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汽油均质混合气柴油引燃低温燃烧的试验研究和模拟计算

于超  
【摘要】:传统汽油机的热效率较低,而传统柴油机的碳烟和NO_x排放问题难以解决。均质混合气引燃(HCII)燃烧方式,采用进气道喷射汽油,形成均质混合气,缸内喷射柴油引燃,有可能实现高效清洁的燃烧。本文通过台架试验和模拟计算研究了HCII燃烧模式的节能减排效果和燃烧机理。 在已有的均质混合气引燃概念基础上,本文提出了均质混合气引燃低温燃烧(LT-HCII)的基本思路,并通过发动机台架试验系统地研究了汽/柴油比例,EGR和柴油喷油时刻等主要控制参数对LT-HCII燃烧与排放特性的影响。研究结果表明,LT-HCII燃烧的燃烧相位容易控制,NO_x和碳烟排放之间的此消彼长(trade-off)关系相对较弱,二者可以同时降至极低的水平,热效率明显高于汽油机,达到甚至超过柴油机。针对HCII小负荷THC排放高的问题,本文提出了使用热EGR提高进气温度和使用柴油两次喷射改善汽油活性的思路,并通过发动机台架试验验证了其改善THC排放的效果。 研究中发现HCII燃烧存在三种放热模式:缓慢单阶段放热、两阶段放热和快速单阶段放热;其中,两阶段燃烧具有分段和顺序燃烧的特点,能够显著降低压力升高率,同时将热效率保持在较高的水平,可作为中高负荷时控制粗暴燃烧的技术对策;可以通过两种燃料着火特性差别及混合气浓度、EGR率、引燃燃料喷射时刻等参数来控制两阶段燃烧模式的实现。 采用三维CFD耦合化学反应动力学的数值模型对均质混合气引燃低温燃烧的污染物生成机理和两阶段燃烧机理进行了模拟计算和分析。研究表明,NO_x排放主要产生在温度较高的柴油燃烧区域,而THC排放主要来自淬熄效应较强的燃烧室边缘和狭缝区域;两阶段燃烧时,柴油的快速自燃放热和燃烧区域内的汽油放热形成了第一个放热峰,而后随着火焰传播的发展,汽油混合气发生了大面积的自燃,形成了第二个放热峰。 汽柴油混合燃料燃烧(GDBF)是另一种同时使用汽油和柴油的混合燃烧方法,本文初步试验对比了HCII和GDBF的燃烧特性、排放特性和热效率。HCII和GDBF均具有燃烧持续期短,燃烧等容度高,热效率高的特点,同时可以大幅度降低柴油机的碳烟排放。但是,HCII的THC排放高于GDBF模式,而碳烟排放低于GDBF。此研究结果为下一步汽/柴油统一式内燃机的基本研究思路提供参考。


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