渦輪增壓和廢氣再循環(huán)耦合的HSDI柴油機(jī)清潔燃燒機(jī)理研究.pdf

1、現(xiàn)代高速直噴(High Speed Direct Injection，簡稱HSDI)柴油機(jī)是乘用車節(jié)能減排最有效的技術(shù)之一。HSDI柴油發(fā)動機(jī)兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)柴油機(jī)和汽油機(jī)的卓越性能：油耗低、低轉(zhuǎn)速高扭矩和升功率大等優(yōu)點(diǎn)。隨著節(jié)能和減排問題的日益突出，國內(nèi)多數(shù)汽車企業(yè)已經(jīng)把節(jié)能減排的“重?fù)?dān)”落在HSDI柴油機(jī)上。然而，柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒方式的燃燒路徑經(jīng)過了T-φ圖中的碳煙和NOx易生成區(qū)，造成碳煙和NOx缸內(nèi)源排放較高，達(dá)到歐Ⅳ和歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)需要采

2、用復(fù)雜的后處理系統(tǒng)。因此，探索可行的清潔高效的燃燒系統(tǒng)，減輕后處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和降低后處理系統(tǒng)成本已成為世界柴油動力汽車發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。
　　 為了實(shí)現(xiàn)HSDI柴油機(jī)清潔燃燒，使缸內(nèi)NOx源排放量達(dá)到歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)盡可能地降低碳煙的排放量，本文通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探索了HSDI柴油機(jī)通過增壓后缸內(nèi)引入大量冷卻EGR實(shí)現(xiàn)稀釋低溫清潔燃燒相關(guān)技術(shù)路線和優(yōu)化方法，包括增壓技術(shù)和EGR控制技術(shù)。重點(diǎn)分析了EGR率和噴油規(guī)律等參數(shù)對

3、缸內(nèi)噴霧燃燒過程的機(jī)理和品質(zhì)特性。論文研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新性有以下幾方面：
　　 1)分析HSDI柴油機(jī)原機(jī)(采用單級VGT增壓方式)的源排放特性，然后利用整車動力學(xué)仿真平臺(GT-drive)將原機(jī)搭載于某轎車上進(jìn)行NEDC和FTP75道路循環(huán)仿真分析，了解該發(fā)動機(jī)在這兩個(gè)典型道路循環(huán)行駛工況下的工作區(qū)域以及對應(yīng)工作區(qū)域的排放特性。分析結(jié)果得知HSDI柴油機(jī)應(yīng)重點(diǎn)改善中低轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷的排放特性，同時(shí)為后期研究稀釋低溫清潔燃燒發(fā)

4、動機(jī)工況點(diǎn)的選取提供重要依據(jù)。
　　 2)通過反求方法建立了EGR率對增壓壓力的變化關(guān)系式和HSDI柴油機(jī)性能仿真模型，得到了多工況點(diǎn)最優(yōu)VGT開度以及相應(yīng)的EGR率。研究結(jié)果表明，對單級增壓而言，增壓壓力隨EGR率增加而增大，當(dāng)EGR率增加到.50％時(shí)，增壓壓力應(yīng)達(dá)0.4MPa以上；對于兩級增壓而言，兩級增壓器分擔(dān)的增壓比相等，將造成大部分工作點(diǎn)處于壓氣機(jī)的低效區(qū)，不利于提高發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；增壓壓力壓比分配應(yīng)一級大一級小，

5、有利于提高增壓系統(tǒng)的效率和整機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
　　 3)針對內(nèi)燃機(jī)各缸新鮮空氣進(jìn)入量和EGR量不均勻性帶來的各種問題，建立了發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進(jìn)氣過程1D&3D耦合仿真平臺。利用該平臺，研究分析了發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工況和多種變工況下新鮮空氣和EGR的各缸均勻性，包括變工況過程中不同氣缸同類氣道的進(jìn)氣流量均勻性，以及各缸進(jìn)氣量大小的變化規(guī)律。此外，還研究了變工況過程中噴油量變化結(jié)束后，進(jìn)氣總量、新鮮空氣、EGR、空燃比和BMEP的變化規(guī)律，

6、以及趨于穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)特性。提出了一種EGR和新鮮空氣各缸平衡快速響應(yīng)的控制方法，該方法獲得一項(xiàng)國家發(fā)明專利。通過建立該分析手段可以更好地分析和優(yōu)化各缸的進(jìn)氣均勻性和響應(yīng)特性，為了解發(fā)動機(jī)瞬態(tài)行為提供了重要的監(jiān)測和分析手段，也為保證每一缸每一循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒提供重要的技術(shù)保障。
　　 4)建立了稀釋低溫清潔燃燒仿真研究Kiva-3V平臺，包括復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)拓?fù)浞椒ǎ骟w結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成技術(shù)。基于Kiva-3V仿真優(yōu)化平臺研

7、究了常規(guī)燃燒方式(EGR率為0時(shí))燃油噴射系統(tǒng)對噴霧和燃燒過程的影響，確定了噴嘴的最優(yōu)幾何參數(shù)。研究結(jié)果表明，過多的噴孔數(shù)不利于噴霧和燃燒的改善；油束夾角較小，NOx和碳煙排放升高；噴嘴凸出高度應(yīng)與燃燒室深度及噴射夾角匹配合理。為了便于數(shù)據(jù)的快速處理和分析，評價(jià)分析發(fā)動機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)，課題開展過程中開發(fā)了一套“發(fā)動機(jī)性能評價(jià)數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)自動化處理軟件”，并獲得了軟件著作權(quán)。
　　 5)針對HSDI柴油機(jī)中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況點(diǎn)(R

8、PM=2500r/min BMEP=0.9MPa)，利用仿真分析手段和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究了噴油規(guī)律、EGR率、過量空氣系數(shù)、噴油定時(shí)、進(jìn)氣溫度和渦流比等參數(shù)對高EGR率下噴霧燃燒過程的影響，并揭示NOx、碳煙和CO生成的環(huán)境和機(jī)理，分析各參數(shù)的變化對滯燃期、放熱率峰值和排放污染物的變化趨勢。通過多參數(shù)的耦合優(yōu)化，得到改善燃燒過程，降低有害排放的參數(shù)技術(shù)路線，為后期標(biāo)定該發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)起到指導(dǎo)作用。
　　 最后，通過