基于分散低溫預(yù)混合燃燒概念的柴油機(jī)TR燃燒系統(tǒng)的研究.pdf

1、柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展面臨著日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和石油燃料短缺兩方面的壓力，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的高效、清潔燃燒，也就是以預(yù)混合燃燒代替擴(kuò)散燃燒，成為目前國際內(nèi)燃機(jī)界的研究熱點(diǎn)，并且已經(jīng)取得了一定的成果。比如已經(jīng)在小負(fù)荷工況下實(shí)現(xiàn)了能同時(shí)將NOx和PM排放降到幾乎為零的均質(zhì)壓燃著火(HCCI)燃燒等。但還存在著如何向高負(fù)荷工況擴(kuò)展等問題需要解決。 該文從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面就如何實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)預(yù)混合燃燒進(jìn)行了探索性的研究。 首先，基于已有柴油機(jī)

2、預(yù)混合燃燒系統(tǒng)(主要是HCCI燃燒)的過程控制和排放降低機(jī)理的分析，結(jié)合柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒和汽油機(jī)火花點(diǎn)燃式預(yù)混合燃燒能量釋放特征的研究，總結(jié)提出了使燃燒放熱過程同時(shí)具有空間和時(shí)間雙重分散特征的分散低溫預(yù)混合燃燒概念。該概念認(rèn)為實(shí)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(shí)現(xiàn)放熱過程的時(shí)間分散化是避免燃燒過快、缸內(nèi)溫度和壓力上升過高，從而在高負(fù)荷工況實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒的重要保證。而如果能夠?qū)㈩A(yù)混合燃燒過程缸內(nèi)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(shí)實(shí)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(nèi)形成若干不同溫度、濃度的預(yù)混合氣團(tuán)，實(shí)現(xiàn)不同預(yù)混合氣團(tuán)之間空間上分散的、時(shí)間上有序的自燃著火燃燒，從而使放熱過程同時(shí)具有空間分散和時(shí)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(dǎo)下設(shè)計(jì)了柴油機(jī)TR(Three-Rapidity)燃燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用壁面設(shè)置導(dǎo)向圓弧、底部中央有平頂凸臺(tái)的收口燃燒

4、室，匹配帶中心噴孔的多孔噴嘴。其中導(dǎo)向圓弧是在TRB燃燒室壁面反射凸緣的基礎(chǔ)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(nèi)噴霧高速攝影的研究表明，當(dāng)碰壁噴霧在導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，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(tái)頂面后，沿徑向向四周擴(kuò)散，形成一個(gè)基本對(duì)稱的圓盤狀噴霧。 在一臺(tái)單缸135柴油機(jī)上對(duì)TR燃燒系統(tǒng)的性能及影響因素進(jìn)行了

5、試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)TR燃燒系統(tǒng)采用中心噴孔孔徑為0.2mm的多孔噴嘴時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙度和油耗較低。當(dāng)供油定時(shí)為20℃ABTDC時(shí)，全負(fù)荷下排氣煙度只有約0.4BSU，但NOx濃度約是原機(jī)的3倍。隨供油推遲，排氣煙度升高，但在一定區(qū)間內(nèi)煙度上升很緩慢，同時(shí)伴隨著NOx排放的大幅度減少。供油定時(shí)為11℃ABTDC時(shí)，全負(fù)荷下排氣煙度仍低于1BSU，油耗率約為225g/(kw·h)。而當(dāng)供油定時(shí)推遲到上止點(diǎn)附近時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷下排氣煙

6、度和NOx同時(shí)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(dāng)多孔噴嘴側(cè)向噴孔的孔徑增加后，側(cè)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(yàn)還證明中心噴霧的著火相位要稍早于側(cè)向噴霧，有助于實(shí)現(xiàn)放熱過程的時(shí)間分散化。 為了進(jìn)一步降低TR燃燒系統(tǒng)的NOx排放，還進(jìn)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(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比從17.6降低到16.8

7、后，著火滯燃期延長(zhǎng)、NOx排放降低。但同時(shí)燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，煙度和油耗率均有所上升。當(dāng)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(shí)，著火相位明顯滯后，排氣煙度大幅度降低，中小負(fù)荷時(shí)基本為零。NOx排放在中小負(fù)荷也有一定的降低，但降低隨負(fù)荷的增加而逐漸減少。此外，在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)，出現(xiàn)了燃燒持續(xù)期隨負(fù)荷增加反而縮短的現(xiàn)象。經(jīng)分析認(rèn)為，這時(shí)的燃燒過程是以預(yù)混合燃燒為主，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越低，缸內(nèi)預(yù)混合氣濃度越稀，溫度也越低，燃燒反應(yīng)同時(shí)

8、受反應(yīng)物濃度和反應(yīng)溫度的制約，因此燃燒持續(xù)期反而延長(zhǎng)。而當(dāng)TR燃燒系統(tǒng)采用少量冷卻EGR時(shí)，由于缸內(nèi)最高燃燒溫度的降低，所有負(fù)荷下的NOx排放平均降低了40％左右，同時(shí)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(diǎn)，對(duì)TR燃燒系統(tǒng)燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬計(jì)算的結(jié)果表明：通過在TR燃燒室側(cè)壁上設(shè)置導(dǎo)向圓弧，使碰壁噴霧從壁面脫離時(shí)改變了運(yùn)動(dòng)方向，從而在下部凹坑壁面附近形成一個(gè)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(shí)導(dǎo)向圓弧的設(shè)置還對(duì)燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，使得缸內(nèi)渦團(tuán)的分布更加合理，有利于促進(jìn)燃燒中后期凹坑內(nèi)燃油與空氣的混合以及燃燒室上部側(cè)壁上殘留燃油的蒸發(fā)，從而減少后燃，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。模擬計(jì)算的結(jié)果還表明，著火過程中TR燃燒室內(nèi)依次在中心噴霧、側(cè)向噴霧多個(gè)位置出現(xiàn)自燃著火點(diǎn)，有助于使放熱過程同