轻型车用柴油机预混合低温燃烧机理及排放控制研究
柴油机的燃烧过程对其动力性、经济性和排放性能有着举足轻重的影响。随着内燃机日益向高效节能与环保方向发展，突破柴油机传统燃烧模式下有害排放物的生成极限，新一代内燃机燃烧理论与技术的创新研究成为了各国内外学者的关注热点。本文针对小缸径轻型车用柴油机燃烧系统结构紧凑、均质混合气制备和燃烧过程组织困难的特点，开展了基于适时早喷结合高比例冷却EGR实现预混合低温燃烧的研究。通过缸内工作过程可视化、缸内压力采集、台架性能试验及燃烧过程三维数值模拟计算，系统的研究了燃油喷射策略、进气系统参数及燃油在燃烧室内的空间分布对预混合低温燃烧过程和污染物排放的影响规律，探索小缸径柴油机均质混合气制备、低温燃烧过程控制的有效途径，以达到高效清洁燃烧的目标，为预混合低温燃烧技术的工程应用奠定理论基础。
研究首先通过缸内燃烧过程可视化试验，探明提前喷射和降低进气氧浓度对实现预混合燃烧和降低燃烧温度的作用机理，验证实现预混合低温燃烧的可行性。试验结果表明:喷射正时提前有利于延长油气混合时间，显著减少着火和燃烧过程中的扩散火焰，是实现预混合燃烧的有效措施;早喷射策略下，预混合燃烧比例增加，缸内碳烟生成区域显著减小，且高浓度区域所占的比例较低;高比例EGR的引入，使氧浓度减少，进一步延长油气混合时间，提高油气混合质量，减少扩散燃烧;随着进气氧浓度的降低，扩散火焰明亮程度减弱，缸内扩散火焰面积和缸内碳烟生成区域均呈现减少的趋势，但是碳烟高浓度区域所占比例略有上升。
基于缸内压力采集和台架性能试验，系统研究了喷射正时、喷射压力、进气氧浓度、进气温度等燃烧控制参数对预混合低温燃烧过程和排放性能的影响规律，结果表明:采用提前喷射策略，延长滞燃期、改善滞燃期内的油气混合是降低碳烟排放的关键;降低进气氧浓度能有效控制预混合燃烧温度，抑制NOx污染物生成，推迟预混合燃烧过早的燃烧相位，有利于提高燃烧效率，改善燃油经济性;10％和25％负荷工况下，提高喷射压力能够同时改善预混合低温燃烧模式下的NOx和碳烟的排放，中等负荷工况下，喷射压力的提高导致NOx排放上升和燃油经济性下降;预混合低温燃烧模式下通过降低进气温度推迟过早的燃烧相位，有利于提高燃烧效率，同时降低缸内燃烧温度，抑制NOx的生成，10％负荷工况，适当的提高进气温度有利于减少碳烟排放，25％和50％负荷工况，进气中冷对降低碳烟排放有着显著的效果。
多次喷射策略是拓展预混合低温燃烧运行区域，改善NOx和碳烟排放Trade-off关系的有效措施。预喷射的引入，减小了主喷油量的同时缩短主喷燃油的着火滞燃期，放热相位提前，放热率峰值下降，能够有效抑制NOx的生成，不同的预喷射参数对碳烟排放有着不同的影响。后喷射的引入对燃烧过程的影响主要是降低主喷燃油的燃烧放热率和提升主喷燃油放热后期缸内温度。引入后喷射后NOx能够得到有效改善，碳烟的排放则与后喷射参数的调节有关，只有在适当的正时下实施适量的后喷射才能同时改善NOx和碳烟排放。通过不同负荷工况下预混合低温燃烧过程和排放的优化，确定了实现高效清洁燃烧的关键控制参数和控制策略。10％、25％和50％负荷工况NOx排放与原机相比分别降低97.8％、80.7％和72.6％，碳烟排放分别降低76.1％、93.9％和74.3％，有效燃油消耗率仅分别上升3.6％、4.7％和2.8％。
最后从减少试验工作量和提高研究效率的角度出发，借助AVLFire计算软件建立柴油机预混合低温燃烧数值模拟计算模型，为更加深入有效的开展预混合低温燃烧基础理论和应用研究创造了条件。通过柴油机预混合低温燃烧三维数值模拟计算，研究了燃油油束在燃烧室内的轴向分布对油气混合和污染物排放的影响。研究表明，1450r/min转速，25％负荷工况，155°、150°和145°三个喷射锥角下，NOx排放随着喷射锥角的减小呈现先增加后减小的趋势，而Soot则与之相反;NOx和Soot排放随着有效容积比的变化存在着一定的规律，折衷考虑NOx和Soot的排放，基于适时早喷策略的预混合低温燃烧模式较传统燃烧模式应适当减小有效容积比。
柴油机;燃烧机理;排放控制;喷射策略
江苏大学
博士
动力机械及工程
刘胜吉
2013
中文
TK421.5;TK421.2
153
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）