（动力机械及工程专业论文）基于分散低温预混合燃烧概念的柴油机tr燃烧系统的研究.pdf

大连瑾工大学搏士学位论文 摘要 柴油枫技术的发展菰憔着豳益黟格的摊放法规和石油燃料短缺两方蟊的难力，实现 柴油枧约离效、渍洼燃烧，也就是以预瀑会燃烧代替扩散燃烧，成为豳前国际内燃机界 的研究热点，并且已经取褥了一定的成累。比如巴经在小负荷工况下实现了能同时将 n o 。和踟排放降到凡乎为零的均质压燃麓火( h c c i ) 燃烧等。毽还存在着如何囱高负荷 工况扩展等闯题需要解决。本文针对这些存在的阏题，从理论和实践两个方街就如何实 现桨溜机预混合燃烧进行了探索性的研究。 酋先，本文基于已有柴油机预混合燃烧系统( 主要是h c c l 燃烧) 的过程控制和排 救降 氍枫璎的分析，维会柴浊枫扩教燃烧和汽油机火花点燃式预混舍燃烧缝爨释放特征 的研究，总结提出了使燃烧放热过程同时县宥空间相对闫双藿分散特征的分散低湿鞭混 合燃烧概念。该概念认为实现敦热过程酶空阔分散化是避免出现局部高瀑的有效手段， 而实现放热过程的对闻分散化是避兔燃烧过快、敷内温度和压力上升过态，从两在离负 荷工况实现预混会燃烧的重要保证。而如果能够将预混合燃烧过程缸内的局部最高游度 控巷4 在熟n o ，湃始生成的温度1 8 0 0 k 以下，就能够同对实现较低豹麟和n o ，摊放。本文 还提出了瓣燃烧过程控制策略摸式，道过在燃烧室内形成若干不阉温度、浓度的颧混 合气圜，实瑗不月预混合气团之闰室闰上分数的、融闯上蠢廖的自燃着火燃烧，从黼傻 放热过程间时具有空间分散和时阔分散双囊分散特锰。 其次，在上述燃烧过程控帝l 策略模式豹指导下设计了柒油机t r ( t h r e e - r a p i d i t y ) 燃烧系统。该系统采用蹙两设置导向圆弧、底部中央有平顶凸台的收口燃烧宣，匹配带 中心喷孔的多孔喷嘴。其中导囱圆弧是在t r b 燃烧嶷壁面反射凸缘的基础上，根据t r 燃烧系统减少璧面淮膜生成这一要求演化雨来的。菊压容弹内喷雾瘫速摄影静研究炭 明，鍪碰壁喷雾在孕囱爨弧处从蓬西巅离厩形成空闻二次喷雾。弗且赣燃烧室串心方掏 运动，燃烧室下部囡坑猿丽附近区域基本上没有燃油分布。露中心溃雾撞击翔底部凸台 顶面厝，沿径向向四周扩散，形成一个基本对称的圆盘状喷雾。 在一蠹单缸1 3 5 柴油机上对t r 燃烧系统豹性能及影响因素进行了试验研究。试验 绩采表明，姿t r 燃烧系统采援中心喷孔孑l 径为0 。2 m m 戆多孔唼嘴时发动机摊气烟度和 油耗较低。当供油宠对为2 0 c ab t d c 对，全负荷下蔡 气焖度只有约0 。4 b s u ，但k o ；浓发 约楚原机的3 倍。随供油推迟，排气烟度升高，但在一定区闻内烟度上升很缓慢，阊时 伴随薷n o l 排放的大幅度减少。供油定时为h ab t d c 时，全负荷下瓣气爝度仍低于 i b s u ，油耗率约为2 2 5 9 ( k w h ) 。面当供漓定时推迟到上止点附遮对，发动机巾小负旖 下排气烟度鄹n o ；间砖较低，假排气温度和油耗率较高。 着火控铡方面盼研究还表弱，誊多孔唼嘴侧淘绩孔熬孔径增船韪，侧向喷雾的着火 相位推迟。而且随喷琵总覆积的增熊，搂油持续期帮燃烧持续期均缩短。姥外，试验还 证明中心喷雾豹着火楣位要稍肇于侧向喷雾，有助予实现放热过穗的对阕分散亿。 大连理工大学博士学位论文 为了进一步降低t r 燃烧系统的n o 。排放，还进行了降低压缩比、燃用乙醇柴油混 合燃料及采翻冷却e g r 的试验研究。缕果表瞬，当发动梳压缩比从1 7 6 降低到1 6 8 后， 着火滞燃期延长、n o 。排放降低。但同时燃烧持续期殛长，烟度和油耗率均有所上升。 当t r 燃烧系统燃用乙醇体积含量2 0 的乙醇柴油混合燃料时，者火相位明显滞后，排 气烟度大摇度降低，中小负簿射基本为零。n o 。撵放在中小受荷也存一定的降低，但降 低随负荷的增加而逐渐减少。此乡卜，在一定的负荷范围肉，出现了燃烧持续期隧负荷增 加反而缩短的现象。经分析认为，这时的燃烧过程是以预混合燃烧为主，发动机负荷越 低，缸内预混合气浓度越稀，温度也越低，燃烧反应同时受反应物浓度和反应濑度豹制 约，因此燃烧持续赣反露避长。雨当t r 燃烧系统采用少量冷却e g r 对，由于靛嚏最 葡燃烧温度的降低，所有负荷下的n o 。排放平均降低了4 0 左右，同时油耗率基本不 变。但烟度有一定的上升。 最后为了了解t r 燃烧系统混合气形成_ 积燃烧过稷豹特点，对t r 燃烧系统燃烧过 程进行了数德模拟。模拟计算的结果表明：通过在t r 燃烧室侧璧上设置导向圆弧，使 碰壁喷雾从盛面脱离时改变了运动方向，从而在下部凹坑壁面附近形成一个基本没有燃 浊分布的区域，避免7 在该区域形成大量浓混合气甚麓生成蘩预演膜。燃烧过程高温区 域主要集中程燃烧室中部，下部凹坑近壁区域温度较低，起刭一定的隔热作用。同时导 向圆弧的设嚣还对燃烧室内的气流运动产生影响，使得缸内涡尉的分布更加合理，有利 于促进燃烧中质期凹坑内燃油与空气的混合以及燃烧嶷上部侧壁土残留燃油的蒸发，从 而减少后燃，提商燃油经济馕。模拟计冀的结果还表明，着火过程中t r 燃烧室瘫依次在 中心喷雾、侧向喷雾多个德鬣出现自燃着火点，有助予使放热过程同时具有双熏分散特 征。 关键词：柴油机：预混台燃烧；分散低温预混合燃烧：t r 燃烧系统； 乙醇；冷却废气再循环 f 大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fd i e s e le n g i n et e c h n o l o g yi sf a c i n gt h ec h a l l e n g e sf r o mb o t ht h e i n c r e a s e l ys t r i n g e n te m i s s i o nr e g u l a t i o n sa n dt h es h o r t a g eo fp e t r o l e u mf u e l ，s ot oo r g a n i z e h i g he f f i c i e n ta n dc l e a nb o m b u s t l o no nd i e s e le n g i n e ，o rt or e p l a c et h ec o n v e n t i o n a ld i e s e l d i f f u s ec o m b u s t i o nw i t hp r e m i x e dc o m b u s t i o n ，b e c o m e sa ni n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf o c u st o d a y f u r t h e r m o r e ，s o m ep r o g r e s sh a sb e e na c h i v e di nt h i sr e s e a r c hf i e l d ，s u c ha st h er e a l i z i n go f h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s si g n i t i o n ( h c c i ) c o m b u s t i o na tl o wa n dm e d i u ml o a d s ，w h i c h c a l lr e d u c eb o t hp ma n dn o xe m i s s i o n st oa l m o s tz e r o h o w e r v e r , s u c hp r o b l e m sa sh o wt o e x p a n dh c c ic o m b u s u t i o nt oh i 曲l o a d sn e e dt ob es o v l e db e f o r ea p p l i c a t i o n r e c e n t l y , s o m et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lr e s e a r c ha o b u th o wt or e a l i z ep r e m i x e dc o m b u s t i o no nd i e s e l e n g i n ew a sc a r r i e do u tb yt h ea u t h o r , a n di si n t r o d u c e di nt h i sp a p e l f i r s t l y , t h ep a p e rp r e s e n t st h ed i s p e r s el o w - t e m p e r a t u r e dp r e m i x e dc o m b u s t i o nc o n c e p t ， t h r o u g hc o m b i n i n gt h ea n a l y s eo ft h ep r o c e s sc o n t r o la n de m i s s i o nr e d u c t i o np r i n c i p l e so f h c c ic o m b u s t i o na n dt h er e s e a r c ha b o u tt h eh e a tr e l e a s ec h a r a c t e r i s t i e so fb o t hd i e s e l d i f f u s i v ec o m b u s t i o na n d g a s o l i n es p r a k - i g n i t e dp r e m i x e dc o m b u s t i o n f o rt h en e w c o m b u s t i o nc o n c e p t ，t h eh e a tr e l e a s ep r o c e s ss h o u l db eb o t hs p a t i a la n dt e m p o r a ld i s p e r s e ，f o r t h er e a s o nt h a tt h ef o r m e ri se f f e c t i v ei nr e d u c i n gl o c a lh i g h t e m p e r a t u r e dz o n e s ，a n dt h e l a t t e rc a ns l o wd o w nt h ec o m b u s t i o na n da v o i dt h eo v e r - h i g hi n c r e a s eo ft h ea v e r a g e c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n dc y l i n d e rp r e s s u r e ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti nr e a l i z i n gp r e m i x e d c o m b u s t i o na th i g hl o a d i na d d i t i o n ，t h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r es h o u l db el e s s t h a n18 0 0 k ，t h ec d t i c a lt e m p e r a t u r ef o rt h e r m a ln o xf o r m a t i o n ，t h e nt h ep ma n dn o x e m i s s i o n sc o u l db es i m u l t a n e o u s l yr e d u c e dg r e a t l y 硒ep a p e ra l s op r e s e n t sac o m b u s t i o n p r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g ym o d e f o rt h i sm o d e ，s e v e r a lp r e m i x e df u e la i rm i x t u r eb l o c k so f d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nf o r mi nd i f f e r e n tc h a m b e r s p a c ez o n e sb e f o r ei g n i t i o n ， a n de a c hm i x t u r eb l o c ki g n i t e sa td i f f e r e n tt i m ea n db u m so n eb yo n e ，t h e nt h eh e a tr e l e a s e p r o c e s sh a sc h a r a c t e r i s t i c so f b o t hs p a t i a ld i v e r s ea n dt e m p o r a ld i v e r s es i m u l t a n e o u s l y s e c o n d l y , d i e s e lt r ( t h r e e r a p i d i t y ) c o m b u s t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dd i r e c t e db yt h e s t r a t e g ym o d e lm e n t i o n e da b o v e t h es y s t e ma d o p t sam u l t i - h o l en o z z t ew i t hac e n t r i ch o l e a n dt h e r ei sa no r i e n t e da r cs e to nt h ec h a m b e rw a l la n dap l a n ec o n v e xa tt h ec h a m b e r b o a o mc e n t e r t h eo r i e n t e da r ci sm o d i f i e df o r mt h er e f l e xe d g eo ft r bc h a m b e rf o rt h es a k e o fr e d u i n go i lf i l mf o r m a t i o n t h es p r a yi m a g e si nh i 曲p r e s s u r ev e s s e la c q u i r e db ya l l l l i g h s p e e dc a m e r as h o wt h a tt h ei m p i n g m e n ts p r a ys t r i p so f ft h ec h a m b e rw a l la tt h eo r i n t e d a r ca n df o r m si n t os p a t i a ls u b s p r a y , w h i c hp e n e t r a t e st o w a r d st h ec h a m b e rc e n t e r s ot h e r ei s h a r d l yf u e ld i s t r u b u t i n gi nt h en e a r - w a l lz o n eo ft h el o w e rc h a m b e rc a v i t yw a l i i na d d i t i o n ， i i i 第一章绪论 a f t e r s t i k e i n gt h et o pp l a n eo ft h eb o r o mc o n v e xt h ec e n t r i cs p r a yd i f f u s e sr a d i a l l ya n d d e v e l o p si n t oas y m m e t r i c a ld i s cs p r a y e x p e r i m e n t sw c i ec a r r i e do u to nas i g l ec y l i n d e r1 3 5d i e s e le n g i n em o d i f i e dw i t ht r c o m b u s t i o ns y s t e mt oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c ea n di n f l u e n c ef a c t o r so ft h en e ws y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt rc o m b u s t i o ns y s t e ma d o p t i n gam u l t i h o l en o z z l ew i t ha c e n t r i ch o l eo f0 2 0 r a md i a m e t e rc a r lr e d u c eb o t he x h a u s ts m o k ea n de f f e c t i v er u e l c o n s u m p t i o nr a t eg r e a t l y m e ni n j e c t i n gt i m i n gi s2 0 0 c ab t d c e x h a u s ts m o k ei so n l y a b o u t0 4 b s ua tf u l ll o a d ，w h i l en 0 xc o n c e n t r a t i o ni sa b o u tt w ot i m e sm o r et h a nt h a to ft h e p r o t o t y p ee n g i n e w i mt h ed e l a y o ff u e li n j e c t i o nt i m i n g n o xe m i s s i o nd e c r e a s e sg r a d u a l l y w i t ht h ei n c r e a s e so fs m o k e ，b u ti nc e r t a i nr a n g es m o k ei n c r e a s e ss l o w l y w h e ni n 4 e c t i o n t i m i n gi sli o c ab t d c ，a tf u l ll o a de x h a u s ts m o k ei ss t i l ll e s st h a n1 b s ua n dt h ee f f e c t i v e f u e lc o n s u m p t i o nr a t ei s2 2 5 h ) o rs o w h e ni n j e c t i o nt i m i n gi sf u r t h e rd e l a y e dt o a r o u n dt d c ，b o t he x h a u s ts m o k ea n dn o xc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s es h a r p l yu n d e rl o wa n d m i d d l e1 0 a d s , w h i l ee x h a u s tt e m p e r a t u r ea n df u e lc m 玛吸n p 曲nr a t ea v e r yh i g h i n v e s t i g a t i o n o ni g n i t i o nc o n t r o ls h o w st h a tt h ei g n i t i o np h a s eo f s i d es p r a y sd e l a y sw i m t h ed i a m e t e ri n c r e a s eo ft h es i d eh o l e s ，a n db o t ht h er u l ei n j e c t i o nd u r a t i o na n dc o m b u s t i o n d u r a t i o ns h o r t e nw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et o t a lh o l e si l l - c a i na d d i t i o n , t h er e s e a r c ha l s os h o w s t h a tt h ec e n t r i cs p r a yi n g i t e sb e f o r et h es i d es p r a y si n d e e d ，w h i c hi sh e i f o l f u lt or e a l i z i n gt h e t e m p o r a ld i s p e r s eo f h e a tr e l e a s ep r o c e s s as e r i e so fe x p e r i m e n ti n c l u d i n gl o w e r i n gc o m p r e s s i o nr a t i o ，f u e l i n gd i e s e l - e t h a n o l b l e n df u e la n da d o p t i n gc o o l e de g rw a sc a r r i e do u tt oc l a r i f yt h ee m i s s i o nr e d u c t i o np o t e n t o ft rc o m b u s t i o ns y s t e m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t 、析t l lt h ed e c r e a s eo fc o m p r e s s i o n r a t i of r o m1 7 6t o 1 6 。8 ，t h ei g n i t i o nd e l a yp e r i o dp r o l o n g sa n dn o xe m i s s i o n sd e c r e a s e s o m e w h a t b u tt h ec o m b u s t i o nd u r a t i o na l s o p r o l o n g s ，b o t he x h a u s ts m o k ea n df u e l c o n s u m p t i o n r a t ei n c r e a s e w h e nt h ee n g i n ei sf u e l d 、i m2 0 ( v 0 1 ) e t h a n o l - d i e s e lb l e n df u e l ， i g n i t i o np h r a s ed e l a y sa p p a r e n t l y , e x h a u s ts m o k ed e c r e a s e ss h a r p l y , e s p e c i a l l ya tl o wa n d m e d i 眦l o a d si ti sa l m o s tz e r o n o xe m i s s i o n sa l s or e d u c es o m e w h a ta tl o wa n dm e d i u m b u t t h er e d u c t i o nd e c r e a s e sg r a d u a l l yw i t l lt h el o a di n c r e a s e a t9 0 l o a de x h a u s ts m o k ei so n l y a b o u t0 4 b s uw h i l en o xc o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a n4 5 0x 10 一f u r t h e r m o r e ，i nc e r t a i nl o a d r a n g et h ec o m b u s t i o nd u r a t i o nd o e ss h o r t e nw i t ht h el o a di n c r e a s e i ti sa n a l y z e dt h a tt h e c o m b u s t i o np r o c e s si sd o m i n a t e db y p r e m i x e dc o m b u s t i o n , s ot h e a i r - f u e lm i x t u r e c o n c e n t r a t i o nb e c o m e sl e a n e ra n dc y l i n d e rt e m p e r a t u r eb e c o m e sl o w e r 、i t l lt h el o a dd e c r e a s e w h i c hs l o wd o w nt h ec o m b u s t i o nr e a c t i o nr a t e i na d d i t i o n ，w h e nt rc o m b u s t i o ns y s t e m a d o p t sa l i t t l ea m o u n to fc o o l e de g rn o xe m i s s i o n sa ta l ll o a d sd e c r e a s ea v e r a g e l ya b o u t 4 0 ，w h i l ef u e lc o n s u m p t i o nr a t ek e e p sa l m o s tu n c h a n g e da n de x h a u s ts m o k ei n c r e a s e s t v 大连理工大学搏士学伎论文 s o m e w h a t f i n a l l y , i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n - c y l i n d e rm i x t u r ef o r m a t i o na n d c o m b u s t i o np r o c e s so ft rc o m b u s t i o ns y s t e m t h ec o m b u s t i o np r o c e s si sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e d 雹舱s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw i t ha no r i e n t e da r cs e to nc h a m b e rw a l lt h e i m p i n g i n gs p r a y sa r es w i t c h e dt oc h a m b e rc e n t e rw h e nt h e ys t e a ko f fc h a m b e rw a i l ，s ot h a t t h e mi sh a r d l yf u e ld i s t r i b u t i n gi nt h en e a r - w a l lz o n eo f t h el o w e rc h a m b e rc a v i t yw a l l ，w h i c h p r e v e n t st h ea c c u m u l a t i o no fs u b s t a n t i a ld e n s em i x t u r ei nt h i sz o n ea n de v e nt h ef o r m a t i o no f o i lf i l mo nt h ec h a m b e rw a l l d u r i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s sm a i n l yt h et e m p e r a t u r eo f c h a m b e rc e n t e rp a r ti sv e r yh i g h , a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h en e a r - w a l lz o n eo ft h el o w e r c h a m b e rc a v i t yi ss ol o wt h a tt h i sz o n ef u n c t i o n s 龉h e a ti n s u l a t i o n f u r t h e r m o r e t h eo r i e n t e d a r ca l s oi n f l u e n c e st h eg a sm o v e m e n ti nt h ec h a m b e rc a v i t yi ns u c haw a yt h a tt h eg a se d d i e s d i s t r i b u t ei nm o r er e a s o n a b l ez o n e s ，w h i c hh e l p st op r o m o t i n gt h ea i ra n df u e lm i x i n gp r o c e s s i nt h el o w e rc a v i t yd u r i n gt h em i d d l ea n dl a t e rp e r i o do ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，a n dt h e e v a p o r a t i o n o ft h ef u e l d e p o s i t s o nt h e u p p e rc h a m b e rw a l l c o n s e q u e n t l y t h e p o s t - c o m b u s t i o n d u r a t i o ns h o r t e n sa n dt h ef u e le c o n o m i c si n c r e a s e s i na d d i t i o n ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a td u r i n gt h ei g n i t i o np r o c e s so f t rc o m b u s t i o ns y s t e ms e v e r a l s e l f - i g n i t i o np o i n t se m e r g e n c ya td i f f e r e n tl o c a t i o no fc e n t r i cs p r a ya n ds i d es p r a y ss e q u e n t l y , w h i c hm a k e st h eh e a tr e l e a s ep r o c e s sb eo f d o u b l ed i s p e r s ec h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：d i e s e l ；p r e m i x e dc o m b u s t i o n ；d i s p e r s ei o w - t e m p e r a t u r e dp r e m i x e d c o m b u s t i o n ；t rc o m b u s t i o ns y s t e m ；e t h a n o l ；c o o l e de g r v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注积致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： _ 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论义版权使用 规定”，河意大连理工大学保尉并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 舨，允许论文被查阅和借阕。本人授权大连理正大学可以将本学位论文豹全部或部分内 容编入裔关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者箍名：拓遛妞 导师签名： 年月日 2 4 大连理工大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 由于其较高的热效率，以及较宽范围的转速和功率覆盖，内燃机是目前世界上应用 最广泛，保有数量最多的动力机械。其中在机车、船舶和舰艇等大功率动力装置中，柴 油机以其最高的热效率、最低的比油耗率、较大的牵引力、结构简单、起动迅速和使用 寿命长等优点而得到了最广泛的应用。而且近年来随着人们对全球变暖和温室气体( 主 要是c 0 2 ) 问题的关注，以及全球石燃料资源的日渐短缺，柴油机因其较低的c 0 2 排放 和较高的燃油经济性而得到人们的日益青睐。例如：欧洲已将发展柴油机轿车作为缓解 空气污染和消减汽车c 0 2 排放量的策略。其中德国生产的1 4 - , 2 0 l 排量的轿车中，柴 油机轿车占到6 l ，而在法国则达到了8 8 【”。 作为一个人口众多的发展中农业大国，柴油机在我国的交通运输、工农业发展以及 国防建设中起着最重要的作用。特别是改革开放后随着我国广大农村地区的经济发展， 使用柴油机的各种结构简单、成本低廉的农用交通工具和农用机械的数量正在以惊人的 速度逐年增长。 但是柴油机在世界范围内的发展正受到来自两个方面的巨大挑战：一是石油化石燃 料的枯竭问题，二是日益严重的大气污染问题。 众所周知，被称为“黑色血液”的石油是现代社会最重要的能源资源，并成为重要 的战略资源，是世界经济乃至政治、军事竞争的重要焦点。当人们还未从第一次海湾战 争的恐惧和痛苦中摆脱时，第二次海湾战争就已经开始上演。这一方面反映了石油在当 今社会的重要作用和地位，也同时反映出人们对于石油枯竭问题的担心和对由此将引发 的社会发展问题的恐惧。据估计，作为不可再生资源的石油，现在全球的可开采存储量 约为1 3 8 g t ，而现在的年开采量量约为3 5 g t 。按照这样的速度大概4 0 年后全球石油 资源将出现枯竭。因此，美国很早就实行了限制境内石油和天然气资源开发进度的对内 政策，从1 9 6 8 年起就开始变成了一个迅速发展的石油进口国。而在作为发展中大国的 我国，近年来国民经济正以8 左右的平均速度高速增长。2 0 0 0 年我国的国民生产总值 g d p 已经达到了1 万亿美元，跃居世界第六。据估计，为了保持这种快速的经济增长 势头，实现全面建设小康社会的发展目标，未来2 0 里g d p 的年均增长速度应该保持在 7 5 。但就在经济发展的同时，我国的资源短缺问题也日益严重，并有可能成为制约经 济和社会持续发展的不利因素。2 0 0 3 年我国的年石油消耗量为世界第二，其中的进口 量达到8 5 千万吨，而且5 4 来自于局势动荡不安的中东地区。另外，同样作为人口大 国的我国，石油资源本来就不丰富。加上为了发展经济而造成的常年无计划开采和过度 开采，我国人均剩余石油可采储量只有世界平均的1 1 0 。按照现在的趋势，2 0 2 0 年我 国的年石油进口量将达到2 亿吨，而且其中一半以上将依靠进口。这说明合理开采和节 第一章绪论 豹使焉璐有石油资源已经成为我国经济和社会发展中一传遭在眉睫的大搴。阉时说明， 只有积极开发可蒜生的赘代能源才够缓解对国岁 进1 ：3 石油豹依赖和应付束来的石油 资源的橘竭，保证经济和社会的可持续发展。因此，如何迸一步降低柴油机的油耗和开 发够燃用石油化磊替代燃料的内燃枧成为我佛科研人员舱曩要任务。 龇外，随着全世界汽车保有爨的迅速增加，汽车排放已经成为避球生态环境的一个 重要污染源。特别是在一些大城市的大气污染源中，汽车成为c o 、n o 。和h c 豹主要 排艘源f 2 】。因此，自上璇纪7 0 年代，各国政府榴继制定了相当严历的排放法规限帝4 各 种汽车有害排放物。表1 1 所示为欧洲重型汽车用柴、淫枧的封 放限篷，从中可以餐挫在 凡笨之质柴油机将被要求实现几乎零捧放。雨在我阑，由于汽车工业发展比较落后，汽 车的尾气污染物排放水平要比汽车工业发达国家的离许多。随着近年来我国汽车保有璧 的快速增长，由汽车尾气排敖对大气环境造成的污染酲益严重，特剐是在j 京、上海， 馥安和沈阳等一些大城市中。因此我国政府也相继出台了相应豹政策法艘对汽车的尾气 排放进程限制，表l 。2 中是国家极械局颁布的g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 号圈家榕准中规定的黯 压燃式发动机( 如柴油机) 的排气污染物限值。此外，在国务院的指示下，由科学技术 部帮国家环保总局牵头，会耀各有关鄯委共弼缓织实旗了“窑气净化工程一清洁汽车行 动”。其中的清洁汽车是指低摊放的燃气汽车( l p g v 、c n g v ) 、混合动力汽车、电动 汽车以及通过多种技术手段大大降低排放污染的燃油汽车及其他代用燃料汽车。丽且， 即将在北京举行的2 0 0 8 年奥林匹克运动会更楚提出了“绿色奥运”的口号。这臻都充 分反浃出国家和地方政府对大气污染翔题的薰援和改善大气环境的决心。我国甚至提出 7 争取在2 0 1 0 年前后汽车的排放控制水平和豳酥j j 放控制水平接轨的目标，这使褥内 燃机行业和汽车行业面临羞巨大的挑战。 袭1 - 1 欧洲熏型汽车用柴油机的排放限值 接放执行攫4 试 酸k w t a ) 标准年份方法 c oh c n o 。 p m 欧厦 2 0 0 0 e s c 2 1o 6 65 oo 1 歌2 0 0 5e s c1 50 ：4 63 5o 0 2 欧v2 0 0 8e s c1 50 4 62 o0 0 2 e s c ：欧洞稳态试验德环 表l 幢中翟匮燃式发动枫的摊放耀值 实施实施 g ( k w p m g ( k w b ) 阶段 日期 测试方法 c oh cn 以。 8 5 k w l ) a2 0 0 0 。l 。l1 3 工掘法4 51 18 oo 6 l0 3 6 b2 0 0 5 。1 。1 1 3 工提法 4 01 17 0o 1 5o ，1 5 1 ) 指发动桃功率 先了满足越来越严格的搀放法艇，各种措施被应用到柴油机上，包括共轨泵喷嘴 高压嚷射、电控喷射、废气涡轮增压、废气再循环e g r 、微粒捕集器和n o ；蕨处理装 2 大连理工大学博士学位论文 置等。这样原本结构简单、成本低廉的柴油机变得复杂和昂贵起来，柴油机原有的一些 比较优势正在逐步消失。而且随着排放限值的日益降低，上述各种措施能够进一步减少 排放物的潜力也在逐渐消失。以美国为例，1 9 9 1 年和1 9 9 4 年n o x 排放的限值为 5 o 跏p 妇，这只需要通过采用带中冷的涡轮增压技术、提高喷射压力、优化燃烧系统 和推迟供油就能够满足；1 9 9 8 年的限值为4 0 9 h p - h r ，需要进一步的修整供油速率来满 足；而2 0 0 4 年的限值为2 0g h p h r ，要满足这样的标准需要在上述各项技术措施的基 础上采用废气再循环e g r ，但是采用e g r 后对微粒物p m 的排放造成了负面影响，因 此要对e g r 系统进行细致的优化才能同时满足这两项排放限值；下一步的排放限值为 1 o g h p h r ，借助n o 。后处理系统有可能满足口】。因此，从降低成本和满足未来更加严 格的排放标准出发，人们开始了改变传统柴油机以扩散燃烧为特征的燃烧方式的研究。 在传统的柴油机燃烧过程中，高压柴油通过喷油器喷入充满高温气体的气缸内形成 射流喷雾，然后缓慢地卷吸喷雾周围区域的空气。图1 1 所示为单束喷雾发展一定时间 后某一径向横截面上的燃油分布示意图，从图上可以看出中心区域混合气浓度较高，沿 径向方向浓度逐渐降低，并在某处过量空气系数九等于1 0 。这样在喷雾还未与空气完 全混合以前在一些部位的可燃混合气已经满足着火条件并形成着火核心，然后开始向四 周传播火焰。这样喷雾核心区域浓混合气的燃烧生成了大量的碳烟，而当量比等于1 0 的混合气形成当量燃烧高温火焰，生成大量n o 。因此要想大幅度同时降低燃烧过程生 成的n o 。和p m ，必须改变这种燃烧方式。也就是用预混合燃烧来代替扩散燃烧。 = l d s 制吐轴ha - a 图卜1 柴油机喷雾的燃油分布示意图伽 1 2 柴油机预混合燃烧技术的发展和研究现状概述 上世纪8 0 年代以来，国内外学者对如何在柴油机上实现预混合燃烧进行了广泛的 研究，新技