（动力机械及工程专业论文）物理、化学因素对清洁高效柴油燃烧过程影响的试验研究.pdf

中文摘要 存能源和环境的舣重压力下，柴油低温燃烧成为国内外的研究焦点。但柴油 的物理特性使得低温燃烧过程中可燃混合气的制备相当困难，提高燃油与空气的 混合速率，改善混合气的浓度和温度分层是实现低温燃烧过程的根本保障。本文 从燃油控制和缸内状态( 温度、压力和氧浓度) 控制出发，以清洁高效柴油燃烧 过程为研究对象，通过试验和数值模拟相结合的方法，开展了各种物理、化学因 素对柴油燃烧过程的耦合控制机理研究。 基于问隔调制多脉冲喷油模式的柴油预混燃烧试验结果表明，脉冲间隔时 间、脉冲喷射前后期的油量及其比例、脉冲喷射次数和喷油定时是控制柴油预混 燃烧过程的关键参数。优化的喷油定时、脉冲间隔时间、脉冲油量及其比例以及 喷射次数能显著改善脉冲燃油与空气的混合过程，降低未燃油滴损失率，控制缸 内混合气的浓度和温度分层，进而实现对预混燃烧过程着火和放热速率的有效控 制。基于间隔调制多脉冲喷油模式的“分子重整”型复合燃烧概念能在保持低排 放和低燃烧噪声的同时进一步完善燃烧过程，提高燃烧效率和热效率。 预混喷油模式、喷油压力、主喷定时、后喷喷油策略及进气压力等物理因素 的优化能进一步促进“分子重整”型复合燃烧过程燃油与空气的混合，改善燃烧 过程，在较高负荷下实现了具有达到国v 排放标准潜力的低n o x 和碳烟排放清 洁燃烧过程。 吖变气门技术能明显降低缸内的温度和压力，进而对“分子重整 型复合燃 烧过程中的预混、主喷以及后喷燃油的燃烧放热过程产生“链”式影响。在优 化的气门关闭定时下，可变气门技术与复合燃烧过程的耦合在保持较高的i m e p 和指示热效率的前提下实现了最优的n o x 一碳烟折中排放。 进气压力、可变气门技术、喷油策略及e g r 的相互优化耦合能有效的改变 高负荷时缸内的温度、压力和氧浓度状态，进而对燃油与空气的混合及燃烧放热 过程产生巨大的影响。在气门关闭定时大幅度推迟，高进气压力保证足够的进气 氧量的基础上，在优化的主喷定时下，引入少量e g r 就能同时实现n o x 和碳烟 排放的大幅度下降，此时的i m e p 和指示热效率也分别保持在较高的水平，基本 实现了高负荷下清洁高效的柴油燃烧过程。 关键词：喷油策略预混燃烧复合燃烧废气再循环可变气门定时发 动机排放指示热效率 a b s t r a c t d i e s e ll o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o nh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t m nm r e c e n ty e a r sf o rt h es h o r t a g eo fe n e r g ya n dd e t e r i o r a t i o no fe n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e lf u e lm a k ei td i f f i c u l tt op r e p a r et h ei g n i t a b l e i n c y l i n d e rf u e l a i rm i x t u r e h o wt op r o m o t et h ef u e l a i rm i x i n gp r o c e s sa n dc o n t r o l t h es t r a t i f i c a t i o no fm i x t u r et e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nh a v eb e e nt h ek e y p r o b l e m st or e a l i z ed i e s e ll o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n b a s e do nt h ef u e li n j e c t i o n s t r a t e g y c o n t r o la n di n c y l i n d e rc o n d i t i o n ( t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n do x y g e n c o n c e n t r a t i o n ) c o n t r o l ，a n db yt h em e a n so fe x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ee f f e c t so fp h y s i c a la n dc h e m i c a lf a c t o r s ，i n c l u d i n gf u e l i n j e c t i o ns t r a t e g y , i n t a k ep r e s s u r e ，e g ra n dw t o nd i e s e lc o m b u s t i o nc o n t r o l m e c h a n i c s b a s e do nt h ed w e l lt i m em o d u l a t e dm u l t i - p u l s ei n j e c t i o ns t r a t e g y , t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd i e s e lp c c ic o m b u s t i o ng i v et h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：p u l s e d w e l lt i m e ，p u l s ef u e lm a s sa n dt h e i rp r o p o r t i o n , p u l s en u m b e ra n di n j e c t i o nt i m i n g a r et h ek e yp a r a m e t e r st oc o n t r o ld i e s e lp c c ic o m b u s t i o n t h e i ro p t i m i z a t i o nc a n o b v i o u s l ye n h a n c et h ef u e l a i rm i x i n g ，l o w e rt h ee n e r g yl o s so f u n b u r n e dl i q u i df u e l a n dc o n t r o lt h es t r a t i f i c a t i o no fm i x t u r et e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n , a n dt h e n r e a l i z et h ei g n i t i o nt i m i n ga n dh e a tr e l e a s er a t ec o n t r o l l a b l ep c c ic o m b u s t i o n b a s e d o nt h ep c c ic o m b u s t i o n ，t h e “m o l e c u l a rr e f o r m i n g c o m p o u n dc o m b u s t i o nc o n c e p t c a ns i m u l t a n e o u s l yo b t a i nl o w e re n g i n ee m i s s i o n sa n dc o m b u s t i o nn o i s e ，a n da tt h e s a m et i m ec a nf u r t h e rc o m p l e t ec o m b u s t i o nt og e th i g h e rc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d t h e r m a le f f i c i e n c y t h eo p t i m i z a t i o no fm u l t i - p u l s ei n j e c t i o nm o d e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，i n t a k e p r e s s u r e ，m a i ni n j e c t i o nt i m i n ga n dp o s ti n j e c t i o ns t r a t e g y h a sg r e a tp o t e n t i a li n i m p r o v i n go ff u e l a i rm i x i n gi n “m o l e c u l a rr e f o r m i n g ”c o m p o u n dc o m b u s t i o n d u e t o t h ei m p r o v e m e n to fm i x t u r eq u a l i t y , d i e s e lc o m p o u n dc o m b u s t i o nw i t hl o wn o xa n d s o o te m i s s i o n s ，w h i c hh a v et h ep o t e n t i a lt om e e tt h ee m i s s i o ns t a n d a r do fc h i n e s ev ， c a nb ea c h i e v e da th i g h e re n g i n el o a d s l o w e ri n - c y l i n d e rt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e a c h i e v e dw i t hw t h a v ec h a i n l i k e e f f e c to nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp i l o t ，m a i na n dp o s ti n j e c t e df u e li nt h e “m o l e c u l a rr e f o r m i n g ”c o m p o u n dc o m b u s t i o n a tt h eo p t i m i z e di m a k ev a l v ec l o s e t i m i n g u s eo fv v te n a b l e sc o m p o u n dc o m b u s t i o nt og e tl o w e rn o xa n ds o o t e m i s s i o n sw h i l et h ei m e pa n di n d i c a t e dt h e r m a le f f i c i e n c ya r ek e e p i n ga th i g hv a l u e s t h eo p t i m i z e dc o u p l i n go fi n t a k ep r e s s u r e ，v v t ，i n j e c t i o ns t r a t e g ya n de g r c a n e f f e c t i v e l yc h a n g et h ei n c y l i n d e rt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n do x y g e nc o n c e n t r a t i o n , a n dt h e nh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ef u e l a i rm i x i n ga n dc o m b u s t i o np r o c e s s t h ee n d r e s u l ti st h a tc l e a na n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c yd i e s e lc o m b u s t i o na th i g hl o a dc a l lb e r e a l i z e d a tl a t ei n t a k ev a l v ec l o s et i m i n ga n do p t i m i z e dm a i ni n je c t i o nt i m i n g ，a n d u n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fh i g h e ri n t a k ep r e s s u r et og u a r a n t e es u f f i c i e n to x y g e ni n c y l i n d e r , u s eo fs m a l le g r r a t ec a ns i m u l t a n e o u s l yr e d u c en o xa n ds o o te m i s s i o n s d r a m a t i c a l l y a tt h es a m et i m et h ei m e pa n di n d i c a t e dt h e r m a le f f i c i e n c ya r ea l s o k e e p i n ga th i g hv a l u e s k e yw o r d s ： i n j e c t i o ns t r a t e g y , p r e m i x e dc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( p c c i ) c o m b u s t i o n , c o m p o u n dc o m b u s t i o n , e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g r ) ， v a r i a b l ev a l v et i m i n g ( v v t ) ，e n g i n ee m i s s i o n s ，i n d i c a t e dt h e r m a le f f i c i e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一张却铽一期：川删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字同期：乙和g 年 导师签 签字同 0 月jy 日 淤。r -ll-tli-lf 几 月 、必 g 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机因其热效率高、功率范围广、比质量轻、移动方便等优点而被广泛应 用于社会生活的各个领域，尤其是汽车领域。目前全球汽车保有量已超过十几亿 台。国内外专家认为：在今后相当长的时间内，至少在2 1 世纪前半叶，以石油 ( 柴油，汽油) 为燃料的内燃机仍然是汽车的主流动力装置 i 。 按照着火方式的不同，内燃机又分为火花点火式发动机( 汽油机) 和压燃式 发动机( 柴油机) 。其中柴油机除了具有上述的诸多优点外，与汽油机相比，还 具有良好的经济性、动力性和耐久性并且其温室气体c 0 2 排放还低于同捧量 汽油机的3 0 3 5 。因此，柴油机已经广泛应用于汽车、船舶以及各种动力 装置中。近年来出现的一系列崭新的技术使柴油机在动力性、经济性和排放等各 方面得到了相当大的改善。这些技术包括新型电子控制技术：针对进气系统的先 进增压中冷技术：针对燃油系统的高压共轨系统；针对燃烧过程优化的燃烧室、 涡流比、喷锥角、废气再循环( e g r ) 、可变气门定时( w t ) 和喷油荒略的优 化匹配技术以及以d e p m 系统和d e n o x 系统为代表的两种捧气后处理技术 - m m 咖 一 a 删 删 1 0 h # h * 自n _ n 口s t n # 十 图1 - 1 我国2 0 0 5 、2 0 0 6 年发动机按燃料的产销量对比 正是由于柴油机具有如此多的优点，它在全球范围内得到了飞速的发展，除 了应用于载重汽车外，在上个世纪束开始已经广泛应用于轿车上。2 0 0 3 年欧洲 柴油轿车的销量增加到6 3 0 万台，几乎是1 9 9 8 年的2 倍，占新车销量的4 4 ； 柴油轿车在奥地利的市场占有率已达7 22 在法国则已经达到了6 73 ，在德 第一章绪论 国为5 0 。目前欧洲9 0 以上的出租车和租赁车辆都采用柴油动力；预计到2 0 1 0 年，新车中6 5 的汽车动力会采用柴油机，成为满足未来欧v 排放标准的轿车 主流动力【2 】。在我国，先进柴油机的开发已经引起了政府的高度重视。在2 0 0 6 年由国家发展与改革委员会和科技部共同起草的中国节能技术政策大纲中， 明确提出“要鼓励发展节能轿车和柴油车，要重点开发柴油机电控技术及四气门 结构设计、制造技术，以及小缸径柴油机增压及中冷技术；推广柴油机电子控制 共轨技术；加快轻型汽车的柴油化进程，发展柴油发动机轿车；制定鼓励使用柴 油汽车、专用车、厢式车和重型汽车、列车的政策，提高柴油车在运营车中的比 重 。在国家优惠政策下，我国的柴油机产业得到了快速发展。2 0 0 6 年我国柴油 车的总产量达到了1 5 4 8 6 万台，比2 0 0 5 年增加了2 1 5 5 【3 j ，见图1 1 。 图卜2 我国汽车保有量( 百万台，含预测数据) 【4 】 另一方面，柴油机的飞速发展在给人们生产生活带来极大便利的同时，也给 人类社会带来了能源和环境方面极大的负面影响，成为了制约柴油机发展的关键 问题。 1 2 柴油机发展的制约因素 众所周知，汽油机和柴油机使用的燃料来自于石油资源，随着我国近年来汽 车保有量的飞速增加( 2 0 0 5 年已经达到3 5 0 0 万辆，预计到2 0 2 0 年将达到1 4 5 0 0 万辆h 】，见图1 - 2 ) ，对能源的需求也相应急剧增长。最新统计数字表明我国已 经是世界石油资源消耗第二大国【5 母】，而内燃机是我国石油资源消耗的主要途径。 2 0 0 0 年，我国石油消费大约为2 4 亿吨，其中内燃机消耗的石油量约占6 1 。然 而，我国的石油储量并不丰富，人均剩余可开采量只有世界人均可开采量的1 1 0 ， 是典型的贫油国。从1 9 9 3 年开始，我国的石油进大于出，成为石油的净输入国， 2 第一章绪论 以后进口量逐年增加，据统计。2 0 0 2 年我国进口原油约8 0 0 0 万吨，占石油总消 费量3 2 ，而2 0 0 6 年这一比例已经达到了4 7 【1 0 】。而且，石油是一种不可再生 资源，按照目前的汽车保有量计算，地球上可供开采的石油仅仅能够维持4 0 到 5 0 年1 ”，石油供应将越来越少。因此，要缓解我国石油供需的紧张状况，必 须首先提高我国内燃机的燃料利用率。当前，我国内燃机技术和世界先进国家相 比，还有很大的差距，内燃机燃料利用率与国外先进机型相比要低1 0 一2 0 以 上所以开展内燃机节能研究是有潜力和必要的。 此外，汽车保有量的快速增长除了带来能源短缺问题外，其排气污染物还给 大气环境和城市环境带来了巨大的污染破坏作用。以柴油机为例，柴油机的排放 产物丰要是一氧化碳( c o ) 、碳氢化台物( h c ) 、硫化物、颗粒物( p m ) 和氮 氧化物( n o x ) 等，其中尤以n o x 和p m 为主【1 4 1 。这些有害排放物对大气环境 的危害主要表现在形成光化学烟雾、酸雨、使臭氧层减薄、臭氧浓度过高以及造 成全球范围的温室效应。由于汽车废气的捧放主要在地面上方0 3 米至2 米之间， 正好是人体的呼吸范围，对人体健康的损害非常严藿。例如，h c 与n o x 在太阳 光照射下会引起光化学反应，形成光化学烟雾，刺激眼睛和喉咙，使呼吸系统的 免疫力下降，导致暴露人群患上眼病、慢性气管炎、支气管炎及呼吸困难、肺功 能下降等一系列症状：内燃机排出的p m 一般小于1 微米，可吸入到人肺的底部， 微粒碳核上吸附的其它有毒物质被吸入人体，会对人体造成损害；h c 中的苯并 芘共物质是强致癌物质，被人体吸入后不能排出，积累到临界浓度便会引发肺癌、 甲状腺癌、乳腺癌等；c o 与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快2 5 0 倍，所 以，即使有微量一氧化碳的吸入，也可能给人造成可怕的缺氧性伤害，轻者眩晕、 头痛，重者脑细胞将受到永久性损伤“”。 圈卜3 美国和欧盟的排放法规 正是由于汽车捧气对大气环境和城市环境具有如此巨太的污染和破坏作用， 各国政府都制定了日趋严格排放法规以限制汽车尾气排放。如图1 3 所示，欧盟 雾 fxj口t量sz 第一章绪论 将于2 0 0 9 年实施的欧v 法规规定柴油机的n o x 排放限值为20 9 k w h ，p m 排放 限值为o0 2g k w h ；而美国最新的e p a 2 0 1 0 法规则规定n o x 排放限值为 o2 9 h p - h r ，p m 排放限值为o0 1g h p - h r i l 7 1 , 我国由于受国家经济技术水平的 限制，对于汽车排放控制方面起步较晚。根据国内机动车污染状况、发展需要和 环境保护的需要，我国的机动车排气污染控制法规主要借鉴了欧洲的排放法规标 准体系从1 9 9 9 年开始对小型车执行欧i 的捧放限制标准，2 0 0 4 年7 月已开始 执行嘏当于欧洲i i 号标准的排放法规；到2 0 0 8 年7 月1 日，在全国范围内实施 相当于欧洲第三阶段的排放控制水平( 北京于2 0 0 5 年7 月1 日实施国3 标准) ： 2 0 1 0 年之后争取与国际排放控制水平接轨。因此，降低柴油机尾气排放已经成 为了当前内燃机工作者的当务之急。 目前，为满足严格的排放法规要求，降低柴油机主要尾气排放物n o x 和p m 的技术路线主要有两条，如图i - 4 所示。一条是采用e g r 将n o x 排放降至法规 限定值，再采用以d o c d p f 为代表的d e p m 排气后处理系统将p m 排放降低至 法规限定值；另一条则采用优化p m 排放的燃烧方案将p m 排放降低至法规限定 值，再采用以s c r 为代表的d e n o x 排气后处理系统将n o x 排放降低至法规限 定值。由此可阱看出，不论哪种方案，都会不可避免地使用附加贵金属资源的后 处理设备，这就直接造成柴油机成本的显著增加，而且也会引起贵金属资源短缺 等问题。 0123456 789 1 0 n o xa , * w n 囤l - 4 柴油机降低n o x 和p m 排放的技术路线 通过以上分析不难看出，现代社会对柴油机提出了节能、环保和低成本三大 要求。必须首先解决好这三个问题，才能使柴油机得到进一步的发展，更好地服 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0川兰!呲室|。 娄_矗=t 第一章绪论 务于人类社会。因此，新型的节能、低捧放、高效率及不使用昂贵后处理器( 或 使用低成本的简化后处理器) 的柴油燃烧技术已经成为了时下柴油机工作者的 工作目标之一。根据此目标国内外的柴油机工作者通过长期的探索和研究，提 出了柴油低温燃烧概念这一新型的柴油燃烧技术。 t 椰p 啪i i | m ( k ) 图l 一5 - - t 原理图( 参考：原图【1 9 2 1 l ，l t 一”】：h t rf 2 3 1 ；c o 氧化门 槛m2 5 】：不同氧浓度对应的温度曲线”2 1 ) 1 3 柴油低温燃烧技术 1 3 1 柴油低温燃烧撬念的引入 p i s c h i n g e r 等的理论和试验研究表明”“，内燃机燃烧过程中主要有害排放产 物生成都需要满足特定的边界条件，即特定的混合气浓度和燃烧温度范围。只要 合理控制缸内的混合气浓度、燃烧温度以及压力等条件，避开n o x 和碳烟的生 成区域，就有可能实现超低排放。 2 0 0 1 年，k a z u h i r 0a k i h a r a a 等i 在k a m i m o t o 等实验结果叫的基础上，以 正庚烷和苯均质混合气代替柴油燃料，通过s e n k i n 代码计算口”得出了柴油机主 要排放物( n o x 和s o o t ) 与混合气浓度( 当量比) 、温度间的函数关系。数据 经过整理，即形成如图1 5 所示的妒一t 图。图中l t r 表示燃油开始低温反应 的温度，h t r 表示燃油开始高温反应的时刻。2 0 0 2 年，tk j t a m u r a 等对多种 燃料的曲、t 、排放间的关系进行了研究。结果进一步证明了s o o t 生成的峰值 所对应的温度在1 8 0 0 2 0 0 0 k 区间内变化，受燃料类型影响不大。此外，c i a j o l o 等p 0 对温度与s o o t 之间关系的研究表明：当燃烧温度较高时，多环芳香族烃 ( p o l y e y c l i ca r o m a t i ch y d r o o a r b o i i s ，p a h s ，是s o o t 的先导物) 会被氧化成最终 第一章绪论 燃烧产物，而不是转化为s o o t 。最大的s o o t 浓度出现在中间燃烧温度区域( 与 tk i t a m u r a 等研究结论一致”) 这个温度区域p a h s 易于形成并向s o o t 转化。 在低火焰温度区，p a h s 的氧化变得困难，过低的温度不能使p a h s 凝结以及向 s o o t 转化。微粒直径对应的峰值与燃料类型无关，其温度区间为1 9 0 0 2 0 0 0 k 。 图中的绝热火焰温度由c h e m k i n 软件包中的e q u l 程序”1 1 计算得到。计算在 压力6 m p a ，滞留时间2 m s 的条件下进行。此外，从图中还可见，n o x 排放主要 产生在绝热火焰温度高于2 2 0 0 k 的范围内，这主要是由于z e l d o v i c h n o x 生成机 理【l “中o + n 2 - - n o + n 反应的活化能很高，仅在高温下才会大量生成n o 。 f啊m | d网黔姆 ，n a f 1 i m b u ： lr c 、 朔；。r 1 ：c ，= 产 h c c ，匀( 工= ：二：苫列强u 匕_ 据上述可知，要完全避免n o x 和p m 排 放的产生，必须使缸内的浓度和温度分布满足 特定的条件，即庐 2 ，t 2 2 0 0 k 。柴油低温 燃烧概念正是基于此原理提出的。图i 一6 给出 了柴油新概念低温燃烧和传统燃烧在壬t 图上的4 - - t 分布对比阢”】。传统柴油燃烧 过程由于其固有的扩散燃烧特性喷雾的混合 时间很短燃油与空气的混合严重不均匀，存 在高温过浓区和高温火焰区1 ，如图1 7 所 示。高温过浓区由于缺氧会产生大量的碳烟， 高温火焰区由于氧量充足且温度超过2 2 0 0 k 会产生大量的n o x 捧放，因此传统柴油燃烧 圈卜7 传统柴油喷雾燃烧与捧放 物生成过程捭卅 过程会不可避免地产生大量的n o x 和碳烟捧放渫油均质充量压燃( h o m o g e n o u s 一一 i ? ? ? ? 7 7 i ? ? j ? 0 第一章绪论 c h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ，h c c i ) 燃烧概念是燃油、空气及再循环废气的稀 均质混合物( 咖 1 ) 被压缩到上止点附近时多点同时着火的过程，它结合了柴油 机压燃燃烧和汽油机均质混合气的优点。与汽油机相比，它取消了节气门，泵吸 损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的 高热效率；与传统的柴油扩散燃烧过程相比，由于是均质混合气，缸内混合气的 燃烧过程几乎是同时进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，n o x 排放很低， 几乎没有s o o t 产生。研究表明，该过程主要由燃料的化学反应动力学控制【3 文 】。 在实际的柴油h c c i 燃烧过程中，绝对均质的混合气是无法制备的，人们通 过缸内喷射方式制备的是存在浓度和温度分层的准均质预混合气。研究表明，非 均质度较大的混合气反而对控制h c c i 燃烧的燃烧和放热过程有利 4 0 4 1 1 。因此， 人们将h c c i 的概念延伸，得到了预混充量压燃( p r e m i x e dc h a r g ec o m p r e s s i o n i g n i t i o n ，p c c i ) 燃烧概念，如图1 - 6 所示。 柴油低温燃烧( l o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n ，l t c ) 过程是在h c c i 概念的 基础上进一步发展而来的。针对h c c i 燃烧过程运行范围狭窄的缺点，研究者从 妒一t 图上发现只要燃烧温度低于1 5 5 0 k 左右，即使在混合气高浓度( 当量比在 2 以上) 情况下也可以避免s o o t 的生成。基于此，在大负荷工况人们采用高废气 再循环( e g r ) 率( 或可变压缩比) 形成的缸内低温延长滞燃期，并同时辅以高 压喷射促进燃油的混合，使得在燃烧开始时有更多的燃油处于当量比小于2 的范 围内，能够有效抑制碳烟的生成，在燃烧结束后缸内温度远小于n o x 产生的温 度，n o x 排放也低。因此，l t c 燃烧可以在较浓的混合气条件下实现，可以在 更大的工况范围内实现低n o x 和碳烟排放。 从以上分析可以看出，h c c i 燃烧和l t c 燃烧过程具有的一个共同的基本特 征是“( 相对) 均质压燃，低温燃烧”。其核心思想是通过降低燃烧温度和组织适 当浓度的混合气来避开n o x 和碳烟排放的生成区域，同时通过采用合理组织燃 烧过程等措施获得与传统柴油机相当( 或更高) 的热效率。此外，这两个过程都 是建立在燃油的快速混合及相对长的混合时间上的，快速的混合速率是实现 h c c i 燃烧和l t c 燃烧的根本保障，故有必要对强化燃油混合速率和增加着火延 迟期的技术措施加以讨论。 1 3 2 燃油空气混合过程强化新技术 由于柴油机中的燃烧是燃油和氧气不断混合并经适当的化学准备后发生快 速放热的过程，故控制燃烧过程本质上就是控制混合( 物理过程) 和化学准备过 程( 化学过程) 。因此，减小混合特征时间及增加化学特征时间是促进混合，实 现发动机高效、清洁燃烧的根本途径 1 5 , 4 2 , 4 3 】。 7 第一章绪论 减小混合特征时间的主要技术措施有： ( 1 ) 燃油供应系统的改进，包括采用高的燃油喷射压力、小孔径喷嘴以及 多次喷射的喷油策略等。提高喷射压力能显著提高喷雾能量，促进液态燃油的破 碎，蒸发和混合，使燃油的混合过程得到明显改善，进而显著影响发动机的排放 性能。而通过合适的喷孔直径、喷嘴结构的设计，一方面增大喷雾锥角，改善雾 化过程：另一方面，使喷入气缸的燃油与周围气体间的相对速度得到增加，促进 油滴的破碎、蒸发速率。 b 0 0 8 x4 8 ，h n j ：9 0 m p _ n o z z l e 40 0 8 x ”- 州：2 4 0 1 ” e o “广i 丽o ne n d”5 厂i 而i 孟忑 f一+ 一“qc , a 0 0 s 【 一+ 1 0 d e 9 c a00 6 一“0 d e oc b , ；。+ 1 5 。d e g 。c a | ； ：嚣划 | if | i ”：l 碜卅”k 垂i 套：_ 如图1 8 所示，a k i h i k om i n a t o 等的研究发现m j ，在相同的喷嘴参数 ( 8 x 0o g m m ) 下，当喷射压力为9 0 m p a 时，喷雾经过2 0 d e g c a 的发展时间后， 有相当数量的混合气处于当量比为1 以上的浓区及o5 以下的稀区；当喷射压力 提高到2 4 0 m p a 时，经过同样的混合时间后，缸内混合气的绝大多数都处于当量 比为0 5 和1 之间，燃料的浓度分布得到明显改善。 f r e d f i kw a h l i n 等人则在不同的发动机转速下研究了燃油喷射压力对喷雾混 合时间的影响 4 f t 他们定义从喷油开始时刻到高温反应开始时刻之间的时间段为 燃油在缸内所经历的混合时间。研究结果显示，随着喷射压力和转速的提高，燃 油混合时问显著缩短，表明燃油与空气的混台过程得到了有效的强化，如图1 9 所示。 图i - 1 0 给出了nah e n e i n 等人在一台单缸、4 气门柴油机上进行的喷射压 力对排放和放热影响的试验结果f 4 q 。如图所示，喷射压力的提高能够显著改善 燃油的混合过程，在着火时刻有更多的燃油形成了浓度适当的可燃混台气，这使 得着火后缸内的放热速率和幅值明显增加，碳烟排放明显降低。 第一章嬉论 m r a t eo fh e a tr e l e a s e n e e d l e l i f l s o f s o m f k i m s l 一厂、州 、一 m m c r k 吲e d q 一砖 q 图l _ 9 喷射压力对燃油混合时间的影响h 5 ：e 割 。 ：主l 2 8 ：；1 ， _ j 。 14 5n 7 x ”上三；茸 c _ n h 咖i d o ，叫 图卜1 0 喷射压力对排放和放热的影响1 4 q 在实际柴油机中，喷孔减小使得喷 孔总的流通面积减小导致喷油持续期 增长，燃烧恶化。该问题在高转速和高 负荷时尤其突出。一般地，采用增加喷 孔数的方法来解决该问题，但喷 l 数过 多，会导致喷嘴头部的机械强度变低， 限制高压的进一步提升。为此博世 ( b o s c h ) 和电装( d e n s o ) 公司都提 出了采用多排喷孔排列的方案唧4 ”。 g r i p h o l e 丑kf i * is p r 州o k e w m i o n “ o 蛰 ；迄却： 图卜1 1 双排喷嘴喷雾的p l i f 图像 电装公司通过p l i f 测试发现，双排的喷孔不但成功解决了上述问题，还有效促 进了燃油的混合过程( 见图1 1 1 ) 。这与三菱p c i 的碰撞油束喷嘴结果一致，原 理也相同。但喷嘴锥面的密封是这类喷嘴需解决的主要问题。 一e一口。口am u l a c k 口 ，t墼一 第一章绪论 此外，缸内早喷是获得长混合时间最有效的方法。但在传统喷油系统的条件 下，早喷会带来燃油“湿壁”的问题，机油耗上升，微粒排放增加，严重时还会因 润滑失效导致发动机损坏。为避免或减少柴油撞壁现象的发生，天津大学内燃机 国家重点实验室苏万华教授提出了一种基于模式调制( 图1 1 2 ) 的可控预混合燃 烧和稀扩散燃烧相结合的复合燃烧系统( m u l i n b u m p ) ，是一种实现柴油燃料 均质压燃着火燃烧概念的有效途径( 图1 1 3 ) 。m u l i n b u m p 复合燃烧技术，在 保持低的p m 和n o x 排放的基础上，显著地扩展了发动机的负荷范围，复合燃 烧的i m e p 可达0 9 3 m p a 【4 i ，4 叽5 l 】。研究结果发表以后，引起了世界范围内的反响， 并被借鉴进行了多项后续研究 5 二5 4 】。 均衡式口 多脉冲喷射主喷射 jl i 温度，浓度分层b u m p 燃烧室 ll 可控自燃快速混合 l l 可控预混燃烧稀扩散燃烧 l l m 【皿m i m 口复合燃烧 图1 - 1 2 典型喷油模式示意图图1 - 1 3m u l i n b u m p 复合燃烧技术示意图 ( 2 ) 燃烧室形状的优化设计。从促进油气混合的角度出发，现代柴油机燃 烧室必须具有合理引导喷射油束、充分利用喷雾能量以及产生、促进气流运动( 挤 流、逆挤流以及微涡流等) 等功能。围绕上述目的，国内外的研究者们设计出了 各具特色的挤流口燃烧室【5 引、湍流燃烧室【5 6 毒8 】以及充分利用喷雾能量促进雾化的 燃烧室 5 9 - 6 2 等多种燃烧室。但是，现有的燃烧室设计结构仅能提高燃烧前期、中 期的混合速率，对于燃烧后期，尤其是喷油结束后的混合速率的提高基本上没有 作用。从燃烧过程的角度看，燃烧后期的混合速率决定了缸内局部的浓度、温度 条件，从而决定了发动机的排放结果、燃烧效率和热效率( 后期混合的速率直接 影响未燃h c 的氧化和c o 到c 0 2 的转化程度) 【1 5 6 3 】。 ( 3 ) 进气系统的改进，主要是提高进气压力及进气涡流比的优化。提高进 气压力能提高燃油喷射背压，增加缸内密度，降低喷雾贯穿距离及增大喷雾锥角， 从而增加燃油与空气的接触混合时间。涡流比的优化能提高气流运动，促进液相 燃油和空气间的传热和质量交换系数，使喷雾的发展范围扩大，同时还能使撞壁 燃油扩展到更宽广的面积上，有利于促进其进一步蒸发混合。 j m d e s a n t e s 等人的研究表明畔j ，喷射背压的提高能减小燃油喷雾的贯穿 距离，增加喷雾锥角( 见图1 1 4 ) ，进而可以消除或削弱喷雾的湿壁问题，增加 1 0 ，盗 f ， = l恶一 ， = 一 一益 跏， l 蚕一一 馘，鼍三 第一章绪论 燃油与空气的接触时间和接触面积，从而能够显著的提高油气混合速率及提高燃 烧效率。 p i - 8 0m p a n o z z l e 巾= 1 8 3i t m 1 2k g 2 4k g i3 5k g 4 6i i g 5 8k g 6 9k g m 3 m 3 m 3 m 3 m 3 m 3 5 0 01 0 0 015 0 02 0 0 02 6 0 0 t i m e 【u s 】 t l i n e 【u s 】 图1 - 1 4 缸内密度对喷雾贯穿距离和喷锥角的影响【6 4 1 n a h e n e i n 等人的试验研究结果也显示【4 刨，涡流比的提高能显著强化油气 混合率，在缸内着火时刻有更多的混合气处于着火浓度范围内，引起着火后放热 速率及幅值的增加，由于浓区混合物( 多 2 ) 的减少，碳烟排放的得到改善，如 图1 1 5 所示。 增加化学特征时间的主要技术措施有： ( 1 ) e g r 技术。发动机排气中含有大量高比热容的c 0 2 和水，这些物质引 入气缸后会增加混合物的比热容，从而显著降低缸内的压缩温度，延长着火延迟 期，降低n o x 排放。此外e g r 的引入使进气中的氧气量减少，对缸内混合气起 到了稀释作用，能有效降低化学反应速率，从而增加燃油混合时间。 ( 2 ) 基于仃的可变压缩比技术。改变压缩比可以改变混合气的密度、压 力和温度，从而对燃油的自燃过程产生影响。发动机的压缩比有两个定义，即几 何压缩比和有效压缩比。其中，降低有效压缩比是一种行之有效的方法。对于柴 油机而言，通过进气门晚关的方式可以降低缸内的温度和压力，从而控制化学特 征时间，推迟缸内的着火过程，降低n o x 排放。此外，降低有效压缩比还可以 利用较大的膨胀比，实现米勒( m i l l e r ) 循环，作功能力增强。 ( 3 ) 燃料改性。图1 1 6 和图1 1 7 给出了燃料特性对放热率以及白燃着火 o o o o o o o 6 5 4 3 2 1 【ec墓叠cm氛dl卜j|【露cl ei口。伽coo l i 【歪a 协 第一章绪论 特性的影响。这给化学特征时间的控制提供了可能，即通过混合燃料、添加剂、 燃料预处理等各种措施使燃料的自燃着火特性改变，从而实现控制燃烧过程的目 的【6 5 6 8 1 。 挚 翟 囊 爨 舢 碧 图卜1 5 涡流比对排放和放热过程的影响 4 6 】 图1 - 1 61 1 p e l l t a n e ，n h e x a n ea n d n - h e p t a n e 燃料放热率的比较 ( 夕= 0 3 5 ，无e g r ，1 4 0 0r r a i n ) 1 4 柴油低温燃烧概念的发展近况 1 4 1 柴油h c c i 燃烧的发展近况 舀 穹 鼍 皇 三 誊 乏 吾 ： t e m p e r a t u r ek 图1 - 1 7n - p e n t a n e ，n - h e x a n ea n d n - h e p t a n e 燃料自燃着火特性的比较 ( = 0 3 5 ，无e g r ，1 4 0 0r r a i n ) h c c i 燃烧过程最早来自于针对汽油燃料发动机的研究。o n i s h i 等人于1 9 7 9 年最早提出了具有h c c i 特征的燃烧概念 6 9 1 ，当时称为“活化热氛围燃烧 ( 燃) ”，研究的目的是为了降低二冲程汽油机污染物排放