（动力机械及工程专业论文）柴油hcci燃烧微粒形成、演化及物理特性研究.pdf

中文摘要 柴油机h c c i ( 均质充量压燃) 燃烧虽然可以大幅度降低微粒质量，但排放 中仍然存在大量对人体危害更大的纳米微粒，因此，开展柴油h c c i 燃烧微粒的 生成及特性研究具有重要的理论意义和实用价值。 本文在配有全气缸取样系统的高压共轨直喷式柴油机上，利用燃油早喷和多 次喷射技术实现了柴油机h c c i 燃烧，并对燃烧过程中的混合气和排气中的微粒 进行了采样。利用电子低压冲击仪( e l p i ) ，测量了h c c i 燃烧过程和尾气中微 粒的粒数、粒径等分布规律。运用i m a g e j ，d i g i 。t a lm i c r o g r a p h 等图像处理软件， 深入分析了电镜拍摄的微粒t e m 图片，研究了h c c i 微粒的微观形态、形貌。 研究结果表明： ( 1 ) 在实验的工况范围内，随着h c c i 燃烧过程的进行，微粒质量和粒数 浓度呈递减的分布规律；当轨压增加时，燃烧过程中微粒质量和粒数浓度整体上 呈下降趋势，而发动机转速和e g r 对其影响不大。 ( 2 ) h c c i 燃烧微粒粒数、粒径呈对数正态分布，粒数浓度最大值大约出 现在粒径1 1 8 r i m - - - - 3 1 0 r i m 之间。燃烧初期，浓度最大值出现在粒径2 0 0 r i m 附近， 而燃烧末期，浓度最大值出现在粒径1 1 8 n m 附近。 ( 3 ) 和传统燃烧相似，h c c i 燃烧微粒呈现两种形态，一种是由基本碳粒 子凝结而成的典型微粒，另一种是富含金属和少量非金属元素的非典型微粒。典 型微粒随燃烧的进行有一定的变化规律，非典型微粒没有明显变化。 ( 4 ) 与传统燃烧相比，h c c i 燃烧初期，微粒表面附着大量s o f ，随着燃 烧进行，表面s o f 逐渐减少。到燃烧后期微粒表面形貌呈现与常规燃烧相类似 的特征。 ( 5 ) h c c i 燃烧中基本碳粒子平均粒径随着燃烧进行由2 3 n m 减小到1 4 r i m 。 在燃烧过程中，基本碳粒子层间距逐渐减小，由0 4 2 r i m 减小到0 3 7 n m ；同时发 现单碳颗粒由中心到外部碳层间距呈逐渐减小趋势。 关键词：h c c i ，全气缸取样，缸内微粒，理化特性，粒数和粒径 a b s t r a c t t h et o t a lm a s so fp a r t i c u l a t ee m i s s i o n sf r o md i e s e lh c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g e c o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) e n g i n e sh a sb e e nr e d u c e df o rag r e a te x t e n t ，b u tt h en u m b e ro f n a n o - p a r t i c l e se x i s t i n gi ne x h a u s te m i s s i o n si ss t i l lg r e a t ，w h i c hh a sb e e np r o v e dt o b em o r eh a r m f u lt ot h eh u m a nh e a l t h h e n c ei ti so fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a lv a l u et or e s e a r c ht h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i e s e lh c c ip a r t i c u l a t e s b a s e do i lt h et o t a lc y l i n d e rs a m p l i n gs y s t e me s t a b l i s h e di nt h ed i r e c t 硒e c t i o n d i e s e le n g i n ew i t l ll l i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l t h ec o m b u s t i o no fd i e s e lh c c ic a nb e w e l la c h i e v e du s i n gt h ea d v a n c ea n dm u l t i p l ei n j e c f i o nt e c h n i q u e s w es a m p l e dt h e m i x t u r eg a sf r o mc o m b u s t i o np r o c e s sa n dt h ep a r t i c l e sf r o mt h ee x h a u s tg a s t h e n u m b e ra n ds i z e d i s t r i b u t i o n sa b o u ti n - c y l i n d e rp a r t i c u l a t ew e f ei n v e s t i g a t e db y m e a n so ft h ee l e c t r i c a ll o wp r e s s u r ei m p a c t o r ( e l p i ) d e t e c t i o nm e t h o d ，n l e i n v e s t i g a t i o n o i lt h em o r p h o l o g y ，m i c r o s t r u c t u r ea n ds i z ed i s t r i b u t i o no fp n m a r y c a r b o np a r t i c l ew a sc o n d u c t e do naf i e l de m i s s i o ng u nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( f e gt e m ) ，a n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e db yt h ei m a g e ja n dd i g i t a l m i c r o g r a p ht e c h n o l o g y t h em a j o rw o r ka n dc o n c l u s i o n so fp r e s e n tp a p e ra r es h o w n a sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h es c a l eo fe x p e r i m e n t a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h et o t a lm a s so fp a r t i c l e sa n d p a r t i c u l a t en u m b e rc o n c e n 仃a t i o nd e c r e a s e d 、i t l lt h ep r o c e s so fh c c ic o m b u s i o n , w h i c hi sd e c l i n e db ye n h a n c i n gt h ep r e s s u r eo fc o m i n o nr a i l ，b u tt h ei n f l u e n c ef r o m t h es p e e da n de g rw e r em o d e s t ( 2 ) t h ep a r t i c u l a t en u m b e ra n ds i z eo fh c c lw e r ea u t h e n t i c a l l yo fl o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n , a n dt h em a x i m u mv a l u ew a sv a r i e di nt h er a n g eo f1 18 3 10n l t li n a e r o d y n a m i c sd i a m e t e r t h ec r e s tv a l u eo ft h ep a r t i c u l a t en u m b e rc o n c e n t r a t i o nw a s a b o u t2 0 0 n ma tt h ei n i t i a lb u r n i n ga n dl1 8 n ma tt h ee n do f b u r n i n g ，r e s p e c t i v e l y ( 3 ) s i m i l a rt ot h ec o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o n , t h ei n - c y l i n d e rp a r t i c u l a t e sp r e s e n tt w o m o r p h o l o g i e s ：r e p r e s e n t a t i v ep a r t i c l e sp r o d u c e db yt h ec o n d e n s a t i o no ft y p i c a l p a r t i c u l a t e s ，a n du n r e p r e s e n t a t i v ep a r t i c u l a t e sc o n t a i n e da b u n d a n tm e t a le l e m e n t sa n d l e s sn o n m e t a le l e m e n t s t h er e p r e s e n t a t i v ep a r t i c u l a t e se x h i b i ts o m ec h a n g e r e g u l a r i t yc o m p a r e dt ou n r e p r e s e n t a t i v eo n e ( 4 ) c o m p a r et ot h ec o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o n , al a r g ed e a lo fs o fa t t a c h e dt ot h e s u r f a c eo fh c c ip a r t i c u l a t e sa tt h ei n i t i a lb u r n i n g , d u r i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，t h e s o fa m o u n tg r a d u a l l yr e d u c e d a tt h ee n do fb u r n i n g ，t h em o d a l i t yo fp a r t i c u l a t e s w a ss i m i l a rt ot h ec o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o n ( 5 ) t h ea v e r a g er a d i u so fp d m a r yp a r t i c l e sg r a d u a l l yr e d u c e df r o m2 3n m t o1 4n m d u r i n gt h eh c c ic o m b u s t i o np r o c e s s ，a n dt h ec r y s t a lp l a n es p a c i n go ft h ep a r t i c l e d e c r e a s e df r o mo 4 2n l nt o0 3 7r a n , a n dt h e nt h ec r y s t a lp l a n es p a c i n gi sd e c r e a s e d f r o mt h ec o t et oe x t e r i o r k e yw o r d s ：h c c i ；t o t a lc y l i n d e rd u m p i n gs y s t e m ；i n c y l i n d e rp a r t i c u l a t e ； f e gt e m ；p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；t h en u m b e ra n dr a d i u so f p a r t i c u l a t e s 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，也不包含为获得垂盗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。 学位论文作者签名参j 。弋， 签字日期：伽9 年y 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘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：孓寻弋7 签字日期：劢够年如o 日 导师签名： 囊毅；鼍， 签字日期：力1 1 p 年j 月乡口e l 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 柴油机纳米微粒对人体危害非常大，研究表明机动车尾气中的可吸入颗粒 p m l 0 ( 空气动力学直径小于或等于1 0 0 x n ) 能够对人体造成各种不利的健康影 响，因为可吸入颗粒物在呼吸道及肺泡内具有一定的沉积作用，甚至可以穿透细 胞膜进入血液，引起细胞中毒，导致心血管等疾病。据美国环境保护局统计，如 果满足现有的细颗粒物标准，至少能减少l 万例因呼吸颗粒物引起住院患者，1 5 万例早产婴儿死亡，降低7 5 万例慢性支气管炎的发作，缓解几十万例人哮喘症 状恶化，减少3 1 0 万天次的休假【1 】。 联合国排气专业分科会议认为“对人类健康有害的主要是极微小的颗粒”， 提议开发替代传统称重法的检测方法，并且制定了颗粒检测规划( p m p ) ，建议采 用在去除p m 中挥发成分后统计颗粒数的方法检测微粒。各国相继制定了严格的 颗粒物控制法规。欧洲以瑞士为首，许多国家开始对颗粒物的数量进行限制。美 国的研究者通过装有监测器的车辆尾随高速公路的柴油车以检测排气颗粒数量 和粒径分布。最近美国推出的颗粒物国家环境空气质量标准( 2 0 0 3 ) 确定的 p m l 0 国家环境空气质量标准( 2 4 h 限值1 5 0 u g m 3 ：年均限值5 0 u g m 3 ) 和p m 2 5 的国家环境空气质量新标准( 2 4 h 限值6 5 u g m 3 ，年均限值1 5 u g m 3 ) 2 1 。今后在 限制微粒质量排放的同时，也将限制微粒的粒数排放。微粒排放的进一步限制， 将对内燃机研究者提出严峻的挑战，迫使人们寻求新的高效清洁燃烧技术，并对 微粒生成机理进行更深入的研究。 由于机动车尾气对人类健康和环境的不利影响，环境友好型车辆已经受到人 们的广泛青睐，因此，国内外学者不断地研究新型的清洁燃烧理论。柴油h c c i 燃烧过程的研究始于上世纪9 0 年代中期，由于意识到柴油h c c i 燃烧的优越性 和巨大的应用前景，国内外针对柴油h c c i 燃烧的基础理论和应用研究相当活 跃，并提出了各自不同的技术方案。并且对于柴油机，国内外学者公认h c c i 技 术是最有前途的燃烧理论之一。h c c i 燃烧模式不但能够降低柴油机尾气中的颗 粒物和气体污染物，而且对柴油机的燃油经济性也有改善作用。 h c c i 技术也是为实现欧v 欧后更加严格的排放法规的一主要技术措旆。 伴随着混合动力和双模燃烧模式发动机的广泛应用，h c c i 也必将是未来内燃机 第一章绪论 的一大主要燃烧模式。柴油h c c i 燃烧微粒的质量排放量极低，但该燃烧模式与 传统的柴油机和汽油机燃烧有很大差别，因此，其颗粒物的生成机理、演化历程 及理化特性必然与传统的柴油机和汽油机不同。目前国内针对这方面的系统研究 还是空白，对h c c i 燃烧微粒的模拟研究刚刚起步。我国开展了包括柴油在内的 多种燃料的h c c i 燃烧应用基础研究。但对微粒主要关注其质量排放量，而忽略 了微粒的粒数排放。柴油机h c c i 燃烧虽然在很大程度上降低了微粒总排放量， 但排放中极小尺寸的微粒数量却有所增加，所以，开展h c c i 燃烧模式下颗粒物 的形成机理、演化历程及物理特性的研究具有一定的现实意义，而且对后续的理 论研究也奠定了理论基础。 1 2 柴油机微粒成分及危害 传统柴油机的微粒( p a r t i c u l a t em a t t e r , p m ) 主要由碳烟( d r ys o o t ，d s ) 、可 溶有机物( s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ，s o f ) 、无机物和金属物质等组成。 在传统柴油机中，碳烟是排放微粒的主要组成部分，占微粒总质量的 5 0 - 1 8 0 。碳烟是燃料在高温缺氧条件下燃烧时形成的，其主要成分是碳，对气 体和液体都有较大的吸附性。 可溶有机物一般占微粒质量的1 5 3 0 ，主要来源于未燃的柴油、机油及燃料 燃烧过程中的中间产物，是极为复杂的有机混合物。目前，在已经检测出的1 0 0 多种有机化合物中，主要包括直链、支链烷烃和芳烃类化合物，其中，直链和支 链烷烃的质量含量占8 0 以上，芳烃类化合物占1 8 左右 3 8 】。 由于各有机组分的化学和物理性质不同，导致其致癌、致突变性活性呈现多 样化，表现出的对人体和环境的危害也会有所差别。为此，国内外研究者通常将 s o f 按不同化学性质进行分类，然后对不同组分的生物毒性进行分析。 金属无机物主要来自机油和发动机运动件的磨损物，其在微粒表面呈非均相 分布。2 0 0 3 年，y a f e nw a n g 等人【6 】对柴油机排气金属物质检测结果显示，微粒 中地壳金属元素( a i 、c a 、f e 、m g 、s i ) 的含量远高于组成人体的金属元素( a g 、 b a 、c d 、c o 、c r 、c u 、m n 、m o 、n i 、p b 、s b 、s r 、t i 、v 、z n ) 的含量，而 这些金属元素的含量随着柴油机转速的升高而增加；宋崇林等人【7 】采用i c p - a m s 方法，在某柴油机排气微粒中检测出了1 7 种金属物质，占微粒总质量的6 7 4 。 总的来说，国内柴油机排气微粒中金属物所占的比例不大，但随着排放法规的日 益严格，柴油机微粒的限值越来越低，其在微粒中的权值将增加；此外，这些金 属物质除对环境和人类健康的影响外，还会对柴油机后处理系统造成堵塞和中 毒，因此，金属物质的排放问题也应引起重视。 第一章绪论 微粒的危害： 柴油机微粒对生物体的危害主要分为有机物的危害和无机物的危害两个方 面。其中有机物的危害主要包括：致突变性、d n a 损伤、环境雌激素效应等； 无机物的危害则主要体现在金属离子和阴离子对生物的影响。 致突变性：柴油机微粒致突变性的研究是国内外相关研究的热点之一。1 9 7 8 年，h u i s i n g h ，j 等人( s 壤先利用生物短期试验法( a m e s 试验) 研究发现，柴油 机微粒具有很强的致突变作用。1 9 9 5 年，r i c c a r d oc r e b e l l i 等人【9 】研究了不同燃 料成分对柴油机排放物致突变性的影响。研究显示柴油机排放微粒中的可溶有机 物的致突变性的强弱很大程度上受燃料中芳香烃物质含量的影响。国内宋崇林、 叶舜华、宋健等人研究发现，芳香烃类有机物具有较强的致突变性【1 0 1 。 d n a 损伤：y o s h i t ok u m a g a i 等人【1 1 1 、y a s u n o b u a o k i 等人【拴1 、陈薛、宋崇 林等人【1 3 】研究表明，柴油机微粒中可溶有机成分中的直接致突变物对细胞d n a 具有很强的损伤作用。 环境雌激素效应：在柴油机微粒所含的数千种有机成分中已经确定多环芳香 烃( p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，p a h s ) 具有环境雌激素效应i l4 1 。2 0 0 0 年， t a n e d as 等人【15 】将s o f 按照不同性质分成4 个组分，分别对他们进行了雌激素和 反雌激素效应的研究。结果表明以苯、二氯甲烷、甲醇作为溶剂的提取物有反雌 激素效应，而正己烷的提取物有轻微的雌激素作用。 无机物的危害：从环境毒理学角度来看，一些重金属如铅、镉、砷、钴、铬 等具有遗传毒性，干扰d n a 代谢，并可导致染色体和d n a 分子的变异，诱发癌 症【l6 1 。附着在细小微粒上的金属物质可以渗入气管，沉积在肺部的金属可导致多 种急性和慢性的呼吸系统疾病 1 7 1 8 】。此外，k e n i c h io h y a m a 等人研究表明s 0 2 和n 0 2 在肺部的沉积可以促进肺部肿瘤的生长。 鉴于柴油机排气微粒成分复杂、对大气环境和人类健康的危害极大，有必要 对柴油机微粒的生成机理进行深入的研究，以便有的放矢地采取相应技术最大限 度地降低其微粒排放。 1 3 柴油机燃烧过程中微粒的研究现状 柴油机燃烧是个复杂的过程，较少排放中的气体和碳烟含量是减排的重点。 降低柴油机排放的关键在于对燃烧过程系统、深入的了解。只有细致研究缸内燃 烧过程中微粒的生成机理，弄清各因素的影响，在比较透彻地了解燃烧的具体过 程和局部过程细节的基础上，才能更有效地降低排放。 柴油机缸内燃烧是一个在时间和空间上都以极快速度变化的瞬态过程，燃烧 第一章绪论 过程中复杂的中间产物，极快的燃烧速度，燃烧室内复杂的气体流动，高温、高 压的工作环境以及对密封的严格要求等诸多因素给内燃机燃烧过程中微粒形成 的测量研究带来了极大困难，至今缸内燃烧过程中微粒的生成机理仍没有被完全 了解和掌握。因此，运用先进的试验手段和方法，分析柴油机缸内瞬态燃烧产物 一微粒的空间分布和形成历程，是研究微粒生成机理的一个重要手段，具有十分 重要的意义。 自内燃机诞生以来，国内外不少内燃机研究工作者采用各种方法对燃烧过程 中生成的微粒进行大量的测量和研究，取得了不少成果。其中比较有效的方法有： 点状取样法( g a ss a m p l i n gm e t h o d ) 、全气缸取样法( t o t a ls a m p l i n gm e t h o d ) 和光学测定法( o p t i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d ) 。 点状取样法 点状取样法是在发动机连续运转的条件下，通过取样阀门高速抽取燃烧过程 中某一时刻的少量燃气或在某一相位( 即在某一曲轴转角) 连续抽取缸内多个循 环的燃气，然后对取出燃气进行测量分析的方法。常用的取样阀有两种：菌式( 外 开式) 和针阀式( 内开式) 1 2 0 j 。 全气缸取样法 全气缸取样法是在柴油机燃烧过程的任意时刻打开燃烧空间，中断燃烧，抽 取缸内燃气，然后对采集的燃气进行测量分析的方法。全气缸取样法获得的是燃 烧过程某时刻整个燃烧空间的平均信息，反映柴油机非均质燃烧污染物形成的 宏观历程，这是全气缸取样和点状取样的根本差异。 全气缸取样技术与点状取样技术相比有如下优点： ( 1 ) 样气充足，分析结果可靠性高。 ( 2 ) 测试数据为整个燃烧空间积分的结果，更适用于研究柴油机非均质燃 烧污染物的形成历程；而点状取样法获取的仅是取样时刻燃烧空间某一点的信 息，较适用于研究均质燃烧过程。 ( 3 ) 试验结果更适应于燃烧模拟的验证。 但是，全气缸取样技术比点状取样技术复杂且较难掌握，每进行一次取样后， 都必须停机，试验周期相对较长。因此，到目前为止，使用全气缸取样技术研究 柴油机微粒形成历程的单位主要有美国威斯康星大学、美国明尼苏达大学、中国 吉林工业大学和日本广岛大学。 明尼苏达大学开发的全气缸取样系统 八十年代初，美国明尼苏达大学g h h e d d i n g 和d b k i t t e l s o n 等人【2 1 2 2 1 又开发 了一套全气缸取样系统。该系统仍采用膜片密封住燃烧室空间，以保证正常的燃 烧。取样时，快速响应电磁阀打开高压氦气瓶，高压氦气作用在驱动活塞上，促 第一章绪论 使中空的筒刀切割膜片，膜片蝶状折起，缸内燃气溢出与稀释氮气混合，萃灭其 化学反应；同时，为了避免样气被污染和流失，取样时关闭进、排气门，并停止 喷油。 明尼苏达大学对全气缸取样技术的研究及其应用最深入、细致。它首先在非 直喷式柴油机上应用该技术研究了缸内n o x 、微粒粒数浓度及总质量、微粒中有 机成分的形成历程，并将部分实验结果与理论计算进行了对比分析。尔后，将该 技术用于直喷式柴油机，着重探讨了技术本身的特性及拓展应用范围：如考察取 样与正常工作时缸壁温度的差别、微粒在缸内及排气中的集聚与氧化、n o x 在样 气储存过程中的成分变化以及燃烧室形状、喷油定时对缸内微粒质量的影响等 2 3 - 2 9 1 。 吉林工业大学研制的全气缸取样系统 八十年代中期，我国吉林工业大学开始进行全气缸取样技术的研究，刘仪、 刘巽俊、郭英男等人 3 0 - 3 2 1 对国外全气缸取样装置进行改进，开发了图1 1 2 所示的 柴油机全气缸取样机构，并用其进行了缸内微粒形成历程的研究。 该系统的特点是：取样膜片采用盖状折起，即筒刀刃部可切割膜片的3 4 圆周，这样，将比国外的蝶状折起有更大的流通面积；取样执行机构采用电磁 铁释放状态，可以缩短延迟；采用磨偏摇臂轴的方法控制进排气门的停开，结 构简单；除采用二级稀释外，还在取样过程中增加了一级稀释( 国外只采用二 级稀释) ，更能有效迅速的“萃灭”缸内燃气的化学反应。 广岛大学研制的全气缸取样系统 9 0 年代初开始，日本广岛大学西田( k e i y an i s h i d a ) 教授带领的课题小组， 设计了一套从活塞底部引出缸内燃气的全气缸取样系统，并用其研究了缸内n o x 和微粒的形成过程【3 引。 该系统的最大特点是使用阀门释放缸内燃气，阀门安装在改装加长的活塞底 部，样气从加长的气缸中引出。因阀门质量相对取样膜片来说较大，其动作时间 加长，阀门开启速度慢很可能成为影响样气时间分辨率的最大问题。 此外，2 0 0 4 年，日本d o s h i s h a 大学的h g e nf u j i m o t o 等人【3 4 】采用全气缸取样 技术在模拟燃烧室中对正庚烷( n - h e p t a n e ) 燃烧的中间产物( c i - h 、c 2 h 2 、c 2 i - h 、 c 3 h 6 ) 进行了测量研究。 综上所述，全气缸取样技术的中心任务是适时打开燃烧空间，中断燃烧，抽 取缸内燃烧产物，同时用氮气进行稀释以“萃灭”其化学反映，然后对燃气进行 物理化学特性分析，再现污染物的生成历程。伴随着对该技术本身越来越细致地 探索，它的应用范围日愈广泛。它已成为研究柴油机燃烧过程中有害污染物形成 与消失过程的有力工具，也适合于考察柴油机燃烧系统改进、燃油品质、燃料添 第一章绪论 加剂、废气再循环等一系列降污措施的机内净化效果。 随着电子技术和高压燃油喷射技术在柴油机上的广泛应用，基于机械供油方 式的全气缸取样系统存在着下列不足：试验缸喷油量受发动机转速的影响，控 制精度低，致使取样测量偏差较大；取样时，机械油路切断机构不可能迅速切 断油路，可能会造成喷油器二次喷射，污染样气。由于传统供油方式的限制， 很难实现共轨压力、喷油量和喷油规率的灵活调整。鉴于此，作者在借鉴已有设 计和系统结构的基础上，在c y 6 1 0 2 b z l q 型直喷式柴油机上开发了一套可实现模 拟增压中冷、e g r 和电控高压燃油喷射等先进柴油机技术的全气缸取样系统。 光学测试法 光学测试法是一种可视化的研究方法，它可以在不干扰原燃烧场的情况下， 直观地获得燃烧过程的图像，然后根据光学原理推测碳烟的生成历程和计算碳粒 的大小与分布。光学测试方法有：双色法( t w o c o l o rm e t h o d ) 、透射光衰减法 ( t r a n s m i t t e dl i g h ta t t e n u a t i o nm e t h o d ) 、激光光片测量法( l a s e rs h e e ti m a g i n g m o n l o d ) 、激光诱导白炽光法( l a s e ri n d u c e di n c a n d e s c e n c e ，l i d 等【3 引。 j o h ne d e c 等人1 37 j 利用激光光片成像技术在装备有光学测量系统的 c u m m i n s 单缸实验机( 缸径d = 1 3 9 7 m m ，冲程s = 1 5 2 4 m m ，压缩比s = 1 1 ) 上 对其燃烧过程和碳烟的生成历程进行了仔细研究，得出碳烟生成的新看法：大量 碳烟的生成是在9 5 0 16 0 0k 的早期反应区中，首先是生成小的，部分燃烧的c 4 碳氢碎片以及更小尺寸的c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 3 h 3 碎片，它们是导致生成多环芳香烃 的先导物，而p a h s 又是产生p m 的基础，此后扩散火焰外壳又向它扩散热量，但 此时缺0 2 ，有利于碳粒聚合，出现碳氢碎片减少而碳烟增加的情况。在扩散燃烧 时，所有碳烟在高温扩散火焰外壳中均应氧化消失。 b o r i sf k o c k 等人【3 8 】采用双色时间分辨激光诱导白炽光( t w o c o l o r t i m e - r e s o l v e dl i d 技术，对重型柴油机燃烧室内基本碳粒子粒径分布规律进行了 估算，结果表明，在燃烧循环的开始阶段，基本碳粒子的平均粒径增大，随后在 燃烧过程中粒径减小。 尽管柴油机缸内燃烧可视化方法对流场无干扰，便于观测喷雾、气流运动、 火焰扩展等物理过程，可以获得缸内燃烧过程温度场、火焰运动及微粒生成和氧 化的时空变化图像，但要实现缸内充量的定量和成分分析还存在巨大的困难。 1 4h c c i 含义和燃烧特点 h c c i 是英文“h o m o g e n 娜c h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ”的缩写。中文意 思是“均质充量压缩点燃”，单从名称来看。似乎只是一种点燃方式。实际上这 第一章绪论 是种全新的内燃机燃烧概念，这种燃烧概念既不同于柴油机非均质充量压缩点 燃又不同于汽油机均质充量火花点燃。是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发 动机概念的混合体。 h c c i 是当前研究的热点，它既不同于传统的燃烧方式，有一些自己的优点 和特点，兼容并蓄了火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机的优点，其特点是【3 9 】： 1 、如同在火花点燃式发动机中那样，采用均质混合气空气和燃油在h c c i 发动机的进气系统中预混合。形成均质的空气燃油混合气然后吸入气缸进行压 缩。也有燃油直接喷入气缸，在气缸内与空气进行预混合的。 2 、如同在压缩点燃式发动机中那样，采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气 温度升高，达到自燃温度而自燃。也就是说不需要任何点火系统。 3 、采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的 范围内变动。 4 、为了使均质混合气能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。 5 、由于压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调 节的方式直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。 6 、既然均质混合气是自燃的所以燃烧大体上是整个气缸内同时开始的。如 果采用过浓的混合气，会引起非常急速的燃烧还会发生爆震之类的问题。为了限 制燃烧速率，混合气必须高度稀释。可以采用过量空气或者采用残余废气达到高 度稀释的混合气。另一方面，太稀的混合会导致不完全的燃烧或者引起缺火。 7 、h c c i 发动机采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用 汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料 混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在h c c i 燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法，也有人试图用柴油作为日燃料但效果远 不及汽油。 8 、h c c i 由于采用均质混合气( 就此而论像火花点燃式发动机) ，解决了压 缩点燃式发动机中和微粒物排放控制目标相互冲突的问题。 9 、h c c i 由于采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比。而且泵气损失较低 ( 就此而论像压缩点燃式发动机) 使得热效率大幅度提高【3 9 】。 对发动机中通过压缩来点燃均质混合气这种现象的最早研究是在二冲程发 动机上进行的，二冲程发动机采用h c c i 燃烧的主要目的是减少部分负荷时的h c 排放，后来在四冲程发动机上的研究表明采用高压缩比和稀薄混合气可以达到高 效率和低n o x 排放。 将压缩点燃式发动机改装成h c c i 的主要目的是减少n o x 和p m 排放；将火花 点燃式发动机改装成h c c i 的目的是减少部分负荷时的泵气损失以降低燃油消 第一章绪论 耗。 美国环保署不久前提出了一个将重型车辆的排放相对于目前水平降低9 5 的庞大计划。建议中的严格的排放限值为0 2 6 8 9 k w * h 的n o x 和0 0 1 3 4 9 k w * h 的 p m 。普遍认为为了达到如此之低的排放水平，必须将低排放的燃烧系统和先进 的尾气后处理装置结合起来。尾气后处理装置通常对硫十分敏感。建议中的柴油 含硫量上限为1 5 p p m 。采用尾气后处理装置并不意味着不再需要改善缸内燃烧过 程。恰恰相反为了达到未来的排放标准燃烧过程的进一步改善是至关重要的。 h c c i 可以担当这一重任。因此h c c i 现在和以后也将面临着更广阔的前景，但由 于特殊的燃烧模式，在高负荷等情况下燃烧状态并不太理想，需要研究的内容还 很多。 1 5h c c i 的发展状况 均质压燃式燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点。燃烧是以预混合燃 烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用燃烧方式可以同时有效降低柴油机的n o x 和碳烟排放，并提高柴油机的循环热效率。 由于h c c i 在内燃机节能和降低热负荷及降低排放方面的巨大潜力，2 0 世 纪9 0 年代后期引起全世界内燃机界的高度关注，是内燃机燃烧技术的重大进步， 现阶段，各国更多的研究集中在燃用柴油的h c c i 燃烧方面舯】。 近年来，很多方法被用来拓宽h c c i 柴油机向高负荷的运行工况发展，这些 方法包括：缸内喷水、增加缸内的e g r 残余废气量和燃油改质等，同时分层也是 拓展h c c i 高负荷运行范围的有效手段。从实用化的角度出发，一般采用双模式 运行方案，即在中低负荷，采用h c c i 燃烧模式，而在高负荷或过低负荷，仍然 采用传统的燃烧方式，使发动机获得最佳的经济性能。另外，由于预混燃烧不存 在柴油机的液滴蒸发扩散燃烧现象，p m 排放接近为0 t 4 1 1 ，目n - 翩c c i 技术被认为是 柴油机欧5 后的最佳技术路线之一。 目前h c c i 柴油发动机还未能实现大规模商品化，只是少量的投入生产，如 日本n i s s a n 公司开发的艇( m o d u l a t e dk i n e t i c s ) 燃烧系统和丰田公司的成片均质 燃烧系统( u n i f o r mb u l k yc o m b u s t i o n s y s t e m ，简称为u n i b u s ) 等，采用m k 系统 的发动机在1 9 9 8 年被投入批量生产并进入日本市场。m k 系统采用推迟喷油时刻 ( 上止点后3 0 ) 和大的e g r 率( 使氧浓度降至1 5 一1 6 ) ，以延长着火滞燃期，使 喷油完全在着火滞燃期内完成，并形成预混合气；同时为了提高混合率，m l ( 发动 机将涡流比提高到1 2 ，并优化了燃烧室设计以加快油气混合1 4 2 1 。2 0 0 0 年8 月日本 丰田公司的u n i b u s 被批量生产并投放日本市场。装备有u n i b u s 系统的直喷式 第一章绪论 h c c i 柴油机的型号为1 k d - - - f t v ，规格为：排量3l 、4 缶1 ：4 气门、双顶置凸轮轴； 缸径为9 6 m m 、冲程为1 0 3 r a m ；压缩比为1 8 4 ：1 ；燃烧室形状为挤流口型；采用 共轨式喷油系统和可变喷嘴截面增压器( 盯) ，实车也与此同时在日本面市，并 且在日本试验工况中实现了低于7 1 0 - 6g k w h 的极低n 0 x 排放和接近于零值的烟 度排放值1 4 3 】。 h c c i 技术在大幅度降低污染物排放方面，向我们展现了巨大的潜力，但发 展过程中也始终面临巨大的困难，这些困难包括： 第一、着火时刻的控制问题。 在h c c i 燃烧过程中，混合气依靠活塞的压缩自燃着火，着火时刻与混合 气在压缩过程中所经历的温度、压力历程紧密相关，与传统的汽油机或柴油机相 比缺乏直接控制着火时刻的手段，随着发动机负荷和转速的提高，自燃过程化学 反应速度及其相对曲轴转角的变化，使这一问题更加突出。 第二、如何将运行工况范围向高负荷扩展。 高负荷下h c c i 发动机面临的主要问题是，燃烧速度和强度难以控制，燃烧 噪声过大，易导致发动机损坏，同时n o x 排放也会急剧增加。 第三、h c 和c o 排放的控制问题。 h c c i 燃烧本身的均质和低温特性，引起相对较高的h c 和c o 排放，并且 较低的排气温度也不利于采用后处理装置减少h c c i 发动机h c 和c o 排放。 为了克服困难，实现h c c i 燃烧过程的有效控制，h c c i 技术发展至今，呈 现出多样化的局面，根据不同的机型，所用燃料不同，所采用的技术手段也因此 多种多样。按燃料来说，除了柴油和汽油以外，被用来进行h c c i 研究的燃料还 包括，天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等。 1 6 柴油机实现h c c i 的方式及优缺点 均质混合气的形成是实现对h c c i 燃烧控制的第一步。均质混合气的准备对 于减少h c 和p m 排放，获得较高的热效率很关键，燃油对燃烧室壁面的溅击直接影 响h c 排放，燃烧室中混合气不均质将使n o x 排放增加。燃油的引入是混合气准备 的重要步骤之一，国际上采用的柴油均质混合气形成方式包括：进气道缸外喷射、 缸内早期喷射和后期喷射m j 。 进气道喷射将燃料喷到进气阀附近和空气混合，然后在进气过程中将混合 气吸人缸内。这个方法利用进气涡流来强化混合气的形成过程，从而提高油气混 合工质的均匀度。进气道喷射柴油是提高混合气均匀度的个相对简单的方法。 缸内前期喷射即在压缩上止点前将燃料喷人缸内，通常此种情况下发动机 第一章绪论 的喷油提前角远大于传统柴油机，使柴油与空气在着火前充分混合。燃油喷射可 使用普通柴油机喷嘴，也可通过专用的喷射阀实现。 缸内后期喷射将柴油在压缩上止点附近或之后喷人缸内，同时采用大量预 冷的废气再循环、加强涡流和降低压缩比等措施来实现点火延迟。最终结果是着 火恰好发生在燃油喷射结束之后。尽管缸内后期喷射在缸内形成的混合物均匀度 不如前两种形式，但和碳烟排放仍然低于传统柴油机。 本文通过缸内前期喷射发动机的研究，对微粒的大小，数量，形貌上做了具 体研究和分析。并将柴油h c c i 发动机与普通柴油机的试验结果进行对比，讨论 燃烧和排放的特点以及存在的问题。 h c c i 柴油机的优点： ( 1 ) 可以同时保持较高的动力性和燃油经济性。由于采用压缩点火方式，节 流损失减少，同时压力比较高，多点同时着火的燃烧方式使得放热率显著提高， 接近于理想的等容燃烧，改善了部分负荷下的燃油经济性。同时稀燃混合气比热 容大，做功能力强；缸内工质熵增相对低，因此指示热效率得以大幅度地提高。 ( 2 ) 稀薄燃烧，不存在缺氧情况，并且由于它不存在柴油机的液滴蒸发扩散 燃烧现象，因此可有效降低p m 排放；同时，由于燃烧室内部混合气为均质混合 气，在活塞压缩作用下燃烧室内多点同时着火，没有明显的火焰前锋，减少了火 焰传播距离和燃烧持续期，避免了高温反应区的产生，因此能够大大减少n o x 排放。 ( 3 ) 只与燃油本身的物理化学性质有关，着火和燃烧速率只受燃油氧化反应 的化学反应动力学控制，受燃烧室内流场影响较小，因此可以简化对发动机燃烧 系统的设计。 ( 4 ) 在低负荷工况下具有很高的热效率。目前h c c i 技术被认为是柴油机实现 欧v 排放标准的最佳技术路线之一【4 5 】。 h c c i 柴油机的缺点： 柴油机的h c c i 燃烧也存在一定的缺点，主要有3 个方面： ( 1 ) h c 、c o 的排放较高，有待于进一步降低。 ( 2 ) 高负荷工况容易出现爆震燃烧，目前仍无法实现全工况的h c c i 燃烧运行 模式。 ( 3 ) 由于使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油，蒸发性和流动性比较差， 均质混合气的制备相对困难；同时柴油作为高十六烷值燃料，化学稳定性差，容 易发生低温自燃反应，并且均质混合气的燃烧速度难于控制，容易造成不稳定燃 烧。 第一章绪论 1 7 本