（工程热物理专业论文）预混合压燃氢气柴油发动机混合气形成与燃烧过程的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：当今社会能源危机和环境问题日益严重，传统的汽油机和柴油机燃烧方式 都很难同时降低氮氧化物和碳烟的排放，所以有必要开发研究新型低排放的燃烧 方式。准均质充量压缩点火燃烧( q h c c i ) 方式占总燃料多数的预混合燃料以稀薄 燃烧完成，故可能有很低的排放，尤其是碳烟和氮氧化物。由于燃烧速度比较快， q h c c i 燃烧系统还有望有较好的燃油经济性，被认为是未来取代传统发动机燃烧 方式的最有前途的技术之一，是目前内燃机界研究的热点。 本文采用数值模拟计算的研究方法，对预混合压燃氢气柴油发动机混合气的 形成过程和燃烧过程进行了深入的研究。论文研究第一部分，针对预混合压燃氢 气柴油发动机的特点，建立数学模型，改进原k i v a - 3 v 程序，使其不仅能够对纯 柴油发动机的工作过程进行模拟，而且能够对预混合压燃氢气柴油发动机的工作 过程进行数值模拟；论文研究第二部分，对预混合压燃氢气柴油发动机混合气的 形成过程进行研究，分析燃油喷雾特性、初始涡流比和转速等对预混合压燃氢气 柴油发动机混合气形成的影响；论文研究第三部分，对预混合压燃氢气柴油发动 机着火和燃烧过程进行研究，分析引燃柴油喷雾特性、喷嘴喷孔数目、初始涡流 比和转速对预混合压燃氢气柴油发动机着火和燃烧过程的影响。 数值模拟结果与实验数据有较好的吻合度，说明改进后的k i v a 3 v 程序不仅 能够对纯柴油发动机的工作过程进行模拟，而且能够对预混合压燃氢气柴油发动 机的工作过程进行数值模拟，这为应用k i v a 3 v 程序及相关模型进行理论分析奠 定了可靠的基础。 通过研究发现，预混合压燃氢气柴油发动机整个燃烧过程符合准均质压缩点 火燃烧的特点。其燃烧过程首先在某个曲轴转角时刻柴油压燃，之后通过预混柴 油燃烧放出的热量点燃周围的氢气，之后是氢气大面积的预混合主燃烧；循环氢 气量越多，主燃烧( 氢气大面积的预混合燃烧) 会越剧烈；通过控制循环柴油量和氢 气量的比例，可以同时降低一氧化氮和碳烟的排放。 通过研究确定了引燃柴油喷雾特性、喷油器喷孔数目、初始涡流比和转速对 预混合压燃氢气柴油发动机混合气形成和燃烧过程的影响规律。通过选取发动机 合适的转速、喷嘴喷孔数目和初始涡流比，调整喷油提前角、喷雾粒子群出口速 度、喷油油量和循环氢气量，可以控制预混合压燃氢气柴油发动机的混合气形成 和燃烧过程，实现准均质充量压缩点火燃烧。 关键词g 预混合压燃；氢气；柴油机；准均质充量压缩点火燃烧；数值模拟 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：n o w a d a y st h ee n e r g ys o u r c e sc r i s i sa n dt h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m b e c o m e sm o r ea n dm o r es t r i c t n e s s a st h et r a d i t i o n a lg a s o l i n ea n dd i e s e le n g i n e c o m b u s t i o nm o d ec a nn o td e p r e s st h ep a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) a n d n i t r o g e no x i d e s ( n o x ) s i m u l t a n e o u s l y s oi ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t en e wc o m b u s t i o nm e t h o d st os o l v et h e s e p r o b l e m s q u a s ih o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( q h c c i ) c o m b u s t i o nm a y b e 谢t hl o we m i s s i o n s ，e s p e c i a l l yf o rs o o ta n dn o x ，a c c o r d i n ga st h em o s tf u e lw h i c hi s p r e m i x e di sl e a nb u r n t a l s ot h eq h c c ic o m b u s t i o nm a yb ew i t hab e t t e re c o n o m i c a l e 街c i e n c yf o rah i g l lb u r n i n gs p e e d s oi ti st h er e s e a r c h i n gh o t s p o ti nt h ei n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n ef i l e d ，w h i c hi sd e e m e dt ob et h eb e s tp r o m i s i n gc o m b u s t i o nm o d et o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lm o d e 1 1 1 ef u e l a i rm i x t u r ef o r m i n ga n dc o m b u s t i o np r o c e s si nh y d r o g e n d i e s e le n g i n e o fp 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 ni ss t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h e m a t h e m a t i cm o d e sw e r eb u i l ta c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r o g e n d i e s e l e n g i n ew o r k i n gp r o g r e s s t h ek i v a 3 vc o d e sw e r er e b u i l ts u c c e s s f u l l yt os i m u l a t et h e w o r k i n gp r o c e s so fb o t h t h e h y d r o g e n d i e s e le n g i n ea n dt h ep u r ed i e s e le n g i n e s e c o n d l y t h ep r o g r e s so ft h ef u e l a i rm i x t u r ef o r m i n gb e f o r ec o m b u s t i o nw e r es t u d i e d i n t h eh y d r o g e n d i e s e le n g i n ec y l i n d e r , a n dt h e nt h ei n f l u e n c el a wt ot h ef u e l a i rm i x t u r e f o r m i n go ft h ed i e s e ls p r a yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h en u m b e ro ft h ei n j e c th o t ，t h ei n i t i a ls w i r l a n dt h es p e e do ft h ee n g i n er o t a t i o nw e r ea n a l y s e d l a s t l y , t h ep r o g r e s so ft h ei g n i t i o n a n dc o m b u s t i o no ft h eh y d r o g e n d i e s e le n g i n ew e r es t u d i e d a n da l s ot oa n a l y s et h e i n f l u e n e et ot h ep r o g r e s so ft h ei g n i t i o na n dc o m b u s t i o no ft h ep a r a m e t e r sa b o v e 1 1 1 e l a s ts t e pi st og e tt h ec o n d i t i o nt oa c t u a l i z et h eq h c c ic o m b u s t i o n 1 1 1 ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ef o u n df r o mt h ea n a l y s i so ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n f i r s t l y , t h ek i v a 3 va f t e rb e i n gr e b u i l tc a ns u c c e s s f u l l ys i m u l a t et h ew o r k i n g p r o c e s so fb o t ht h eh y d r o g e n d i e s e le n g i n ea n dt h ep u r ed i e s e le n g i n e ，a c c o r d i n gt ot h e c o n t r a s to ft h er e s u l tb e t w e e ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，i ti st h er e l i a b l eb a s ef o rt h e f u t u r er e s e a r c h s e c o n d l y , t h el a w so ft h ef u e l a i rm i x t u r ef o r m i n ga n dc o m b u s t i o np r o c e s sw e r e g a i n e da b o u tt h eh y d r o g e n d i e s e le n g i n eo fp 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 1 1 1 e w h o l ec o m b u s t i o np r o c e s si st h es a m ea st h eq h c c ic o m b u s t i o nm o d e f i r s ts t e p t h e d i e s e lp a r t i c u l a t e sa r ei g n i t e dd u et ot h ec o m p r e s s i o no ft h ep i s t o n t h e nt h eh y d r o g e n a r o u n dt h ed i e s e li si g n i t e df o rt h ee n e r g yp r o d u c e db yt h ed i e s e lc o m b u s t i o n a tl a s t t h em o s ta c u t e l yp r e m i x e dc o m b u s t i o no fh y d r o g e ni sf o l l o 淅n g t h ec o m b u s t i o n b e c o m e sm o r ea n dm o r ea c u t e l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh y d r o g e n 。a n db o t hn o xa n d s o o tc o u l db er e d u c e db yc o n t r o l l i n gt h em a s st h eh y d r o g e n t 1 1 ef u e l - a i rm i x t u r ef o r m i n ga n dc o m b u s t i o np r o c e s si nh y d r o g e n d i e s e le n g i n e o fp 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 na r eb a d l ya f f e c t e db yt h ed i e s e ls p r a y c h a r a c t e r i s t i c s ，t h en u m b e ro f t h ei n j e c th o t s ，t h ei n i t i a ls w i r la n dt h es p e e do f t h ee n g i n e r o t a t i o n t h el a w sa b o u tt h ei n f l u e n c ew e r eg a i n e d t 1 1 ef u e l a i rm i x t u r ef o r m i n ga n d c o m b u s t i o np r o c e s sc o u l db ec o n t r o l l e db ys e l e c t i n ga p p r o p r i a t et h en u m b e ro ft h e 北京交通大学硕士学位论文 学位论文数据集 i n j e c th o t s ，t h ei n i t i a ls w i r l ，t h es p e e do ft h ee n g i n er o t a t i o n , t h ei n j e c t i o nc r a n kt i m e ， t h ei n j e c t i o nv e l o c i 坝t h ei n j e c td i e s e lm a s sa n dt h eh y d r o g e nm a s s i naw o r d ，t h e q h c c ic o m b u s t i o nm o d ec o u l db ec a r r i e d o u tb yc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r sa b o v e p r o p e r l yo ft h eh y d r o g e n d i e s e le n g i n e k e yw o r d s ：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 ；d i e s e le n g i n e ；h y d r o g e n ； q u a s ih o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( q h c c i ) ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n c l a s sn 0 ： v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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： 赛云迢 导师签名：号窄 签字日期：2 0 0 吕年月2 日签字日期：多略年万月易日 北京交通大学硕：卜学位论文 独创性声明 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，也不包含为获得北京交通大学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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缘亥起 签字日期： i 。2 年月j 、日 致谢 本论文是在我的导师宁智教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、方案论 证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师大量 的心血。 宁老师渊博丰厚的学识、严谨科学的治学态度、启发诱导式的指导方式以及 对人对事极负责任的态度，都使我终生受益。两年以来，宁老师不仅在科研、学 业上给我提出了殷切的期望和严格的要求，而且在生活上给予了极大的关心和帮 助。从导师那里不仅学到了丰富的专业知识，而且学会了如何思考，如何开展科 研工作，如何做人。在此论文收稿之际，谨向宁老师表示深深的敬意和衷心的感 谢! 感谢师兄虞育松、李玉琪、王玉军和白银环同学在论文的研究工作中给予的 帮助。在他们的帮助下，使我很快的熟悉了k i v a 源程序的结构和功能，从而顺利 开展课题的研究工作。 感谢姜大海、付娟、陈红、李婷婷、刘耀东等实验室成员在我撰写论文期间 的照顾和帮助，再次向他们表达我的感激之情。 感谢室友郭冬冬和安存春一直以来的关心和照顾以及在论文工作中的支持， 两年的相处，增进了我们之间的友谊，同时也从两人身上学到了许多有益的知识。 感谢北京交通大学机电学院曾给予我关怀、指导和帮助的各位老师。感谢机 研0 6 0 2 班全体同学，他们在学习、工作和生活等各方面都曾给予我极大的帮助和 支持。向他们表示由衷的感谢和良好的祝愿! 最后，特别感谢我的父母和姐姐，他们一直是我战胜困难的精神支柱，感谢 他们多年来对我的关心和支持! 1 绪论 1 1 研究工作的背景 1 绪论 柴油机至今仍然是热效率最高的动力机械。作为车用发动机，柴油机比汽油 机节油3 0 左右，因此表现出良好的经济性和较低的c 0 2 排放，加之柴油机功率 范围广，具有良好的动力性和可靠性，所以在汽车及工程机械中得到越来越广泛 的应用。但与此同时，由于长期依赖于化石燃料，汽车工业无可避免的出现了各 种问题，其中最为突出的问题就是环境问题和能源危机。 ， 1 1 1 环境问题 对大气环境和人体健康影响很大且已经被各国排放法规限制的柴油机排放物 主要是c o 、h c 、n o x 和微粒p m 。这些危害物对人体的危害简述如下【l l 。 ( 1 ) 一氧化碳c oc o 是一种无色无味的气体，它与血液中输送氧气的载体 血红蛋白的亲和力是氧的2 0 0 - 2 5 0 倍，c o 与血红蛋白结合生成羟基血红蛋白，相 对减少氧血红蛋白，相应损害血红蛋白对人体组织的供氧能力，c o 对人体的危害 如表1 1 。 表1 1c o 血色素对人体危害【2 1 1 坐! ! ! ：! 鱼皇塾坚坐旦! g q ! ! 尘堕塑2 9 ! 旦垒! 翌! ：! ( c o 血色素溉危害程度 5 2 0 2 0 一5 0 5 6 0 以上 降低神经系统机能 头痛、目眩 疲劳、虚脱 丧失意志、死亡 ( 2 ) 碳氢化合物h ch c 包括碳氢燃料及其不完全燃烧的燃烧产物、润滑油 及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。 烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对 粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。烯烃有很强的光化活 性，是与n o x 一起在日光紫外线作用下形成有很强毒性的“光化学烟雾 的罪魁 祸首之一。芳香烃有芳香味，却有危险的毒性，对血液、肝脏和神经系统有害。 北京交通大学硕士学位论文 多环芳烃( p a n ) 及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼粘膜、呼吸道和 血液有毒害。苯对人体的危害如表1 2 表1 2 苯对人体的危害闭 t a b l e1 - 2t h eb o d yh u r t so fb e n z e n e t 2 p ( 笨) ( m g l ) 危害程度 5 l m 之o 5 0 以上 3 0 0 以上 5 0 0 以上 感到臭味 对眼睛、鼻子、气管粘膜有轻微刺激 喉头剧痛，出现咳嗽 支气管炎，短时间重症中毒 数小时产生肺浮肿，短时间内死亡 ( 3 ) 氮氧化物n o xn o 是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成 n 0 2 。n 0 2 是褐色气体，具有强烈的刺激味，被吸入人体后与水分结合成硝酸，引 起咳嗽、气喘，甚至肺气肿和心肌损伤。n o x 是在地面附近形成含有毒臭氧的光 化学烟雾的主要因素之一。 ( 4 ) 微粒p m 柴油机排放的p m 主要成分是碳，可长期悬浮在大气中而不沉 降，会深入人肺部造成机械性超负荷，损伤肺内各种通道的自净机制，促进其他 污染物的毒害作用。碳粒上还吸附有硝酸盐及多种有机物质，其中包含p a h ，具 有不同程度的诱变和致癌作用。 汽车的发展使工业革命以来的大气污染更趋严重。其代表性的事件是1 9 4 3 年 美国洛杉矶烟雾事件，1 9 5 2 年伦敦烟雾事件，1 9 7 0 年的日本四日市事件和牛迟町 事件。这些都是世界公害史上有名的严重污染事件，直接受害者和死亡人数达数 千人【2 】。 1 1 2 能源危机 现代工业和人们生活所依赖的航空、船舶、汽车和化工等无不使用石油。内 燃机主要以汽油和柴油为燃料，这两种燃料都来自于石油。石油是不可再生资源， 储量有限，据统计，全球石油还可供开采4 0 5 0 年，石油资源危机将日益严重。 2 0 0 3 年我国已成为世界第二大石油进口国，石油资源需求很大，从能源发展战略 看，寻找一种新型能源替代石油、提高燃料的利用效率己破在眉睫1 3 。 氢能是一种理想的替代能源，“氢能源经济 的概念已经在西方国家得到广 泛的认同。氢气燃料与其他发动机燃料相比具有如下优点【3 】： 2 l 绪论 ( 1 ) 氢的资源丰富，并可采用多种方式制取，如可从天然气中提取，可电解水 制氢等； ( 2 ) 氢燃烧速度快。接近理论循环比成分的氢空气混合气的燃烧速度比其它 气体和汽油的燃烧速度高出2 8 倍，因此，氢气发动机可以用于贫燃； ( 3 ) 氢和空气的混合气具有特别广的可燃范围，在发动机整个负荷范围内都可 正常工作，只需调节供氢量即可； ( 4 ) 可燃性好。氢和空气的混合气燃点很高，不能压燃，必须采用外点火，由 于氢空气混合气的点火能量是其它可燃气体的1 3 1 6 ，其可燃性比较好； ( 5 ) 氢燃烧产物清洁，主要是水，仅有少量的n o x ，对环境污染小； ( 6 ) 以氢为燃料的发动机还有诸如不会发生汽锁、冷壁熄火、汽化不足、混合 不当等问题。 因此，氢作为汽车发动机代用燃料的优势不容置疑。 1 2 柴油机新的燃烧方式 柴油机因为有着高的热效率而被人们广泛应用，但由于扩散燃烧方式所固有 的混合气浓度分布极不均匀的特点，使得柴油机燃烧时缸内产生总体上“很稀， 而实际上存在许多局部“很浓”的适宜微粒产生的区域以及理论混合比附近的有 利于n o x 产生的区域。所以从燃烧学的角度上看，要彻底解决柴油机微粒物和n o x 的排放问题，必须改变传统的柴油机的燃烧方式，但还应保留其热效率高的优势。 近年人们在寻求新的燃烧方式，努力在柴油机上实现预混合燃烧，以从根本 上减少柴油机扩散燃烧带来的排放问题。这些研究分三个方向，一种是利用燃油 在压缩行程早喷射、压缩自燃为特征的p r e d i c ( p r e m i x e dl e a nd i e s e lc o m b u s t i o n ) 燃烧系绀4 j ；另一种则是采用气道喷射燃油、预混合进气、压缩自燃的均质充气压 燃着火的h c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) 燃烧系统；还有一种是 采用两种燃油供给系统，大部分燃油气道喷射、压缩行程末期柴油喷射引燃为特 征的准均质充气压缩点燃的q h c c i ( q u a s ih o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o n i 鲥t i o n ) 燃烧系统例。 3 北京交通大学硕：e 学位论文 1 2 1p r e d i c 燃烧系统 这种燃烧系统一般仍然采用传统柴油机的燃油喷射系统，改变燃烧室结构和 喷射定时，以减少直接喷射时的扩散燃烧、增加预混合燃烧，实现降低排放的目 的。有两级式燃烧和单级式燃烧两种。 ( 1 ) 两级式p r e d i c 两级式燃烧的要点是让第一级燃烧在浓混合气条件下进行，然后在第二级燃 烧阶段产生强烈的空气紊流及较大过量空气系数下氧化掉增加的颗粒，使n o x 和 微粒同时降低。上海交通大学研究的“可控活性化预混合燃烧 就是这种燃烧方 式。燃烧系统由主燃烧室、预混合室及控制阀组成。燃油首先喷入预混合室，利 用燃油从喷入预混合室到上止点附近的这一段时间进行雾化蒸发，并与部分空气 和残余废气进行预混合，同时进行焰前反应。当控制阀打开的时候，借助于两室 之间的压力差，主室中的部分气体冲入预混合室，进行二次混合并开始燃烧。而 燃烧气体的扰动又将未燃气体带入主燃烧室，与大量的新鲜混合气进行第三次混 合，并完成主燃烧。初步的结果表明，已经实现了一些预期的燃烧特性，能在低 速柔和地运转。但是当负荷增加时，排气中存在冒黑烟的现象，其原因是预混合 室中可燃混合气不能及时快速分布于主燃烧室【6 】。 ( 2 ) 单级式p r e d i c 单级预混合稀薄燃烧主要是依靠增大柴油喷射提前角，强化缸内空气流动， 加速燃油扩散、延长滞燃期。 丰田汽车公司研究的u n i b u s 系统，其特点是使用中空锥形喷雾以缩短喷雾 贯穿距离；喷油定时大幅度提前；喷油压力维持在可以雾化的最低值；为限制喷 雾贯穿，在喷嘴前端设置了碰撞部；喷油持续期限制在一定值以内，以实现燃油 快速分散【7 1 。试验中发现，当喷油提前角大于7 0 0 c a 以后，n o x 和烟度排放大幅 度减少，但h c 排放却有一定程度的恶化，同时也发现大负荷时效果不良。 大连理工大学利用伞喷及大的喷射提前角( 压缩上止点前2 8 0 c a ) 实现了具有 预混合特征的燃烧，改善了n o x 和微粒排放；但试验中也发现，在大负荷时，柴 油机的微粒排放有所恶化m j 。 日本汽车研究所的s h i n j ik o b a y a s h i 等研究了采用缸内柴油早喷的预混稀薄 狄塞尔燃烧系统，其喷油提前角为3 0 0 c a 7 0 0 c a 。缸内燃烧分析表明，系统实现 了接近预混合式燃烧；改善了柴油机的烟度和n o x 排放，且其改善的幅度随喷油 提前角的增大而增加；但h c 和c o 排放大幅度增加，系统的着火不易控制；当负 荷增大时，燃油经济性和排放有恶化的趋势【4 1 。 4 1 绪论 已有的研究实例说明，采用缸内柴油早喷可以实现柴油机接近预混合的方式 燃烧，从而改善了柴油机的排放。但柴油机预混合燃烧过程的控制却一直没有得 到有效的解决，这也是这一燃烧方式难以得到广泛应用的症结所在。 1 2 2 均质充气压缩点火( h c c i ) 燃烧系统 美国西南研究院首先开展了柴油机h c c i 预混稀燃的研究，利用类似于汽油机 进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中。为了使柴油与空气加速混合， 采用电加热进气管并采用e g r 。预混的稀混合气经压缩后多点点火，消除了扩散 燃烧。稀混合气降低了火焰温度，可使n o x 排放比普通柴油机减少9 8 之多；由 于气缸内不存在局部混合气过浓区，可使微粒排放减少2 7 【9 】。 1 9 7 9 年，o n i s h i 等人在二行程发动机上进行了h c c i 的研究【1 0 1 ，发现低负荷 工况下，在1 0 0 0r m i n 到4 0 0 0r m i n 的转速范围内，h c c i 都比传统的工作方式有 更好的工作稳定性，燃油经济性和排放也都有显著的改进。l i d a 在1 9 9 4 年的试验 表明【l ，在二行程发动机上用甲醇作燃料，h c c i 燃烧方式的工作范围可以明显扩 展。 近年来，针对柴油机燃烧过程的控制问题，国外一些公司先后推出了许多利 用喷水和废气再循环的燃烧控制技术，并试验研究了各种加水方法和废气再循环 方式对降低柴油机排放的效果。发现喷水、加湿和废气再循环对排放和燃烧能起 到很好的控制作用。国内的大连理工大学、武汉理工大学等许多单位也对柴油机 喷水燃烧控制技术开展了研究，取得了一定的研究成果。 h c c i 燃烧系统几乎实现了等容燃烧，所以具有高的效率( 高达4 7 以上) ：由 于采用极其稀薄的混合气，所以有极其低的排放( n o x 排放几乎为o ) ；但是由于 它是预混合气自燃着火，所以可控稳定工作是比较困难的；由于燃烧速度快，压 力升高率比较高【5 j 。总之，h c c i 效率和排放很好，但是实现起来比较困难，一般 被认为是未来解决柴油机排放的根本出路之一。 要使预混合均质压燃在内燃机中得到广泛的应用，充分发挥其热效率高、排 放好的优点，还有许多理论与工程问题需要解决【1 2 】，主要有以下方面： ( 1 ) 均质混合气的形成 对于蒸发性差的燃料柴油，均质混合气制备是一个基本问题，燃烧开始后， 微小油滴的存在都会形成扩散火焰燃烧，从而增加碳烟和n o x 排放。 ( 2 ) 燃烧控制 所谓燃烧控制，指的是对预混合均质压燃燃烧着火时刻和燃烧速率的控制。 5 北京交通大学硕1 二学位论文 常规发动机可以通过控制火花点火和燃油喷射时刻来控制着火时刻，而预混合压 燃发动机着火时刻由时间、温度和混合物组分决定的化学动力学所控制。 预混合均质压燃燃烧运行范围窄，在中、小负荷时燃烧柔和，而在大负荷很 难实现。在大负荷时大量的燃料几乎同时迅速燃烧，带来强烈的噪声和对发动机 的损坏。一般认为在大负荷下h c c i 燃烧采用常规发动机的燃烧模式，或采用分层 燃烧。 ( 3 ) h c 和c o 的控制 h c c i 发动机有较高的h c 和c o 排放。在大负荷时，h c 与常规发动机差不 多。在中低负荷下，特别是混合气过稀的情况下，燃烧不完全，此外由于壁面激 冷效应h c 排放很高，c o 也不能氧化成c 0 2 。但h c 和c o 这两种排放相对于碳 烟和氮氧化物来说，更容易通过后处理解决。 “) 冷起动和过渡工况 发动机冷起动时，温度低，向气缸散热也快，h c c i 发动机不易着火。通常采 用以下方法：常规工作方法起动，再转换成h c c i 燃烧模式；使用v c r 、v v t 、 增加压缩比、采用预热塞。发动机负荷和转速变化时( 过渡工况) ，着火时刻必须迅 速变化以实现h c c i 燃烧，这就必须有良好的控制系统。 ( 5 ) 控制系统 良好的控制系统是实现h c c i 燃烧控制、冷起动、过渡工况等的关键。它包括 控制方法、硬件、算法、传感器等方面。 1 2 3 准均质充气压缩点燃燃烧系统q h c c i 综观前面的几种燃烧方式，缸内早喷技术需要包括灵活喷油在内的高超的控 制技术，以保证在合适角度着火，排放性能有时也不理想( 尤其是h c ) ；h c c i 排放性能和燃油经济性很好，但是压力升高率太大，需要有非常好的控制技术( 进 气、e g r 等) ，以保证均质预混合气在适当时问着火。 所以有必要采用一种大部分燃料进气道喷射、形成均质预混合气，而在压缩 行程末期向缸内喷射少量柴油引燃的“准均质充气压缩点燃”( q h c c i ) 燃烧系统。 这种燃烧系统具有以下优点： ( 1 ) 大部分燃料将以均质稀薄混合气方式燃烧，期望有好的排放性能； ( 2 ) 少量柴油向缸内喷射可以控制燃烧的时间，使燃烧可控，而且点火非常可 靠。 q h c c i 燃烧系统的基本原理是：在发动机进气歧管上安装汽油喷射器等燃料 6 l 绪论 喷射装置，空气与燃料的稀薄混合气进入气缸；在压缩行程末期，柴油喷油器将 柴油喷入燃烧室，形成多个喷雾引燃区，经历短暂的滞燃期，局部地区发生自燃， 而后引燃气缸内的稀薄均质混合气。在多点多处点火的情况下，火焰迅速传遍整 个燃烧室，完成燃烧。 由于是少量的柴油自燃，然后引燃稀薄预混合气，所以点燃非常可靠。由于 在燃烧室中形成了许多个着火中心，大大缩短了火焰传遍整个燃烧室的距离，因 而燃烧迅速。由于占总燃料多数的预混合燃料以稀薄燃烧完成，故可能有很低的 排放，尤其是碳烟和氮氧化物。由于燃烧速度比较快，q h c c i 燃烧系统还有望有 较好的燃油经济性。 关于q h c c i 燃烧系统国外主要有以下研究： 1 9 5 8 年，a l p c r s t e i n 等人提出了一种雾化( f u m i g a t i o n ) 的方法来改善柴油机的 排放【1 3 l 。其做法是，在柴油机进气管上安装一个名叫微型油雾发生器( m i c r o f o g g e n e r a t o r ) 的装置，在发动机进气时向缸内提供少量燃油蒸气。试验表明，这部分 燃油蒸气有助于柴油机的焰前反应，使滞燃期缩短，柴油机的烟度可降低8 0 ， 碳烟极限功率可提高1 8 。 1 9 6 3 年，s c h w v n t z c r 等人第一次提出混合燃烧发动机的概念【1 4 1 5 1 ，认为将o t t o 发动机的一个或几个特性与d i e s e l 发动机的某些特性相结合，或相互取代，以取 得像压燃发动机那样的燃油经济性，而又可以不失去汽油机轻巧、安静和清洁的 特点。 1 9 8 9 年，h i r o a k iy o n e t a n i 等人首次采用进气道电控汽油喷射来实现汽油柴油 混合的燃烧方式。在小负荷时采用进气节流，以避免由于预混合气太稀而造成的 燃油经济性恶化；在大负荷时采用4 0 6 0 的汽油，从而改善了排放，同时降低 了油耗。1 9 9 4 年，h i r o a k iy o n e t a n i 等人再次试验了汽油比例及发动机预燃室参数 等对发动机性能的影响。研究发现【1 6 1 ，汽油的比例不能太高，大负荷时超过4 0 就会引起敲缸，而进气废气再循环或吸入少量的惰性气体，则可以明显减少敲缸 的趋势，发动机的碳烟排放得到明显的改善。 随后，日本运输安全和公害研究所连续发表文章，对在一台单缸柴油机上进 行的进气道喷射预混合气进气、压缩行程柴油喷射引燃的燃烧系统的研究结果进 行报道。研究结果表明【l7 ”】，烟度的改善比较明显，n o x 在预混合气比例较大时 明显降低；但是h c 和c o 浓度却大幅度升高；能耗的变化不大。试验还发现，提 高预混合燃料的辛烷值对发动机稳定运转有好处，但是低辛烷值燃料的自燃性好， 有利于扩大发动机低n o x 排放的稀燃范围。通过内窥镜观察发现，混合燃烧时缸 内局部高温区域大大减少，这就是柴油机烟度降低和n o x 排放改善的主要原因。 近年来，国内对双燃料柴油引燃的燃烧方式也进行了许多研究。 7 北京交通人学硕十学位论文 天津大学汪洋等人在柴油机进气歧管中安装了汽油喷射器对柴油汽油双燃料 发动机进行了研究【1 9 却】，研究表明汽油雾化效果对燃烧有很大的影响：减小柴油 喷油提前角、增大汽油混合气的过量空气系数都能有效地降低缸内压力升高率，从 而降低发动机的工作粗暴程度；发动机的排放在微粒和氮氧化物降低的同时，h c 和c o 却有较大的增加。 武汉理工大学张泉乐对二甲醚柴油双燃料发动机进行了研刭2 1 】，研究结果表 明：柴油机燃用柴油- - 甲醚燃料对改善柴油机的燃烧与排放有重要作用；柴油机 燃用柴油二甲醚燃料可同时降低氮氧化物和碳烟排放。 西安交通大学对引燃油量对甲醇柴油双燃料发动机的影响进行了研究【2 2 】， 结果表明：在相同的平均有效压力和转速下，随着引燃油量的减少，双燃料燃烧 的滞燃期延长，主燃期缩短，缸内气体最高爆发压力和最大压力升高率在高负荷 时增加，放热率曲线第1 峰值增大，第2 峰值减小，表明预混燃烧量增加而扩散 燃烧量减少；高负荷时放热率曲线型心向上止点靠近，燃烧等容度提高，燃油经 济性改善；提高转速和增大供油提前角，最大放热率和最大压力均增加 天津一汽内燃机制造分公司、江苏大学、大连理工大学、武汉理工大学、长 安大掣2 睨9 】等对l p g 柴油双燃料发动机进行了研究，结果表明，加入一定比例的 l p g 可改变缸内燃烧过程，大幅度降低排气烟度，在一定程度上提高了燃油经济 性；随着掺烧比的提高，尾气中h c 和c o 的含量有明显增加；电控双燃料发动机 的动力性与原机基本相同。柴油机掺烧l p g 有一定的规律，随发动机负荷、转速 等参数的变化，掺烧有一最佳掺烧比，使得柴油机的动力性能、氮氧化物和碳烟 排放均达到最优化。 天津大学、吉林大学等对柴油天然气双燃料发动机进行了研舜3 2 1 ，结果表 明喷油提前角对燃烧有很大影响，大的喷油提前角和合适的喷油量使发动机接近 实现预混合压燃燃烧。 1 2 4 几种燃烧方式的对比分析 传统的点燃式发动机、压燃式发动机和柴油机新的燃烧方式都有各自的特点， 对比如表l 一3 。 对比可知，h c c i 燃烧系统具有高的效率，有极其低的排放。但是由于它是预 混合气自燃着火，所以可控稳定工作是比较困难的；由于燃烧速度快，压力升高 率比较高。总之，h c c i 效率和排放很好，但是实现起来比较困难，一般被认为是 未来解决柴油机排放的根本出路之一。 1 绪论 表1 3 五种燃烧方式发动机的对比 1 a b l e1 - 3t h ec o n t r a s to f f i v ec o m b u s t i o nm o d e l q h c c i 不仅继承了h c c i 高效率、低排放的优点，而且由于是柴油点燃预混 合气，通过柴油的喷射时间和喷油量可以很好的控制燃烧过程，所以认为q h c c i 是现阶段最合理的燃烧方式。 1 3 内燃机流动与燃烧数值模拟的研究 在内燃机进气过程多维数值模拟的研究方面，国外已掌握了有关进气道一气门 缸内流动多维数值模拟计算的关键技术，如数值模拟方法、湍流模型、网格生成 及运动边界( 活塞与气门) 的处理等，但大量工作仍在深入的开展之中。目前， k i v a 3 ( v ) ，f i r e ，s t a r - c d 是发动机行业中较为成熟、应用最为广泛的流动模拟计 算软件。我国与国际先进水平相比还存在差距。主要表现在：进气道气门一缸内系 统三维流动模拟基本上还停留在稳态模拟，对瞬态模拟研究得不够；在少量的进 气道气门缸内系统三维流动瞬态模拟中，气门模型多采用颗粒模拟技术，即使采 用贴体气门模型也只限于气门垂直布置的情况，没有研究气门任意布置时的情况； 三维流动模拟还处于理论研究和规律探讨的阶段，结合发动机改型设计的实用化 研究还未见报道p 引。 北京交通大学硕士学位论文 多维数值模拟是研究进气过程的重要手段，尤其是三维瞬态数值模拟技术可 以研究发动机运行工况下的气体交换过程。目前对进气过程的多维稳态数值模拟 研究较多，也比较成熟，可用于指导进气系统零部件( 如进气道) 的设计；进气过程 多维瞬态数值模拟研究还较少，将其用于产品设计的研究更少。 进气过程气体流动三维瞬态数值模拟的关键技术是进气系统复杂区域的计算 网格生成以及活塞和气门运动边界的处理 中国科技大学的蒋勇等应用i p i c c f d 对柴油引燃天然气的着火过程进行了分 析【3 4 1 ，天津大学的姚广涛等使用k i v a 3 对柴油引燃天然气双燃料发动机进行了分 析p 讲，均取得了良好的效果。 1 4 课题的研究内容及方法 1 4 1 本文的目的和意义 根据目前国内外柴油机预混合燃烧研究的现状和发展趋势，本课题利用氢气 着火及燃烧的特点( 氢的十六烷值低、火焰传播速度快、熄火距离短) 以及进气加湿 和废气再循环所具有的着火和燃烧速度控制的作用，提出一种柴油机新的混合气 制备方式和着火与燃烧过程控制技术，其技术特征是：在柴油机进气歧管上安装 氢气喷射器，在柴油机吸气过程中，空气与氢的稀薄预混合气进入气缸，在缸内 形成氢的均质混合气。在压缩上止点附近向缸内喷射柴油，形成多个喷雾引燃区； 经历了短暂的滞燃期后，局部地区发生自燃，而后引燃气缸内的稀薄均质预混合 气；在多点多处点火的情况下，火焰迅速传遍整个燃烧室，完成燃烧。由于首先 是柴油自燃，然后引燃燃烧室内的稀薄氢预混合气，所以点燃可靠。由于在燃烧 室中形成了许多个着火中心，从而大大缩短了火焰传遍整个燃烧室的距离。缸内 着火和燃烧过程则由引燃柴油喷油量( 氢与柴油的比例) 和喷油定时、进气加湿等进 行控制。 柴油机具有高的热效率，但高排放不容乐观，并且石油资源也越来越短缺。 面临严峻的环境闷题和能源危机，寻找柴油机新的混合气制备方式和着火与燃烧 过程控制技术就变得十分迫切。柴油机新的混合气制备方式和着火与燃烧过程控 制技术的研究对实现柴油机高效低污染具有十分重要的意义。 1 0 1 绪论 1 4 2 本文的主要研究工作 课题主要解决的技术问题是，预混合压燃氢气柴油发动机在氢气空气氛围， 引燃柴油的喷雾、蒸发、混合气形成、着火以及火焰传播特性；各种因素对预混 合压燃氢气柴油发动机混合气形成和燃烧过程的影响；预混合压燃氢气柴油发动 机实现准均质充气压缩点火燃烧的条件。 本文主要分为以下三个部分： ( 1 ) 预混合压燃氢气柴油发动机混合气