汽油-柴油雙燃料高預混合低溫燃燒技術應用基礎研究.pdf

1、以均質壓燃(HCCI)為代表的新一代燃燒方式可取得極低的NOx和顆粒物排放并保持高熱效率,但由于化學反應動力學在燃燒過程中起主導作用,其燃燒控制困難及運行工況范圍狹窄的難題至今沒有得到有效的解決,限制了HCCI的廣泛應用。為此,本文提出了一種基于燃料化學活性及混合氣分層協(xié)同控制的燃燒模式—汽油/柴油雙燃料高預混合低溫燃燒(HighlyPremixedChargeCombustion,HPCC),其供油方式為進氣道噴射汽油、缸內直噴柴油,

2、根據(jù)發(fā)動機運行工況通過調整汽油/柴油比例、EGR率及柴油噴油策略控制實現(xiàn)高比例的預混合燃燒,從而實現(xiàn)HPCC負荷工況范圍內的高效清潔燃燒。本文主要針對HPCC燃燒技術的相關基礎問題及其負荷工況范圍內的燃燒控制策略開展了系統(tǒng)的研究。
　　本文首先進行了燃燒控制參數(shù)對HPCC燃燒、性能及排放影響的試驗研究,結果表明,柴油噴油時刻影響HPCC的燃燒放熱模式,柴油早噴與晚噴時分別表現(xiàn)出雙燃料的HCCI和柴油引燃汽油預混合氣的準均質壓燃(Q

3、HCCI)燃燒放熱特性。通過調整汽油/柴油比例、EGR率及柴油噴油策略可改變缸內混合氣的化學活性及濃度分層,實現(xiàn)對不同燃燒模式的控制;進氣壓力影響HPCC的著火滯燃期、燃燒反應速度和“失火”與“爆震”燃燒的汽油比例限值,提高進氣壓力可以提高汽油比例,從而大幅度降低NOx和碳煙排放;提高柴油噴油壓力仍是改善HPCC模式下NOx和soot排放的重要途徑;通過優(yōu)化燃燒控制參數(shù),在平均指示壓力(IMEP)為0.9MPa工況,NOx和soot比排

4、放分別低于0.4g/(kW·h)和0.003g/(kW·h),并保持較高的熱效率,但HC和CO排放偏高。
　　柴油早噴是在中低負荷實現(xiàn)HPCC的主要控制策略,但早噴燃油的“濕壁”會導致碳煙排放升高,而且碳煙排放峰值出現(xiàn)在某一特定的噴油時刻區(qū)域。本文針對燃油早噴時刻下的碳煙排放特性開展了試驗研究,結果表明,在特定的噴油時刻區(qū)域碳煙排放升高的根本原因是“濕壁”燃油在缸內形成了局部過濃區(qū)。燃油早噴情況下的碳煙排放特性不同于傳統(tǒng)柴油機,如

5、提高進氣壓力、控制進氣溫度、冷卻水溫度和提高噴油壓力等均不能有效降低碳煙排放,而提高EGR率、采用高揮發(fā)性燃料或進氣道結合缸內直噴的供油方式均可顯著降低碳煙排放。
　　柴油噴油策略是控制燃燒模式、擴展高效清潔運行工況范圍的重要途徑。本文分別對單次噴油(晚噴:L-single,早噴:E-single)和兩次噴油(第二次晚噴:L-SOI2,第二次早噴:E-SOI2)策略進行了試驗研究,并以L-SOI2為例,采用KIVA-CHEMKIN

6、軟件從混合氣活性及其分層角度對HPCC燃燒及排放的控制機理進行了數(shù)值模擬研究。結果表明,在單次噴油策略中,E-single的NOx和soot排放遠低于L-single;在兩次噴油策略中,對于L-SOI2,著火時刻主要由第二次噴油時刻控制,高溫放熱分兩階段進行,可有效降低最大壓力升高率(MPRR)及最大爆發(fā)壓力,但由于較晚的第二次噴射的柴油存在部分擴散燃燒導致碳煙排放升高。對于E-SOI2,著火時刻主要由第二次噴油時刻與化學反應動力學共同

7、控制,燃燒持續(xù)期短,熱效率高,但MPRR也較高。
　　為了使高效清潔運行工況范圍向高負荷擴展,本文對不同轉速(900~2500r/min)下的高負荷擴展技術途徑進行了試驗研究,結果表明,在滿足一定的MPRR及排放等限定條件下,對各運行參數(shù)進行優(yōu)化,采用E-single策略時,高負荷邊界點的指示比油耗在1900r/min時達最低值為168.6g/(kW·h)(即50％的指示熱效率),各邊界點的NOx、soot排放均分別低于0.4g/

8、(kW·h)、0.003g/(kW·h)。邊界點IMEP值隨轉速的升高而增大,最高達到1.2MPa。低、中、高轉速下的高負荷擴展分別受到較高的NOx排放、MPRR及最大爆發(fā)壓力的限制。針對這些限制,在900r/min下,通過提高進氣壓力由0.12MPa至0.18MPa,最大IMEP由0.67MPa提高至0.79MPa;在1500r/min下,通過采用L-SOI2策略,并減少第二次噴射柴油量、提高汽油比例及柴油噴射壓力,最大IMEP由1.

9、026MPa提高至1.391MPa。
　　在上述研究基礎上,本文最后對HPCC運行工況范圍內的燃燒控制策略進行了試驗研究,結果表明,在低負荷工況,采用純柴油低溫燃燒(LTC)模式更有利于提高熱效率;在中等負荷工況,宜采用汽油/柴油雙燃料HCCI燃燒模式;而在高負荷工況,宜采用汽油/柴油雙燃料QHCCI燃燒模式。采用上述燃燒控制策略,汽油/柴油雙燃料HPCC可在其運行工況范圍內實現(xiàn)極低的NOx和碳煙排放,有滿足歐Ⅵ排放法規(guī)的潛力,并