基于燃料設(shè)計(jì)與管理的復(fù)合HCCI燃燒的試驗(yàn)研究.pdf

1、均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒被認(rèn)為是前景廣闊并且最有潛力滿足未來環(huán)保要求的新型高效燃燒方式。但是HCCI燃燒缺乏直接的著火控制手段，導(dǎo)致其著火時(shí)刻和燃燒速率難以控制。迄今為止，在現(xiàn)有的技術(shù)條件和控制手段下，要在全負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒是相當(dāng)困難的。因而，復(fù)合HCCI燃燒的概念逐漸引起人們的關(guān)注。本文的研究重點(diǎn)是一種新穎的復(fù)合燃燒技術(shù)：基于燃料設(shè)計(jì)與管理的復(fù)合HCCI燃燒。該燃燒技術(shù)打破了基于模式轉(zhuǎn)換的復(fù)合HCCI燃燒和基于分層的

2、復(fù)合HCCI燃燒之間的界限，并且充分地將傳統(tǒng)的DICI燃燒、HCCI燃燒和復(fù)合HCCI燃燒的優(yōu)點(diǎn)融合起來，通過對參數(shù)的控制和燃燒放熱的調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷范圍內(nèi)的高效清潔燃燒。
　　 本文采用燃料的進(jìn)氣道噴射配合缸內(nèi)直噴的策略實(shí)現(xiàn)了HCCI-DI復(fù)合燃燒，并圍繞該燃燒方式開展了橫向、縱向兩個(gè)方向的研究?？v向的研究主要是在HCCI-DI燃燒已有研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入，重點(diǎn)研究了直噴燃料的理化特性以及模擬增壓、EGR等因素對HCC

3、I-DI燃燒的影響；橫向的研究主要是開展復(fù)合HCCI-DI燃燒燃料單一化、商業(yè)化的探索，促進(jìn)復(fù)合燃燒由實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。本文的另外一條研究線索是解決HCCI-DI復(fù)合燃燒中NOx和soot排放之間“此消彼長”的難題。
　　 本文首先進(jìn)行了進(jìn)氣道預(yù)噴正庚烷，缸內(nèi)直噴參比燃料的雙燃料HCCI-DI復(fù)合燃燒的試驗(yàn)研究，通過對預(yù)混合率、總當(dāng)量比和直噴燃料理化特性等影響因素的調(diào)查，了解HCCI-DI復(fù)合燃燒的基礎(chǔ)燃燒和排放特性。

4、研究表明：HCCI-DI復(fù)合燃燒的最大壓力升高率是由預(yù)噴燃料當(dāng)量比決定，而放熱初始時(shí)刻CA10和CO排放也主要受預(yù)噴燃料當(dāng)量比的控制。不同辛烷值的參比燃料的HCCI-DI復(fù)合燃燒中，直噴PRF25燃料的CO、HC和NOx排放整體較低，但是其soot排放相對較高；而直噴PRF50燃料的CO、HC排放相對較高。該復(fù)合燃燒的最優(yōu)頇混合率rp是先保持為1，然后逐漸降低，最后略有增大：即在中低負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)采用完全的HCCI燃燒模式；在中等負(fù)荷以

5、上，采用HCCI-DI復(fù)合燃燒模式。經(jīng)過預(yù)混合率優(yōu)化之后的該HCCI-DI燃燒，其CO和HC排放高于原機(jī)，指示熱效率基本與原機(jī)相當(dāng)。優(yōu)化之后的NOx排放顯著低于原機(jī)，在120 ppm以下，但soot排放都要高于原機(jī)，說明該HCCI-DI燃燒并不能同時(shí)降低NOx和soot排放。
　　 為了消弭NOx和soot之間“此消彼長”的關(guān)系，本文接下來根據(jù)燃料設(shè)計(jì)思想，選擇了含氧的醇類作為缸內(nèi)直噴燃料，進(jìn)行了雙燃料HCCI-DI燃燒的試驗(yàn)研

6、究。研究表明：缸內(nèi)直噴三種不同醇類燃料的雙燃料HCCI-DI復(fù)合燃燒的放熱率形態(tài)完全一致，且放熱率曲線基本重合。三種醇類燃料中，直噴乙醇的HCCI-DI燃燒的HC和soot排放水平較低，但CO和NOx排放水平與其它兩種醇類燃料相當(dāng)。soot排放由高到低的順序是異丁醇>異丙醇>乙醇，與燃料氧含量的高低順序相反。直噴異丙醇和異丁醇的HCCI-DI燃燒可以達(dá)到原機(jī)100％的負(fù)荷，而直噴乙醇的HCCI-DI燃燒也可以達(dá)到原機(jī)97％的負(fù)荷。經(jīng)過預(yù)

7、混合率優(yōu)化后的各醇類燃料的HCCI-DI燃燒，其NOx排放都顯著低于原機(jī)，并維持在與直噴異辛烷的HCCI-DI燃燒同等的水平，在100 ppm以下；而其soot排放都是在15％以內(nèi)，不僅明顯低于原機(jī)，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直噴異辛烷的HCCI-DI燃燒的soot排放水平。直噴乙醇的HCCI-DI燃燒幾乎是零soot排放。直噴醇類燃料的HCCI-DI燃燒不僅可以保持參比燃料HCCI-DI燃燒低NOx排放的優(yōu)勢，而且可以同時(shí)降低soot的排放，解決了

8、NOx和soot之間“此消彼長”的難題。
　　 由雙燃料過渡到單一燃料、由參比燃料拓展到實(shí)際應(yīng)用燃料是HCCI-DI復(fù)合燃燒發(fā)展的必然趨勢。本文然后進(jìn)行了單一PRF50燃料的HCCI-DI燃燒的試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：采用單一PRF50燃料的HCCI-DI燃燒再次出現(xiàn)NOx和soot排放“此消彼長”的現(xiàn)象，且改變進(jìn)氣溫度和直噴供油提前角都不能解決這一難題，而采用較高比例的EGR能夠?qū)崿F(xiàn)HCCI-DI的低溫燃燒，同時(shí)降低NOx和soo

9、t排放。本文進(jìn)一步考察了模擬增壓對單一PRF50燃料的HCCI-DI燃燒的影響，研究發(fā)現(xiàn)：隨著進(jìn)氣壓力的增大，PRF50燃料HCCI-DI燃燒的峰值壓力是先下降后上升，HCCI燃燒階段的高溫反應(yīng)時(shí)刻逐漸推遲，高溫反應(yīng)的放熱峰值顯著降低，低溫反應(yīng)的放熱峰值略有降低，而第三階段擴(kuò)散燃燒的放熱峰值略有上升，CA10和CA50先推遲后提前，燃燒持續(xù)期逐漸縮短。研究表明：在增壓強(qiáng)度不高的條件下，模擬增壓對HCCI燃燒的抑制作用占據(jù)整個(gè)復(fù)合燃燒的主

10、導(dǎo)地位；在增壓強(qiáng)度較高的條件下，模擬增壓對第三階段擴(kuò)散燃燒的促進(jìn)作用占據(jù)整個(gè)復(fù)合燃燒的主導(dǎo)地位。在預(yù)混合率較高的情形下，模擬增壓對復(fù)合燃燒的影響主要表現(xiàn)為其對HCCI燃燒的影響；在預(yù)混合率較低的情形下，模擬增壓對復(fù)合燃燒的影響主要表現(xiàn)為其對DICI燃燒的影響。利用模擬增壓，單一PRF50燃料的HCCI-DI燃燒可以達(dá)到原機(jī)100％負(fù)荷。相對于自然吸氣方式，進(jìn)氣增壓可以同時(shí)降低NOx和soot排放濃度，在最大負(fù)荷下，增壓1.5倍后的NOx

11、和soot排放幾乎都是原來的1/3。模擬增壓可以從根本上同時(shí)抑制HCCI-DI燃燒中NOx和soot排放的生成。
　　 本文最后探索性地研究了單一實(shí)際燃料的HCCI-DI復(fù)合燃燒，以商業(yè)化的汽油、柴油燃料為基礎(chǔ)配制成單一的汽/柴油混合燃料，考察其復(fù)合燃燒的燃燒和排放特性。研究發(fā)現(xiàn)：隨著預(yù)混合率的增大，汽/柴油混合燃料HCCI-DI復(fù)合燃燒中的HCCI低溫和高溫反應(yīng)的放熱峰值逐漸增大，而第三階段擴(kuò)散燃燒的放熱峰值幾乎是逐漸降低。隨

12、著循環(huán)總油量的增大，缸內(nèi)峰值壓力逐漸增大，HCCI-DI復(fù)合燃燒中的HCCI低溫和高溫反應(yīng)時(shí)刻都是逐漸提前，低溫和高溫反應(yīng)的放熱峰值也是逐漸增大。本文也考察了模擬增壓對該HCCI-DI燃燒的影響，研究表明：相對于自然吸氣下的HCCI-DI燃燒，模擬增壓的采用使得復(fù)合燃燒的HCCI低溫和高溫反應(yīng)時(shí)刻推后，高溫反應(yīng)放熱峰值明顯降低，并大大降低了最大壓力升高率。對G30燃料復(fù)合燃燒的預(yù)混合率和進(jìn)氣壓力優(yōu)化的研究還發(fā)現(xiàn)：G30燃料在DICI燃燒

13、模式、有/無模擬增壓的HCCI-DI復(fù)合燃燒模式下都可以達(dá)到原機(jī)的最大負(fù)荷。隨著負(fù)荷的增大，自然吸氣方式下的G30燃料HCCI-DI復(fù)合燃燒的最優(yōu)預(yù)混合率是逐漸下降，而有模擬增壓的G30燃料HCCI-DI復(fù)合燃燒的最優(yōu)進(jìn)氣壓力是逐漸增大。相對于原機(jī)，G30燃料的DICI燃燒可以大幅度降低soot排放，但NOx的排放水平與原機(jī)相當(dāng)；而對于非增壓的G30燃料的HCCI-DI復(fù)合燃燒模式，各負(fù)荷下的NOx排放遠(yuǎn)低于原機(jī)，但soot排放水平卻與