（动力机械及工程专业论文）预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究.pdf

摘要 预混合均质压燃着火( h c c i ) 方式避免了碳烟和n 仉的生成条件，因而生 成的碳烟和_ n 瓯的排放量很少。这种燃烧接近等容燃烧，有很高的热效率，被 认为是未来取代传统发动机燃烧方式最有前途的技术之一，是目前内燃机界的研 究热点。本文通过试验观察与模拟计算相结合的研究方法，对柴油在不同的氛围 中混合气形成与着火和燃烧过程进行了深入地研究，揭示了预混合压燃混合气形 成与着火的特点，分析了不同参数对实现预混合压燃燃烧过程的影响，提出了在 不同条件下，实现预混合压燃燃烧过程的条件。 大量试验研究发现：柴油机在中小负荷时，碳烟和n 吼排放极低。通过对 柴油机在部分负荷时混合气形成与着火特点的研究发现：在一定条件下，柴油机 在着火前，已没有可见的油滴存在，实际上属于预混合压燃燃烧。这一研究结果 说明：柴油机在部分负荷时，之所以碳烟和n o x 极低，除与传统的认为此时混 合气浓度比较稀有关外，还与此时燃烧过程为预混合压燃有重要的关系。 为了深入研究柴油在不同的氛围中实现预混合压燃燃烧过程时，燃油蒸发、 混合气形成以及着火与燃烧过程的特点，本文首先采用先进的激光测试技术和高 速c c d 建立了一套发动机可视化装置，直接观测和记录实际发动机中柴油在纯 空气、天然气空气、c 0 2 空气环境中雾化、蒸发以及着火和燃烧过程。试验研 究结果表明：在不同的氛围中，柴油喷油量在一定范围内，均可以实现预混合压 燃燃烧；柴油在天然气空气和c 0 2 空气氛围中，着火滞燃期比在纯空气中长， 且着火点的数量更多，因此，燃烧过程更接近预混合均质压燃燃烧。 本文通过对实际发动机中柴油在不同的氛围中实现预混合压燃与预混合均 质压燃( h c c i ) 燃烧过程进行对比，发现前者燃烧过程为柴油在具备着火条件 的几个点同时着火，然后引燃周围的混合气，这与h c c i 的无边界着火明显不同。 为了分析柴油在不同的氛围中混合气形成与着火和燃烧的规律，确定实现柴 油预混合压燃的条件，本文将目前广泛采用的k i v a 程序改造为可以进行单、双 燃料内燃机工作过程的数值模拟，提出了柴油引燃预混合天然气发动机引燃油着 火预测修正的s h e l l 模型，以a r r h e n i u s 公式为基础，综合湍流对化学动力学的影 响，提出了一个新的燃烧模型。模拟计算结果表明：柴油机不同的喷油提前角均 对应一个使燃油在着火前实现完全蒸发的最大喷油量；柴油在天然气空气中着 火滞燃期比在纯柴油中长，可以在相对较多的引燃油量下，实现预混合压燃。 关键词：预混合压燃柴油机h c c i 可视化数值模拟 a b s t r a c t p a r t i c u l a t em a t t e r 口m ) a n dn i t r o g e no x i d e s 0 0e m i s s i o n sf r o me n g i n e sc a nb e r e m a r k a b l yr i 甜u c e db yh o m o g e n 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 ( h c c i ) c o m b u s t i o n d u et ot h ee l i m i n a t i o no ff o r m a t i o nc o n d i t i o i l so fp ma n dn o x h c c ic o m b u s t i o ni s s i m i l a rt oi s o m e t r i ca n di n c r e a s e se n g i n eh e a te f f i c i e n c y , w h i c hi sc o n s i d e r e do n eo f t h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e st h a tc a ns u b s t i t u t ec o n v e n t i o n a le n g i n ec o m b u s t i o n m o d e s oh c c ic o m b u s t i o nr e s e a r c hi saf o c u si nt h ei c e n g i n ei n d u s t r ya tp r e s e n t i nm ed i s s e r t a t i o n t h ef o r m a t i o no f g a sm i x t u r ea n dp r o c e s so fc o m p r e s s i o ni g n i t i o n w e r ei n v e s t i g a t e di nb yt h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nm e t h o di nt h ed i f f e r e n t c o n d i t i o n s m e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p r e s s i o ni g n i t i o ni np r e m i x e dg a s f o r m a t i o na n do fi t sc o m b u s t i o nw e r ep r e s e n t e da sw e l la st h ee f f e c t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e r so np r e m i x e dc o m p r e s s i o nc o m b u s t i o np r o c e s sw e r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ， t h ec o n d i t i o n st or e a l i z ep r e m i x e dc o m p r e s s i o nc o m b u s t i o np r o c e s sw e r ed e v e l o p e da t t h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sw i t hc a l c u l a t i o nc o d e m a n ye x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es o o ta n dn o xi sv e r yl i t t l ea tt h el o w a n dm e d i u ml o a di nt h ed i e s e le n g i n e i ti sf o u n dt h a t ，a tag i v e nc o n d i t i o n ，d i e s e lf u e l i sc o m p l e t e l yv a p o r i z e db e f o r ed i e s e li si g n i t e d ，n a m e l y , d i e s e le n g i n e si sc o n d u c t i n g p r e m i x e dc o m p r e s s i o ni g n i t i o nc o m b u s t i o n a sc o n v e n t i o n a l l yk n o w n ，t h el o w e m i s s i o no fs o o ta n dn o ki sf a v o r e do fh i g h e ri n t a k ea i rv o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya tp a r t l o a d i th a si n i t i a l l ys u g g e s t e dt h a tt h er e d u c t i o no fs o o ta n dn o ze m i s s i o n si sr e l a t e d t ot h ep r e m i x e dc o m p r e s s i o ni g n i t i o nc o m b u s t i o n i no r d e rt 0d e e p l yi n v e s t i g a t ei n t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u e le v a p o r a t i o n 。m i x t u r e g a sf o r m a t i o na n di g n i t i o na n dc o m b u s t i o np r o c e s sw i t hp r e m i x e dc o m p r e s s i o n i g n i t i o nu n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t ，t h ev i s u a l i z a t i o ne q u i p m e n tf o rd i e s e le n g i n e ， i n c l u d i n gt b ea d v a n c e dl a s e rm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea n dt h eh i g hs p e e dc c ds y s t e m w e r ea p p l i e dt od i r e c t l yr e c o r dm i x t u r eg a sf o r m a t i o na n di g n i t i o na n dc o m b u s t i o n p r o c e s sf o rd i e s e lf u e li nt h ed i f f e r e n tg a s e ss u c ha sa i r , c n g - a i ra n dc 0 2 a i ri n c y l i n d e ro f n o r m a le n g i n e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt l l 她i nt h ed i f f e r e n tg a s e s ， t h ed i e s e lf u e li n j e c t e dl e s st h a nt h ec e r t a i na m o u n t ，c a nr e a l i z ep r e m i x e dc o m p r e s s i o n c o m b u s t i o n t h ei g n i t i o nd e l a yp e r i o do fd i e s e lf u e li nc n g - a i ra n dc 0 2 - a i ri n c y l i n d e ri sl o n g e ra n dt h ei g n i t i o np o i n t sd i s t r i b u t e di nc h a m b e ra r em o r et h a nt h o s e o fi nt h ea i r t h e r e f o r e t h e i rc o m b u s t i o np r o c e s si s f a i r l y s i m i l a rt o p r e m i x e d 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 i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a u t h o ri n i t i a l l yc o m p a r e dp t e r n i x e dc o m p r e s s i o ni g n i t i o no f d i e s e lf u e li nt h ed i f f e r e n te n v i r o n m e n tw i t hh c c ic o m b u s t i o np f o c e s s 1 1 1 e c h a r a c t e r i s t i co ff o r m e rc o m b u s t i o np r o c e s si st h a ti th a sm a n yp o i n t sw h e ni g n i t i o n o c c u r s ，h o w e v e r , h c c ic o m b u s t i o ni sf r e eo f b o u n d a r yw h i l et h ec o m b u s t i o nh a p p e n s ， w h i c hi sg r e a t l yd i f f e r e n tf r o mt h a to f t h ef o r m e ro n e i no r d e rt oa n a l y z et h em e c h a n i s mo fm i x t u r eg a sf o r m a t i o n , i g n i t i o na n d c o m b u s t i o na n dt of m do u tt h ed e t e r m i n a t ec o n d i t i o n st or e a l i z ed i e s e lf u e lp r e m i x e d c o m p r e s s i o ni g n i t i o n i nt h ed i f f e r e n te n v i r o n m e n t , t h em o d i f i e dk i v ac o d ew i d e l y e m p l o y e da tt h ep r e s e n tt i m ew a sa p p l i e dt os i m u l a t ec o m b u s t i o np r o c e s so fa c o n v e n t i o n a ld i e s e le n g i n ea n dap r e m i x e dn a t u r a lg a se n g i n ei g n i t e db yp i l o td i e s e l t h ec o r r e c t e ds h e l lm o d e lu s e dt od u a lf u c le n g i n et op r e d i c tt h ep i l o tf u e li g n i t i o n w a sd e v e l o p e d b a s e do nt h ea r r h e n i u sa r i t h m e t i c 。t a k i n ge f f e c to ft h et l l r b m e n c e f l o wo nt h ec h e m i c a lk i n e t i c su n d e rc o n s i d e r a t i o n , an e wm o d e lw i t hd u a lf u e l o p e r a t i o nw a si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s l l l mr e v e a l e dt h a t , a tl o wl o a du n d e r n o r m a ld i e s e lo p e r a t i o n , t h ed i f f e r e n ti n j e c t i o na d v a n c ea n g l ei sc o r r e s p o n d i n gw i t h t h em a x i m u m 蠲e c t i o nf u e la m o u n tt h a tc a nb ec o m p l e t e l ye v a p o r a t e db e f o r ef u e li n c y l i n d e rw a si g n i t e d b e c a u s ed i e s e lf u e li g n i t i o nd e l a yi nc n g - a i r i sg r e a t e rt h a nt h a t o ft h ed i e s e lf u e l ，i ti sr e v e a l e dt h a tt h ep r e m i x e dn a t u r a lg a si g n i t e db yp i l o td i e s e l f u e lp a nr e a l i z ep r e m i x e dc o m p r e s s i o nc o m b u s t i o nw i t ht h er e l a t i v em u c hp i l o td i e l f u e la m o u n t 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 nc o m b u s t i o n ，d i e s e le n # n e ， 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 ( h c c i ) , v i s u a l i z a t i o n , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 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，也不包含为获得鑫鲞盘堂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。 学位论文作者签名池于玛签字日期：b 雌 月k 阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基生盘堂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) 学位论文作者签名勘产玛 签字日期：1 呀f 年p 月铲r 导师签名： 签字目期孵8 明刁日 天津人学博十学位论文预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究 1 1 引言 第一章绪论 柴油机至今仍然是热效率最高的动力机械，作为车用发动机其比汽油机节油 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，所以在工程机械中得到越来越广泛地应用。近 年来，随柴油机电控技术、高压喷射技术、增压中冷以及各种排气净化技术的应 用，柴油机性能得到相当大的改善。目| i 欧、美、同本及我国1 0 0 重型车，欧、 美、日9 0 轻型车均采用柴油机0 1 1 。同时轿车中柴油机的比例也越来越高，目 前欧洲轿车市场上，4 4 轿车已经采用柴油发动机”1 。 柴油机排气的有害成分主要有c o 、h c 、n o x 、硫化物以及颗粒物、臭味等。 由于柴油机使用的混合气的平均空燃比较理论空燃比大，故其c o 及h c 排放明 显低于汽油机；但柴油机n q 、颗粒物的排放却十分突出。特别是颗粒物的排量 远高于汽油机“1 ，表1 1 为装备柴油机的汽车与装备其它发动机的汽车排气中 污染物n o ，和p m 比较”1 。由此可见，柴油机与汽油机相比，最令人头痛的问题 是高的p m 和n q 排放。产生这个问题的原因主要是两者的燃烧方式不同。柴 油机通常采用扩散燃烧，传统的汽油机一般采用预混合燃烧。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，造成了总体上“很稀”，而实际上存 在许多局部“很浓”的适宜碳烟产生的区域以及理论混合比附近的有利于n 仉 产生的区域。 表1 12 t 的柴油车与其他燃料车的n q 、p m 排放比较( 假定柴油车为1 ) 车辆种类 柴油车汽油车l p g 垄c n g 盘甲醇车 n 仉 1 0 008 2o 3 00 1 00 7 0 p m10 0 由于柴油机排放中的p m 和n q 远高于其他机型，因此柴油机排气的致癌可 能性远高于其他汽车，若用危险率与排放量的乘积表示致癌可能性，则柴油机排 气的致癌可能性明显高于汽油机的1 0 倍以上( 见图1 1 ) ，即使按2 0 0 5 年生效 的欧标准，柴油机( 安装颗粒物过滤器p d f ) 排气的致癌可能性仍为汽油机的 2 倍以上。 第一章绪论 f 喜 毒 羹 笨 鑫 姻 e c e ri 5 0 4 e u 2e u 3e u 4 1 9 9 8 年2 0 0 0 年2 0 0 , 5 年 图1 1柴油机与汽油机排气的致癌可能性比较 由于柴油机主要有害排放物是p m 和n 晚且危害很大，各个国家或地区的法 规对这两个污染物的限制越来越严格( 见图1 - - 2 ) ”1 。大量研究表明，传统的压 燃点火直喷式柴油机，由于其不均匀的、油束扩散式燃烧方式的限制，降低p m 排放的技术措施与降低n q 排放的技术措施是相互矛盾的“1 ，柴油机排放中n 嘎 和p m 的关系如图1 3 所示”1 ，在没有废气后处理装置的情况下，难以满足未 来更严格的排放法规，而使用废气后处理装置会带来经济性恶化、成本上升以及 可靠性等问题9 3 。所以如何有效降低两种有害排放物，满足日益严格的排放法规， 是柴油机排放研究的一个重点工作。 图l 一2 欧、荚、r 的柴油车的n o ，和p m 的限值变化 o 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 。_qi，参i)、曩餐雌尊罱 天津大学博士学位论文 预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究 开发日标 船 i t 冷却嫩 6t o n o j 捧撼量恤k w 1 h 叫) 图i 3 柴油机排放中n 仉和p m 间的关系 从燃烧学的角度来看，要彻底解决柴油机p m 和n q 的排放问题，必须改 变传统的柴油机的燃烧方式，但还应保留柴油机热效率高的优势。近年来成为研 究热点的均匀充气压燃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 ) 发动 机的概念，就是基于这种考虑提出的。h c c i 发动机被认为是解决排放和节约能 源的最有希望的途径之一。无论是柴油机还是火花点火发动机，要同时实现高效 率和低污染都是困难的。h c c i 发动机由于同时具备两方面的优势，因而它的开 发已成为下一代发动机开发的热点9 。“。与传统发动机相比( 见表1 - - 2 ) h c c i 发动机具有明显的竞争优势。其一是n 仉生成少，原因有两个：一是采用稀燃， 火焰温度低( 低于n q 的生成温度) ，难以生成n 仉；= 是混合气整体或多点同 时着火，形成所谓无火焰边界或无火焰锋面的燃烧( b o u n d a r y f r e ec o m b u s t i o n ) ， 燃烧持续期短，发动机的燃烧过程在空间和时间上的温度梯度极低，并且无局部 燃烧高温，不存在火焰传播和扩散燃烧，拟制了n 仉的生成。其二是p m 生成少， 原因是燃料和空气混合非常均匀，燃烧过程中不存在产生p m 的燃烧条件，完全 是气相燃烧。其三是发动机经济性高，原因是采用稀混合气燃烧和高压缩比，使 燃烧充分n 3 ”“表l 一2 发动机的不同燃烧方式特点对比 火花点a 发动杌囊曲机 h c c i 精 供培群式 两混合 燃料喷射疆挂台 嵌烧方式最怕传播扩散燃烧分散燃烧( b u l k yc o m b u j f i o n ) 着业方式业花点火压措着业压持着火 热鼓丰 oo n c l 捧麓o p m 捧簋 oo h c 捧拉 a 往i 一盖l 一麓好l o 一好 嘴 哪 晰 呲 1i；萝辗_。叠 第一章绪论 1 2 预混合均质压燃燃烧系统的研究历程 作为新一代内燃机燃烧理论的典型代表h c c i 燃烧是在2 0 世纪9 0 年代开始 受到人们的重视。其实，人们很早就自觉戡不自觉地利用这种燃烧方式。在2 0 世纪初期，“燃油蒸发式发动机( o i lv a p o r i z i n ge n g i n e s ) ”的燃烧就是采用h c c i 这种燃烧模式。1 9 5 5 年，p e n n s y ls t a t eu n i v e r s i t y 的s c h w e n t z e r 等发表文章”1 提出一种雾化( f u m i g a t i o n ) 的方法来改善柴油机的排放。其做法是在柴油机的 进气管上安装一个名叫微型油雾发生器( m i c r o - f o gg 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焰前反应， 使滞燃期缩短，结果表明，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 e n t z e r 再次撰文啪“”，第一次提出混合燃烧发动机( h y b f i d e n g i n e ) 的概念，他认为，将o t t o 发动机的一个或几个特性与d i o s d 发动机的 某些特性结合，或相互取代，以取得像压燃发动机蕊样的燃油经济性，而又可以 不失去汽油机那样的轻巧、安静、清洁的特点。对于均质混合气的形成，他认为 无非两种：内部形成混合气和外部形成混合气。在当时条件下，内部形成均质混 合气不现实，因为油气混合的时间太短。 人们真正有意识应用h c c i 燃烧始于1 9 7 9 年o n i s h i 呻3 和n o u c h i 啪1 的研究。 1 9 7 9 年，o n i s h i 等人在二行程发动机上进行h c c i 的研究，发现低负荷工况下， 在1 0 0 0 r r a i n 到4 0 0 0 r 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 年的实验表明， 在二行程发动机上用甲醇作燃料，h c c i 方式的工作范围可以明显扩展1 。h o n d a 公司于1 9 9 7 年已展示了采用h c c i 的二行程发动机。”，i p f 公司也开发了应用 h c c i 概念的二行程发动机m 1 ，在这两款发动机中，h c c i 被用来改进部分负荷 的稳定性和燃油经济性，减少h c 排放。 1 9 8 9 年，日本东京职业训练的h i e o a k iy o n e t a n i 等发表了首次采用进气道电 控汽油喷射来实现汽油柴油混合燃烧( h y b r i d ) 。在小负荷，采用了进气节流， 来避免由于预混合气太稀而造成的燃油经济性恶化，在大负荷时采用了4 0 一 6 0 的汽油，改善了排放，同时降低了油耗。同年t h r i n g 用一台楔形燃烧窒、 压缩比8 ：l 、预混、汽油混合温度6 4 0 k 、e g r 为1 3 到3 3 的l a b o e oc o o p e r a t i v e l u b r i c a n tr e s e a r c h ( c f r ) 发动机测出了允许的运行参数，并提出h c c i 这一描述 此种燃烧过程的名词。t h r i n g 首次采用了两种燃烧模式，即在大负荷使用火花点 火方式，在部分负荷采用h c c i 方式。1 9 9 4 年，h i e o a k iy o n e t a n i 等在东京工业 学院再次发表文章“删，在一台四行程分隔式燃烧室柴油机上进行了混合燃烧 ( h y b r i d ) 发动机的试验研究，试验了汽油比例及发动机预燃蛊参数譬对发动机 天津大学博士学位论文 预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究 性能的影响，发现：汽油比例不能太高，大负荷时超过4 0 就会引起敲缸，进 行废气再循环或吸入少量的惰性气体，可以明显减少敲缸的趋势，发动机的碳烟 排放得到明显改善。 1 9 9 2 年，s t o c k i n g e r 等人首次在实用的1 6 l v w 发动机上研究h c c i ，使发 动机的工作负荷范围从1 4 拓宽到3 4 阻6 3 ；1 9 9 6 年r y a n 和c l l a l l a h a n 用可变压 缩比发动机测出以十六烷值为4 7 的柴油为燃料的h c c i 的运行范围，并发现可 以用压缩比、e g r 水平和当量比控制燃烧，同时发现燃用柴油时不能采用太高压 缩比”1 ；1 9 9 7 年n a k a g o m e ，e ta l 在直喷柴油机上用早喷的方式达到了低n 晚 的h c c i 效果。同年，c 矾s 搬s e n ，j o h a n s s o n 等人采用异辛烷( 辛烷值1 0 0 ) 、乙 醇( 辛烷值1 0 7 ) 和天然气( 辛烷值1 2 0 ) 等3 种燃料进行h c c i 试验，结果表明高的 辛烷值对于h c c i 方式是有益的o 。1 9 9 8 年，c m s t e r s e n ，j o h a n s s o n ，a n m e u s 和m a u s e 的研究结果表明，采用增压可增加发动机使用h c c i 燃烧方式时的平均 有效压力口曲。”。1 9 9 9 年，c m s t e r s c n 等人的试验又证明了几乎所有的液体燃料 都能用于可变压缩比的h c c i 方式中1 。2 0 0 2 年，郑进才“”等在美国圣地亚国 家重点实验室成功她在四冲程发动机上进行了h c c i 试验，通过高e g r 水平大 大降低了u h c ( 未燃碳氢化合物) 和c o 排放。 美国西南研究院h 2 1 也很早就开展柴油机“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；为了使柴油和空气加速混 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着火，消除 了扩散燃烧，稀混合气降低火焰温度，可使n q 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p m 的排放减少2 7 ，指示热 效率有所改善。 赵华在r j c a r d o 发动机上对h c c i 进行了深入研究，通过可变气门正时和 可变凸轮升程改变缸内废气的含量，在中、小负荷范围内实现了h c c i 燃烧，也 给大负荷运行找到了可行出口“。 我国关于新一代内燃机燃烧理论的研究与国外几乎同步开始，天津大学内燃 机燃烧学国家重点实验室苏万华教授在1 9 9 8 年就提出了“车用内燃机新概念燃 烧研究”的建议，提出了b u m p 燃烧室大涡混合理论，并解决了燃料喷射规律 控制、分段多次喷射控制等关键技术问题。2 0 0 2 年由天津大学、西安交通大学、 清华大学、上海交通大学联合申请的国家“9 7 3 ”课题“新一代内燃机燃烧理论 和石油燃料替代途径的基础研究”获得批准。目前该课题的研究取得了重要的阶 段性成果，由天津大学和大连理工大学共同研究的“强化高压脉动燃料射流湍流 混合速率及均质低温火焰燃烧过程的研究”实现了基于多脉冲喷射控制实现可控 预混合压燃燃烧( c p c c i ) ，提出了一种新的柴油机h c c i 复合燃烧模式，即在 第一章绪论 低负荷时采用c p c c i ，中高负荷时将c p c c i 燃烧与b u m p 稀扩散燃烧结合起来 “；上海交通大学的黄震等开展的“替代燃料设计理论及其均质压燃着火燃烧 的基础研究”，对各种纯质和混合燃料的喷雾特性进行了详细地研究，对预混合 气的制备进行了探索“。天津大学的姚春德提出了“组合燃烧”理论，即通过 柴油与醇类燃料在发动机不同工况下喷射重的合理控制，实现了发动机p m 和 n q 超低排放“。 1 3 柴油h c c i 发动机混合气形成方式与特点 以柴油为燃料的h c c i 燃烧按照混合器形成方式可分以下3 类： 1 ) 缸外预混h c c i ，即在进气冲程柴油被喷入进气管，与空气混合形成预混 合气。 2 ) 缸内早喷h c c i ，即在压缩冲程早期，柴油被喷入气缸，随活塞上行逐步 与空气混合，直至发生自燃着火。 3 ) 缸内晚喷h c c i ，即在压缩上止点后开始喷油，并结合提高喷射压力和进 气涡流，以及高e g r 率，提高柴油与空气的混合速率，保证在燃烧开始前完成 喷射，形成混合气。 1 缸外预混柴油h c c i 燃烧 柴油被喷入进气管和空气进行混合的方式，是形成预混合气最直接的方法， 也是最容易实现的方法。早期的一些柴油h c c i 燃烧过程的研究者大多采用这种 方法呻“。但是，缸外柴油预混合方案，对柴油预混合气的混合过程和自然着火 过程都无法直接控制，不能够作为有实用化前景的方案来发展。 2 缸内翠喷柴油h c c i 燃烧 缸内压缩冲程早期直喷柴油“”，是目前被最普遍采用的柴油燃料h c c i 预混 合气形成方式。与缸外预混合柴油h c c i 相比，早喷柴油h c c i 具有以下几方面 优点： 1 1 压缩冲程气缸内的温度和压力高于进气门开启时进气管内的温度和压 力，因此有助于燃油的雾化和混合。压缩冲程早期喷油，降低了对进气湿度的要 求，从而也减少了混合气爆燃的倾向。 2 ) 从原理上说，采用压缩冲程早期喷油的方案，可以只需要一套供油系统 满足h c c i 和传统直喷柴油两种燃烧方式。 缸内早喷柴油h c c i 在实现过程中面临的主要困难是，在压缩冲程留给燃油 与空气混合的时间并不充裕，同时还要避免燃油撞壁的发生。而且在形成均质柴 油空气预混合气的前提下，燃烧始点的控制仍然是个严峻的闻题”嘲。 天津大学博士学位论文 预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究 日本n e w a c ei n s t i t u t e m l 、三菱公司“”、丰田公司侧、法国i f p 等都提出 了各自的柴油机缸内早喷h c c i 燃烧方案。 日本n e wa c ei n s t i t u t e 的研究者提出了柴油机h c c i 燃烧的 m u l d i c ( m u l t i p l es t a g ed i e s e lc o m b u s t i o n ) 燃烧方式。图l 一4 所示为m u l d i c 系统示意图。为了避免在缸内早期喷射油束撞壁，采用了特殊的喷嘴和喷油器布 置方案，即用2 个侧置喷油器向气缸中心对喷，利用油束的碰撞减小贯穿度。 m u l d t c 方式下，n o x 排放为原柴油机的i 6 ( ：g k w h ) ，经济性改善2 ，p m 排放较高( o 8 9 k w h ) 。 图1 4m u l d i c 系统示意图图1 5u n i b u s 运行工况范围 2 0 0 0 年8 月日本丰田公司的u n i b u s ( u n i f o r mb u l k tc o m b u s t i o ns y s t e m ) 系 统被批量生产投放日本市场。批量生产的装备u n i b u s 系统的i k d - f i v 发动机 缸径为9 6 m m ，冲程1 0 3 r a m ，压缩比为1 8 4 ：l ，装备有共轨式喷油系统和可变 喷嘴截面增压器。 如图1 5 给出的运行工况范围，u n i b u s 燃烧模式主要应用于发动机的中、 低负荷工况。u n i b u s 采用2 次喷油。第1 次喷油的定时范围为上止点前5 4 。 第1 次喷油量为5 1 5 m m 3 ，循环。当喷油量为1 5 m m 3 循环时，喷油定时早于上止 点前5 4 。将发生油柬碰壁。通过对第1 次喷油的定时和油薰的控制来抑镥4 预喷 燃油的剧烈放热，使预喷燃油在第2 次喷射之前，始终处于低温反应状态。 法国i f p 在2 0 0 2 年提出了一个很有前景的缸内早喷柴油h c c i 方案，即 n a d it m ( n a r r o w a n g l ed i r e c ti r l j e c t i o n ) 。这一方案针对h c c i 燃烧，对熬个燃烧 系统进行了优化设计，但仍兼顾传统的柴油燃烧方式，图l 一6 为n a d i 燃烧系 统示意图。如图所示，主要的改进包括：采用喷锥角小于t 0 0 。的高压共轨喷油 器和重新设计燃烧室，以窄喷锥角喷油器的传统直喷方式工作。 第一章绪论 图1 - - 6n a d i 燃烧系统示意图 冀囊转“ 抽， 图1 7 m k 系统运行工况范围 3 缸内晚喷柴油h c c i 燃烧 柴油帆缸内晚喷h c c i 燃烧的典型代表是同本n i s s a n 公司开发的 m k ( m o d u l a t e dk i n e t i c s ) 燃烧系统。采用m k 系统的发动机在1 9 9 8 年被投入批 量生产进入日本市场。 m k 系统通过推迟喷油( 上止点后3 。) ，大e g r 率( 使氧浓度降低1 5 - 1 6 ) ， 以延长着火滞燃期，使喷油完全在着火滞燃期内完成，形成预混合气。为了提高 混合率，m k 发动机的涡流比被提高到1 2 ，系统运行工况范围如图1 7 所示。 在m k 燃烧的负荷范围内，n 仇可降低9 0 以上，烟度低于1 个b o s c h 烟度单位。 1 4 内燃机均质压燃燃烧研究面临的问题 预混合均质压燃与传统火花点火式和压燃式这两种燃烧方式有某些相似之 处，但又完全不同。在传统的火花点火式和压燃式发动机的燃烧系统中，着火时 刻是分别通过点火系统直接控制和喷射系统间接控制；而燃烧速率又是分别通过 火焰传播速率和空气与燃油的混合率来控制的。而预混合压燃燃烧过程是均匀的 可燃混合气在气缸内被压缩到自燃，燃烧在多点同步发生而且没有明显火焰前 锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低且分布较均匀，因而只生成很少的n q 和p m ， 在低负荷时具有很高的热效率 6 t 3 e 然而，要使预混合均质压燃在内燃机中得到更广泛的应用，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，主要有以下几个方 面： 1 均质混合气的形成 对于蒸发性较差的燃料柴油，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 q 排放。 天律大学博士学位论文预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究 2 燃烧控制 所谓燃烧控制，指豹是对预混合均质压燃燃烧着火时刻和燃烧速率的控制。 常规发动机可以通过控制火花点火和喷油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 0 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 这两种排放相对碳 烟和氮氧化物来说，更容易通过后处理来解决。 4 冷起动和过渡工况 发动机起动时，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：常规工作方式起动，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，这就必须要有良好的控制系统。 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。 6 工作过程的数学计算模型 计算模型的建立归根到底是为了科学而又经济地设计发动机。目前用化学动 力学等模型与传统的计算流体软件如k i v a 相结合对h c c i 燃烧进行了一些研 究，也使用了先进的湍流模型。当前h c c i 燃烧研究重点集中在3 方面：化学动 力学机理、计算流体动力学模型和湍流、喷雾及蒸发子模型。 其它需要解决的问题是燃料的研究、燃料系统设计和多缸效应等。 1 5 本课题的提出及主要解决的问题 传统的柴油机和汽油机的燃烧方式是基于燃料的物性，前者通过压缩而燃 烧，以扩散燃烧为主，后者通过火花点火而燃烧，是预混燃烧。两种燃烧方式都 不能解决碳烟和氮氧化物生成的相互间矛盾的关系，因丽很难在这两种燃烧模式 下通过改进燃烧来同时大量降低碳烟和n o x 的生成。预混合均质压燃燃烧方式 第一章绪论 ( h c c i ) 由化学动力学控制，无明显的火焰前锋，最高燃烧温度较低，同时避 免了碳烟和n q 的生成条件，因而生成的碳烟和n o x 的量很少。这种燃烧接近 等容燃烧。有很高的热效率。 柴油h c c i 燃烧面临的最大的问题就是如何形成均质混合气以及如何控制 其着火和燃烧过程。通过大量的试验发现”，在传统柴油机燃烧过程中，柴油 机在小负荷时p m 排放极低，仅为全负荷烟度的3 左右，并且在一定的负荷范 围内始终维持较