汽油-柴油雙燃料高預(yù)混合低溫燃燒技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、以均質(zhì)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(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在燃燒過(guò)程中起主導(dǎo)作用,其燃燒控制困難及運(yùn)行工況范圍狹窄的難題至今沒(méi)有得到有效的解決,限制了HCCI的廣泛應(yīng)用。為此,本文提出了一種基于燃料化學(xué)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(yù)混合低溫燃燒(HighlyPremixedChargeCombustion,HPCC),其供油方式為進(jìn)氣道噴射汽油、缸內(nèi)直噴柴油,

2、根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況通過(guò)調(diào)整汽油/柴油比例、EGR率及柴油噴油策略控制實(shí)現(xiàn)高比例的預(yù)混合燃燒,從而實(shí)現(xiàn)HPCC負(fù)荷工況范圍內(nèi)的高效清潔燃燒。本文主要針對(duì)HPCC燃燒技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題及其負(fù)荷工況范圍內(nèi)的燃燒控制策略開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。
　　本文首先進(jìn)行了燃燒控制參數(shù)對(duì)HPCC燃燒、性能及排放影響的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,柴油噴油時(shí)刻影響HPCC的燃燒放熱模式,柴油早噴與晚噴時(shí)分別表現(xiàn)出雙燃料的HCCI和柴油引燃汽油預(yù)混合氣的準(zhǔn)均質(zhì)壓燃(Q

3、HCCI)燃燒放熱特性。通過(guò)調(diào)整汽油/柴油比例、EGR率及柴油噴油策略可改變缸內(nèi)混合氣的化學(xué)活性及濃度分層,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同燃燒模式的控制;進(jìn)氣壓力影響HPCC的著火滯燃期、燃燒反應(yīng)速度和“失火”與“爆震”燃燒的汽油比例限值,提高進(jìn)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(guò)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(fù)荷實(shí)現(xiàn)HPCC的主要控制策略,但早噴燃油的“濕壁”會(huì)導(dǎo)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(shí)刻區(qū)域。本文針對(duì)燃油早噴時(shí)刻下的碳煙排放特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在特定的噴油時(shí)刻區(qū)域碳煙排放升高的根本原因是“濕壁”燃油在缸內(nèi)形成了局部過(guò)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(jī),如

5、提高進(jìn)氣壓力、控制進(jìn)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(jìn)氣道結(jié)合缸內(nèi)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(kuò)展高效清潔運(yùn)行工況范圍的重要途徑。本文分別對(duì)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(jìn)行了試驗(yàn)研究,并以L(fǎng)-SOI2為例,采用KIVA-CHEMKIN

6、軟件從混合氣活性及其分層角度對(duì)HPCC燃燒及排放的控制機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明,在單次噴油策略中,E-single的NOx和soot排放遠(yuǎn)低于L-single;在兩次噴油策略中,對(duì)于L-SOI2,著火時(shí)刻主要由第二次噴油時(shí)刻控制,高溫放熱分兩階段進(jìn)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?jǐn)U散燃燒導(dǎo)致碳煙排放升高。對(duì)于E-SOI2,著火時(shí)刻主要由第二次噴油時(shí)刻與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(yùn)行工況范圍向高負(fù)荷擴(kuò)展,本文對(duì)不同轉(zhuǎn)速(900~2500r/min)下的高負(fù)荷擴(kuò)展技術(shù)途徑進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在滿(mǎn)足一定的MPRR及排放等限定條件下,對(duì)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,采用E-single策略時(shí),高負(fù)荷邊界點(diǎn)的指示比油耗在1900r/min時(shí)達(dá)最低值為168.6g/(kW·h)(即50％的指示熱效率),各邊界點(diǎn)的NOx、soot排放均分別低于0.4g/

8、(kW·h)、0.003g/(kW·h)。邊界點(diǎn)IMEP值隨轉(zhuǎn)速的升高而增大,最高達(dá)到1.2MPa。低、中、高轉(zhuǎn)速下的高負(fù)荷擴(kuò)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(duì)這些限制,在900r/min下,通過(guò)提高進(jìn)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(guò)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(chǔ)上,本文最后對(duì)HPCC運(yùn)行工況范圍內(nèi)的燃燒控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在低負(fù)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(fù)荷工況,宜采用汽油/柴油雙燃料HCCI燃燒模式;而在高負(fù)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(yùn)行工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極低的NOx和碳煙排放,有滿(mǎn)足歐Ⅵ排放法規(guī)的潛力,并