基于分散低溫預混合燃燒概念的柴油機TR燃燒系統(tǒng)的研究.pdf

1、柴油機技術的發(fā)展面臨著日益嚴格的排放法規(guī)和石油燃料短缺兩方面的壓力，實現(xiàn)柴油機的高效、清潔燃燒，也就是以預混合燃燒代替擴散燃燒，成為目前國際內燃機界的研究熱點，并且已經取得了一定的成果。比如已經在小負荷工況下實現(xiàn)了能同時將NOx和PM排放降到幾乎為零的均質壓燃著火(HCCI)燃燒等。但還存在著如何向高負荷工況擴展等問題需要解決。 該文從理論和實踐兩個方面就如何實現(xiàn)柴油機預混合燃燒進行了探索性的研究。 首先，基于已有柴油機

2、預混合燃燒系統(tǒng)(主要是HCCI燃燒)的過程控制和排放降低機理的分析，結合柴油機擴散燃燒和汽油機火花點燃式預混合燃燒能量釋放特征的研究，總結提出了使燃燒放熱過程同時具有空間和時間雙重分散特征的分散低溫預混合燃燒概念。該概念認為實現(xiàn)放熱過程的空間分散化是避免出現(xiàn)局部高溫的有效手段，而實現(xiàn)放熱過程的時間分散化是避免燃燒過快、缸內溫度和壓力上升過高，從而在高負荷工況實現(xiàn)預混合燃燒的重要保證。而如果能夠將預混合燃燒過程缸內的局部最高溫度控制在熱N

3、Ox開始生成的溫度1800K以下，就能夠同時實現(xiàn)較低的PM和NOx排放。該文還提出了一種燃燒過程控制策略模式，通過在燃燒室內形成若干不同溫度、濃度的預混合氣團，實現(xiàn)不同預混合氣團之間空間上分散的、時間上有序的自燃著火燃燒，從而使放熱過程同時具有空間分散和時間分散雙重分散特征。 其次，在上述燃燒過程控制策略模式的指導下設計了柴油機TR(Three-Rapidity)燃燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用壁面設置導向圓弧、底部中央有平頂凸臺的收口燃燒

4、室，匹配帶中心噴孔的多孔噴嘴。其中導向圓弧是在TRB燃燒室壁面反射凸緣的基礎上，根據(jù)TR燃燒系統(tǒng)減少壁面油膜生成這一要求演化而來的。高壓容彈內噴霧高速攝影的研究表明，當碰壁噴霧在導向圓弧處從壁面剝離后形成空間二次噴霧，并且朝燃燒室中心方向運動，燃燒室下部凹坑壁面附近區(qū)域基本上沒有燃油分布。而中心噴霧撞擊到底部凸臺頂面后，沿徑向向四周擴散，形成一個基本對稱的圓盤狀噴霧。 在一臺單缸135柴油機上對TR燃燒系統(tǒng)的性能及影響因素進行了

5、試驗研究。試驗結果表明，當TR燃燒系統(tǒng)采用中心噴孔孔徑為0.2mm的多孔噴嘴時發(fā)動機排氣煙度和油耗較低。當供油定時為20℃ABTDC時，全負荷下排氣煙度只有約0.4BSU，但NOx濃度約是原機的3倍。隨供油推遲，排氣煙度升高，但在一定區(qū)間內煙度上升很緩慢，同時伴隨著NOx排放的大幅度減少。供油定時為11℃ABTDC時，全負荷下排氣煙度仍低于1BSU，油耗率約為225g/(kw·h)。而當供油定時推遲到上止點附近時，發(fā)動機中小負荷下排氣煙

6、度和NOx同時較低，但排氣溫度和油耗率較高。 著火控制方面的研究還表明，當多孔噴嘴側向噴孔的孔徑增加后，側向噴霧的著火相位推遲。而且隨噴孔總面積的增加，噴油持續(xù)期和燃燒持續(xù)期均縮短。此外，試驗還證明中心噴霧的著火相位要稍早于側向噴霧，有助于實現(xiàn)放熱過程的時間分散化。 為了進一步降低TR燃燒系統(tǒng)的NOx排放，還進行了降低壓縮比、燃用乙醇柴油混合燃料及采用冷卻EGR的試驗研究。結果表明，當發(fā)動機壓縮比從17.6降低到16.8

7、后，著火滯燃期延長、NOx排放降低。但同時燃燒持續(xù)期延長，煙度和油耗率均有所上升。當TR燃燒系統(tǒng)燃用乙醇體積含量20％的乙醇柴油混合燃料時，著火相位明顯滯后，排氣煙度大幅度降低，中小負荷時基本為零。NOx排放在中小負荷也有一定的降低，但降低隨負荷的增加而逐漸減少。此外，在一定的負荷范圍內，出現(xiàn)了燃燒持續(xù)期隨負荷增加反而縮短的現(xiàn)象。經分析認為，這時的燃燒過程是以預混合燃燒為主，發(fā)動機負荷越低，缸內預混合氣濃度越稀，溫度也越低，燃燒反應同時

8、受反應物濃度和反應溫度的制約，因此燃燒持續(xù)期反而延長。而當TR燃燒系統(tǒng)采用少量冷卻EGR時，由于缸內最高燃燒溫度的降低，所有負荷下的NOx排放平均降低了40％左右，同時油耗率基本不變，但煙度有一定的上升。 最后為了了解TR燃燒系統(tǒng)混合氣形成和燃燒過程的特點，對TR燃燒系統(tǒng)燃燒過程進行了數(shù)值模擬。模擬計算的結果表明：通過在TR燃燒室側壁上設置導向圓弧，使碰壁噴霧從壁面脫離時改變了運動方向，從而在下部凹坑壁面附近形成一個基本沒有燃油

9、分布的區(qū)域，避免了在該區(qū)域形成大量濃混合氣甚至生成壁面油膜。燃燒過程高溫區(qū)域主要集中在燃燒室中部，下部凹坑近壁區(qū)域溫度較低，起到一定的隔熱作用。同時導向圓弧的設置還對燃燒室內的氣流運動產生影響，使得缸內渦團的分布更加合理，有利于促進燃燒中后期凹坑內燃油與空氣的混合以及燃燒室上部側壁上殘留燃油的蒸發(fā)，從而減少后燃，提高燃油經濟性。模擬計算的結果還表明，著火過程中TR燃燒室內依次在中心噴霧、側向噴霧多個位置出現(xiàn)自燃著火點，有助于使放熱過程同