柴油噴霧熱強(qiáng)化混合過程及其對(duì)燃燒與排放影響的研究.pdf

1、為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求,并減輕排氣后處理器的負(fù)擔(dān),近年來,開發(fā)具有“均質(zhì)壓燃(HCCI),低溫燃燒(LTC)”特點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒新技術(shù)的研究十分活躍。HCCI被認(rèn)為是傳統(tǒng)壓燃和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)最具潛力的替代燃燒方式,并已成為國(guó)際內(nèi)燃機(jī)界競(jìng)相研究的前沿科學(xué)問題。
　　然而,常規(guī)柴油飽和蒸汽壓較低、液體粘度和表面張力較大、噴霧霧化性能較差,致使其直接應(yīng)用于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)尚存在均質(zhì)混合氣制備十分困難的問題。因此,預(yù)混合氣制

2、備是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低 NOx和碳煙排放的準(zhǔn)均質(zhì)預(yù)混合燃燒方式的主攻關(guān)鍵技術(shù)。
　　在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007CB210001)的支持下,本文提出了燃油在高壓油泵后進(jìn)行高溫預(yù)熱以在缸內(nèi)快速形成可燃混合氣的技術(shù)方案。本文利用先進(jìn)的光學(xué)可視化診斷技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算研究,開展了燃油熱強(qiáng)化對(duì)直噴式柴油機(jī)噴霧霧化、混合氣形成和燃燒過程影響的基礎(chǔ)研究,深刻揭示了高溫燃油促進(jìn)噴霧霧化,高效、快速制備準(zhǔn)均質(zhì)可燃混合氣

3、的作用機(jī)理;借助于燃油熱強(qiáng)化與不同噴油策略以及燃燒邊界條件的優(yōu)化匹配,實(shí)現(xiàn)了直噴式柴油機(jī)的高效清潔燃燒。本文的研究成果為實(shí)現(xiàn)柴油噴霧強(qiáng)化混合過程以適應(yīng)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)均質(zhì)壓燃燃燒模式的需要提供了一條新的技術(shù)途徑。
　　本文的研究?jī)?nèi)容和所取得的成果主要有以下幾個(gè)方面:
　　就國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,全面分析了目前推廣應(yīng)用HCCI燃燒方式存在的一些技術(shù)瓶頸問題。通過重點(diǎn)分析了解“瞬態(tài)”條件下燃

4、燒邊界條件與燃料設(shè)計(jì)協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)問題的最新研究進(jìn)展,認(rèn)識(shí)到在控制HCCI燃燒過程的諸多方法中,燃料理化特性的差異對(duì)HCCI預(yù)制混合氣的制備及其燃燒過程的影響值得加以深入探究。
　　針對(duì)常規(guī)柴油飽和蒸汽壓較低、液體粘度和表面張力較大、噴霧霧化性能較差、以及因滯燃期短所導(dǎo)致的柴油均質(zhì)預(yù)混合氣制備時(shí)間受限等難題,首次開展了柴油熱強(qiáng)化以在缸內(nèi)快速形成可燃混合氣的機(jī)理探索性研究。根據(jù)CFD多維模型與詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理耦合計(jì)算的需要,建立了

5、燃料熱物性參數(shù)與燃燒反應(yīng)機(jī)理的數(shù)據(jù)庫。以多維CFD程序KIVA-3V為平臺(tái),在其中加入了過熱油滴兩區(qū)蒸發(fā)模型、PaSR湍流燃燒模型以及Hyroyasu-Nagle碳煙排放模型,建立了探索柴油熱強(qiáng)化改善噴霧霧化混合和燃燒過程機(jī)理的數(shù)值模擬平臺(tái),完成了相關(guān)應(yīng)用程序的調(diào)試及模型參數(shù)的調(diào)整,改進(jìn)和完善了三維數(shù)值計(jì)算程序。藉此對(duì)早噴條件下不同噴油始點(diǎn)、預(yù)噴射策略及噴射燃油溫度對(duì)缸內(nèi)混合氣充量濃度和溫度不均勻性的影響進(jìn)行了計(jì)算研究。研究表明:燃油溫

6、度對(duì)噴霧的蒸發(fā)混合過程有重要的影響,溫度越高缸內(nèi)的濃度及溫度分布就越均勻,缸內(nèi)居于預(yù)噴射平均當(dāng)量比附近的混合氣體積就越大,且高溫燃油能有效地解決早噴燃油“濕壁”問題。在高溫燃油噴射條件下,預(yù)噴射次數(shù)的變化對(duì)缸內(nèi)混合氣形成的影響趨于減弱。
　　結(jié)合臺(tái)架實(shí)驗(yàn)受試發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的實(shí)際,利用激光粒度儀,率先對(duì)定容室內(nèi)柴油熱強(qiáng)化溫度對(duì)其噴霧場(chǎng)微觀特性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究。研究結(jié)果表明:隨著燃油噴射溫度的升高,液滴沿軸向和徑向的S

7、MD均減小,且不同位置SMD的差異減小。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,就燃油熱強(qiáng)化對(duì)定容室噴霧的宏觀及微觀特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:燃油溫度對(duì)噴霧宏觀及微觀特性具有重要影響,隨著噴射燃油溫度的升高,噴霧液相和氣相貫穿距縮短,燃油溫度愈高則其對(duì)液相貫穿距的影響更為顯著;噴霧的SMD隨燃油溫度的升高而減小;噴霧的氣相體積隨燃油溫度的升高而迅速增大。與此同時(shí),燃油溫度升高對(duì)噴霧體內(nèi)當(dāng)量比的分布影響明顯,濃混合氣所占的比重隨著燃油溫度的升高

8、而增加,當(dāng)燃油溫度達(dá)530k時(shí),氣相混合氣中燃空當(dāng)量比大于2的油氣質(zhì)量約占所蒸發(fā)油氣總質(zhì)量的70％。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果均表明,柴油熱強(qiáng)化有利于改善噴霧的霧化、蒸發(fā)和混合氣形成過程。
　　以受試柴油機(jī)ZS195為研究對(duì)象,構(gòu)建了柴油熱強(qiáng)化改善噴霧霧化混合和燃燒過程的專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,開發(fā)了高壓油管燃油加熱控制系統(tǒng)。針對(duì)燃油熱強(qiáng)化后其熱物性參數(shù)的變化,進(jìn)行了預(yù)熱柴油經(jīng)高壓燃油泵柱塞套間隙的泄漏量測(cè)量試驗(yàn),分析了預(yù)熱柴油熱物性對(duì)燃油噴射特性和高

9、壓燃油泵泄漏量的影響。實(shí)驗(yàn)表明,采用直接加熱高壓油管的方式,溫度越高燃油泵的泄漏率越大,轉(zhuǎn)速越低,燃油泵的泄漏量亦越大;但即使在燃油強(qiáng)化溫度達(dá)513k、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分條件下,燃油泄漏率也僅為1.2％。
　　結(jié)合燃油熱強(qiáng)化技術(shù)措施,研究了原機(jī)及換裝多孔噴嘴配合模擬EGR技術(shù)(進(jìn)氣添加二氧化碳)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響。研究表明,燃油預(yù)熱溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響程度與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、噴油特性參數(shù)、EGR等燃燒邊界條件密

10、切相關(guān)。借助于超多孔噴油嘴以及合適的燃油噴射溫度、噴油時(shí)間、進(jìn)氣添加少量CO2等技術(shù)措施,能夠改善直噴柴油機(jī)噴霧混合與燃燒過程。對(duì)于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)存在著一個(gè)改善燃油經(jīng)濟(jì)性的最佳燃油溫度范圍,在此溫度范圍內(nèi),可兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性與低排放性能。
　　應(yīng)用改進(jìn)的KIVA-3V程序,就ZS195柴油機(jī)燃油高溫?zé)釓?qiáng)化及不同噴射策略實(shí)現(xiàn)DI,PCCI-DI和PCCI三種燃燒模式進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,探討了主、預(yù)噴射定時(shí),預(yù)噴比例及EGR對(duì)混合氣

11、形成,燃燒和排放的影響。結(jié)果表明:對(duì)于DI燃燒模式的中等負(fù)荷工況,僅通過燃油早噴即可達(dá)到同時(shí)降低NOx和碳煙排放的目的;而在高負(fù)荷工況,NOx排放顯著增加,且單純利用早噴策略,發(fā)動(dòng)機(jī)的IMEP降低明顯。對(duì)于 PCCI-DI燃燒模式,預(yù)噴射始點(diǎn)越靠后,主噴射始點(diǎn)時(shí)刻缸內(nèi)預(yù)噴射燃油的分別越不均勻,且這種不均勻性導(dǎo)致缸內(nèi)過早出現(xiàn)局部高溫反應(yīng)區(qū),從而導(dǎo)致著火始點(diǎn)提前;預(yù)噴射始點(diǎn)為65BTDC,主噴射終點(diǎn)為5～10BTDC時(shí),能在較寬的預(yù)噴射范圍

12、內(nèi)同時(shí)獲得較低的排放和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于進(jìn)氣添加二氧化碳的PCCI燃燒模式,在預(yù)噴射始點(diǎn)為65BTDC時(shí),主噴時(shí)刻在較大的范圍內(nèi)變化,發(fā)動(dòng)機(jī)都能獲得較低的排放和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。三種燃燒模式對(duì)比可知,單純采用早噴策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的負(fù)面影響明顯;采用PCCI-DI燃燒模式,經(jīng)濟(jì)性得到改善,部分排放物大幅減少,但中等負(fù)荷時(shí)CO排放增加明顯,而高負(fù)荷時(shí)NOx排放明顯增加;高負(fù)荷下采用PCCI燃燒模式,發(fā)動(dòng)機(jī)在碳煙,NOx和CO均大幅下降