中温反应主要描述的是c 7 h 1 4 0 0 h 的分解，主要产物包括p 裂解产物和与c 7 h 1 4 0 0 h 共轭的烯烃。 反应组( 8 ) 发生的反应如反应r 7 所示： c 7 h 1 4 0 0 h = c 7 h 1 4 + h 0 2 ( r 7 ) 因为中温区所发生的反应主要以链传递反应为主，这种反应类型无法产生更 多的活性自由基，导致该阶段燃烧反应速率减缓，温度升高放缓，于是燃烧系统 出现了负温度系数( n t c ) 现象。 反应组( 9 ) 发生的反应如反应r 8 所示： c t h l 4 0 0 h = c 7 h i 4 0 + o h ( r 8 ) 反应组( 1 0 ) 发生的反应如反应r 9 和r 1 0 所示： c 7 h 1 4 0 0 h = c 4 h 9 c h o + c 2 h 4 + o h ( r 9 ) c 7 h 1 4 0 0 h = c 3 h 7 c h o + c 3 h 6 + o h ( r 10 ) c o 的形成路径也是燃烧系统中温反应区一个非常重要的反应，其发生过程 如下所示： 0 h 0 2 c h ，0jh c o 与c 0 氧气是c o 形成过程中一种必不可少的物质，反应中氧气的量会对c o 的生 成反应产生很大的影响，所以富氧燃烧会影响c o 的生成速率。 1 2 3 高温反应机理 随着中低温反应的进行，燃烧系统的温度继续升高，当温度超过1 0 0 0 k 时， 反应组( 6 ) 和( 7 ) 开始反应。反应组( 6 ) 发生的反应如反应r 11 和r 1 2 所示： c 7 h 1 5 = c 5 h 1 1 + c 2 h 4 ( r 11 ) c 7 h 1 5 = c 4 h 9 + c 3 h 6 ( r 1 2 ) 反应组( 7 ) 发生的反应如反应r 1 3 所示： c 7 h 1 5 + 0 2 = c 7 h 1 4 + h 0 2 ( r 13 ) h 2 0 2 离解为两个羟基的反应也是该温度区间一个非常重要的反应，该反应 如反应r 1 4 所示： h 2 0 2 + m = o h + 0 h + m ( r 1 4 ) 由于该反应产生大量的o h 自由基，这些o h 自由基生成后能够迅速与正庚 烷发生反应，发出大量热量，使系统温度迅速提升，所以该反应被认为是系统着 火的标志。 第一章绪论 反应r 1 5 的发生能够产生两种非常活跃的自由基o 和o h ，所以该反应是该 温度区间内起决定作用的链分支反应。由于该反应的活化能较高，只有当燃烧系 统的温度高于1 2 0 0 k 以后，该反应才开始进行。 h+02=o+oh(r15) 以上的介绍可以看出，反应r 1 3 和r 1 5 中都有氧气分子的直接参与，富氧 燃烧能够提高混合气中氧气的浓度，使稀混合气区域增大，从而促进高温区反应 r 1 3 和r 1 5 的进行，生成更多的活性自由基，影响整个高温反应的进行。 高温反应机理中另一个重要的反应是c o 被o h 氧化生成c 0 2 的反应： co+oh=c02+h(r16) 由于该反应的发生伴随着大量光和热量的产生，能够使燃烧系统的温度快速 升高，因此该反应被称为热焰反应。 1 3 柴油机燃烧路径的控制 柴油机的主要有害排放物是碳烟和n o x ，而缸内燃烧过程中混合气的温度 和当量比决定了它们的生成。内燃机研究人员用对反应过程中燃烧路径的控制来 描述对混合气的温度和当量比变化历程的控制。 燃烧反应过程中，混合气的当量比和温度时刻都在发生变化，这些变化是由 燃烧反应过程中的物理和化学变化共同决定的。其中，当量比的变化主要受混合 率的影响，这是一种物理因素。而温度的变化主要受化学反应速率和充量总热容 的影响。缸内燃烧过程中，混合气的当量比变化率和温度变化率之间的“较量” 决定了混合气的燃烧路径。 为了从柴油机缸内燃烧本身，即前处理来降低柴油机燃烧产物n o x 和碳烟 的排放量，内燃机研究人员试图通过控制缸内混合气的当量比和温度的变化来实 现对燃烧路径的控制，从而使柴油机的燃烧路径尽量避开n o x 和碳烟的大量生 成区，实现柴油机的清洁燃烧。 如图1 - 2 所示为k a m i n m o t o 等b 73 和k _ i t a m u r a 旧8 1 分别在1 9 8 8 年和2 0 0 2 年以 正庚烷为燃料得出的s o o t 和n o x 生成西一丁图，该图上标出了正庚烷燃烧生成碳 烟和n o x 的区域。如图所示，用长箭头标出了传统柴油机的燃烧路径，燃料喷 入缸内后迅速与缸内的空气混合，当量比迅速下降。当混合气的当量比降到3 左 右时，高温燃烧反应在喷雾边缘开始发生，此时缸内着火开始。着火后缸内温度 迅速升高，燃烧路径向高温方向发展。此后燃烧路径的发展受到燃料反应放热率 和混合率的共同作用，使得传统柴油机的燃烧路径先后经过了碳烟和n o x 的生 成区，导致这两种污染物成为传统柴油机的主要有害排放物。 第一章绪论 图1 - 2s o o t 和n o x 生成垂r 图 面对日益严格的排放法规，解决传统柴油机碳烟和n o x 排放量大的问题势 在必行。从燃烧路径的角度分析，要想降低传统柴油机碳烟和n o x 的排放，必 须改变其燃烧路径，使燃烧路径尽量避开碳烟和n o x 的生成区，从而实现柴油 机的清洁燃烧。目前，研究人员已经提出了几种新型的燃烧概念，如稀扩散燃烧 ( l d c ) 、预混充量压燃燃烧( p c c i ) 和均质充量压燃燃烧( h c c i ) 。图1 2 中标出了这三种燃烧方式的典型燃烧路径。当采用稀扩散燃烧时，由于采用了特 殊的技术手段使燃油的混合过程得到增强，以至于缸内着火时混合气的当量比已 经下降到1 8 左右。因此，着火后的燃烧路径避开了碳烟的生成区。另外由于改 善了油气混合效果，缸内的高温燃烧区域减少，最高燃烧温度降低，使得燃烧路 径在未达到n o x 生成区之前就开始返回低温区。预混充量压燃燃烧时，燃料在 压缩冲程的早期就喷入缸内，这样早喷的燃油在着火前有很充足的时间实现均匀 的混合。在着火之前缸内的当量比降到了1 以下，着火后其燃烧路径远离碳烟的 生成区。另外由于此时缸内是稀燃，使得燃烧温度减低，最高燃烧温度远未达到 n o x 的生成区。均质充量压燃燃烧时，通过采用先进技术和喷油策略使缸着火 前缸内形成均质的，当量比小于1 的稀燃混合气，实现了柴油机的低温燃烧，其 燃烧路径远离碳烟和n o x 的生成区域。 第一章绪论 1 4 本文的选题意义和研究的主要内容 传统柴油发动机主要有害排放物为碳烟、n o x 、c o 和h c ，为了降低这些 有害排放物对环境和人类的危害，车用发动机一般都装有尾气后处理装置来对有 害排放物进行净化。但由于这些有害排放物之间的净化方法存在相互矛盾之处， 所以给后处理装置的设计和成本控制带来了很大的难度。于是，近些年来内燃机 研究人员又将目光投入到了内燃机缸内燃烧性能的改善方面，试图从燃烧本身来 着手降低有害排放物的生成，同时也取得了一定的成果。其中，富氧燃烧技术就 是一项非常具有潜力的发动机燃烧技术。 发动机富氧燃烧技术是通过增加燃烧室中氧的含量来改善燃烧和排放的一 种技术手段。柴油机采用富氧燃烧后缸内燃烧温度升高，火焰传播速度加快，缸 内最大爆发压力升高，比油耗降低，h c 、c o 和碳烟排放得到改善，但会导致 n o x 排放发生恶化。为了能够对解释和解决柴油机实现富氧燃烧后在动力性、 经济性和排放性方面的这些变化提供更加深入的理论指导，必须对柴油机富氧燃 烧的微观反应机理进行分析研究。另外，为了解决柴油机富氧燃烧时n o x 排放 恶化的问题，有必要对柴油机的富氧燃烧路径进行分析研究，总结出适合柴油机 富氧燃烧的清洁燃烧路径，进而提出具体的技术措施来控制富氧燃烧柴油机实现 清洁燃烧，保证柴油机在保持原有动力性和经济性的前提下实现清洁燃烧。 本论文研究的内容有： ( 1 ) 针对富氧燃烧对柴油机燃烧和排放特性的影响进行试验和数值分析研 究，通过设置多种富氧浓度来对比分析不同富氧浓度下柴油机燃烧和排放特性的 变化规律。为了解决富氧燃烧所引起的柴油机n o x 排放恶化问题，在研究不同 比例富氧浓度对柴油机燃烧和排放影响的基础上，将水乳化油技术和e g r 技术 作为辅助技术来协同富氧燃烧技术一起使用。分别研究不同含水比例水乳化柴油 和不同比例e g r 率对富氧燃烧柴油机的燃烧和排放的影响，探讨柴油机富氧燃 烧和水乳化油、e g r 技术协同作用的可行性，为从前处理角度优化柴油机燃烧、 降低有害排放物做探索性研究， ( 2 ) 从柴油机缸内燃烧的化学反应动力学机理出发，利用c h e m k i n 软件 和柴油机三维c f d 燃烧模型耦合化学反应动力学模型的方法对柴油机富氧燃烧 时缸内的低温反应、中温反应和高温反应机理中重要反应过程进行分析研究。通 过设置多组不同进气富氧浓度来全面准确的揭示富氧燃烧对柴油机缸内燃烧各 重要反应机理的影响，从而为解释和解决富氧燃烧对柴油机动力性、经济性和排 放性的影响提供一定的理论指导。 箜二主丝笙 _ - _ 一 ( 3 ) 构建包含p a i l 和n o x 生成反应机理的正庚烷氧化反应详细模型，应 用该模型对富氧燃烧柴油机的燃烧路径进行研究，通过研究总结出有害排放物的 生成规律，进而提出改善富氧燃烧柴油机n o x 排放恶化的新型燃烧路径控制策 略，同时提出相应的技术措施来实现相应的路径控制策略。 第二章柴油机富氧燃烧的试验研究方法 2 1 引言 第二章柴油机富氧燃烧的试验研究方法 为了全面了解富氧燃烧对柴油机缸内燃烧反应机理的影响规律，本文将从试 验研究和数值计算两方面来对柴油机缸内富氧燃烧机理进行分析，从而从宏观和 微观的角度揭示出柴油机富氧燃烧机理及其燃烧路径。 在试验研究方面，为了探寻富氧燃烧对柴油机缸内燃烧和排放的影响，将试 验柴油机的进气系统进行了改装，实现了让柴油机进行可控比例富氧燃烧的目的。 同时，通过布置缸内压力传感器、进气氧浓度传感器和高压油管压力传感器获取 了分析该发动机工作过程所需的工作参数。为了降低柴油机富氧燃烧时的缸内燃 烧温度，在柴油机的进排气系统上加入了可控制比例的低压冷e g r 系统，从而 实现了柴油机的富氧低温燃烧。另外，试验中还设置了水乳化柴油的在线配制和 供给系统，实现了柴油机不同比例水乳化柴油的供给。 2 2 试验装置与试验方法 本研究的试验部分是在天津大学内燃机大楼1 1 2 室进行的，如图2 1 是试验 装置连接示意图。 ( 1 ) 试验柴油机的主要参数 试验发动机的型号为4 1 0 0 q b z l 一2 ，该增压柴油机的主要性能参数如表2 一l 所示。 ( 2 ) 试验中的供氧装置 试验中的供氧装置由一个六口氧气汇流排、六个工业氧气钢瓶、一个减压阀、 一个总控制阀、六个分控制阀和六根连接导管组成，该装置的实物照片见图2 2 。 试验过程中，工业氧气钢瓶中的高压氧气经各个分控制阀进入各连接导管后汇入 汇流排，然后经过总控制阀后再经过减压阀将高压氧气变为低压氧气。低压氧气 通入进气稳压混合罐，通过调节总控制阀来控制进气中富氧浓度的大小。 供氧装置中的工业氧气钢瓶容积为4 0 l ，工作压力为1 5 m p a ，每瓶中装有氧 气约7 8 8 k g ，6 个钢瓶中共有氧气约4 7 埏。按照较高的试验工况2 0 0 0 r m i n 、全 负荷、进气氧浓度为2 4 计算，试验中氧气的需求量为3 5 0 k g h ，一次换气可供 试验柴油机运行4 个多小时。因此，试验中的供氧装置可以满足氧气的供应。 第二章柴油机富氧燃烧的试验研究方法 图2 - 1 试验装置连接示意图 表2 1 试验柴油机的主要性能参数 项目 型式 气缸直径d r a m 活塞行程s r a m 连杆长度m m 压缩比 活塞总排量l 汽缸数 燃烧室型式 涡流比 第二章柴油机富氧燃烧的试验研究方法 图2 2 供氧装置 ( 3 ) 低压冷e g r 系统 本试验采用的e g r 方式为低压冷e g r ，发动机废气通过涡轮机后进入排气 稳压罐中，排气稳压罐上安装有废气排气阀和e g r 阀。排气阀用于控制废气排 入大气，e g r 阀用于控制废气进入e g r 冷却器，冷却后的废气通入进气稳压混 合罐。通过调节废气排气阀和e g r 阀可以对从排气稳压罐进入进气稳压罐的废 气流量和压力进行调节，从而使进入进气稳压罐的废气与空气和氧气混合后形成 一定e g r 率的进气。本文中采用二氧化碳法来计算e g r 率，其计算公式如下： 艿f c q l r m r2 谅萧兰蚶0 0 。1 上式中，6 ( c 0 2 ) i l l 诅l c 。表示从进气稳压罐出来的进气中c 0 2 的体积分数； 6 ( c 0 2 ) 。x h a 蜮表示排气中c 0 2 的体积分数。 经过e g r 冷却器的再循环废气温度会下降到1 0 0 以内，称为冷e g r 。冷 e g r 有助于降低进气温度，增加迸气的密度，从而提高发动机的充气效率。另 外，冷e g r 也有利于降低燃烧温度、控制n o x 的排放。冷却后的e g r 废气进 入进气稳压罐与空气和氧气混合，充分的混合不仅使进气中的组分更加均匀，而 且消减了排气脉动引起的进气压力波动。三种气体在进气稳压罐内均匀混合后， 进入发动机进气总管，最终进入发动机燃烧室参与燃烧。 ( 4 ) 水乳化柴油的在线配制和供给系统 本试验中使用的水乳化柴油是由纯柴油、乳化剂和纯净水在超声波乳化器中 配制而成。其中，纯柴油为皑柴油，乳化剂选用s p a n 8 0 和t w e e n 8 0 ，配置比例 为v ( s p a n 8 0 ) ：v ( t w e e n 8 0 ) ：v ( 皑柴油+ 纯净水) = 1 ：2 ：2 0 0 。配置过程中先 第二章柴油机富氧燃烧的试验研究方法 将两种乳化剂分别加入纯柴油和水中单独配置，分别进行机械搅拌5 分钟，然后 把油水两相混合液搅拌后加入到超声波乳化仪中进行乳化。超声波乳化仪以 6 0 0 w 功率和4 0 k h z 频率工作4 0 分钟后就得到了试验用水乳化柴油。为了防止 乳化油发生分层现象，进而影响试验效果，乳化油试验中将超声波乳化仪的出口 直接与发动机的进油管连接，并且保证试验过程中超声波乳化仪一直处于工作状 态，这样就能保证发动机燃烧的是最佳乳化效果的乳化油。 ( 5 ) 主要试验测试仪器 试验中主要测试仪器及其相关信息如表2 - 2 所示。 表2 2 主要测试仪器及其相关信息 2 3 各试验测量参数的获取方法 ( 1 ) 采样频率的设置 依据采样频率必须大于最高信号频率两倍的采样原理，本文中如果每隔o 5 。 c a 进行一次缸内压力信号的采样，那么采样频率为：f s a n = 7 2 0 n 6 0 = 1 2 n 。 当转角分辨率取0 5 。c a 时，根据试验柴油机的额定转速3 2 0 0 r n i n 可以计算出 试验中的最高采样频率为：f s a n = 7 2 0x3 2 0 0 6 0 = 3 8 4 k h z 。因此，为了使任 何低于额定转速工况下所采集的缸压信号都具有较高的可靠性和可行性，本试验 中将缸j 玉数据的信号采集频率设置为4 0k h z 。 ( 2 ) 缸内压力的测量 1 4 第二章柴油机富氧燃烧的试验研究方法 本试验采用瞬态响应速度快、线性度高的压电式缸内压力传感器，从而保证 了缸内压力的瞬态测量效果和精度。使用之前须对该传感器进行标定。 安装缸内压力传感器时，如图2 3 ( a ) 所示，要使压力传感器的探头端