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均质压燃非均匀性及生物燃料低温燃烧光学诊断试验研究

刘海峰  
【摘要】:“均质压燃、低温燃烧”可以在保持内燃机高热效率的条件下,同时降低NOx和微粒排放,并且对多种燃料具有广泛的适应性,被认为是满足未来严格排放法规的新一代内燃机燃烧新技术,是目前国际内燃机燃烧学研究的热点课题。本文围绕“均质压燃、低温燃烧”几个关键问题进行了发动机台架和光学诊断试验研究。 首先,从实验和机理的角度,研究通过燃料特性、发动机运转条件、混合气浓度及温度的不均匀性对HCCI燃烧过程实现有效控制。研究表明敏感性燃料结合适当的发动机运转条件可以很好控制HCCI自燃着火过程,敏感性较大的燃料对运行工况范围拓展具有更大的潜在优势,但这些优势建立在良好的发动机运转条件控制基础上,增压是拓展负荷上限和下限有效的方法之一。适度的缸内混合气或温度不均匀可以有效控制HCCI燃烧过程。不同气道喷油策略形成的混合气不均匀性引起局部温度分层,进气门打开时喷油更有利于燃烧控制。CFD模拟表明冷却水温度从85?C降低到65?C,缸内温度不均匀显著增大,引起某些化学反应停止,因此低负荷条件下应该减少温度分层。燃烧室不同边缘形状产生不同湍流强度可以实现HCCI燃烧过程控制。缩口型燃烧室由于湍流强度高,燃烧室壁面热损失大,自燃着火总是位于燃烧室中心;形成的较大的缸内温度不均匀性导致压力升高率和放热率降低。 然而,通过上述研究发现尽管HCCI燃烧过程可以得到控制,但是其运转工况范围仍然集中在中小负荷。近十年来,以高EGR稀释为代表的柴油机低温燃烧过程由于其着火时刻可以通过喷油时刻控制,而且可在全负荷工况实现高效清洁燃烧而得到广泛关注。另一方面,生物燃料由于其可再生性和碳中性的特点是内燃机发展的长期目标。所以,本文进一步研究了生物燃料的柴油机低温燃烧过程控制。针对纯大豆生物柴油和纯丁醇的研究表明:排除不同能量输入的影响,丁醇的燃烧压力峰值更高,表明丁醇潜在的热效率更高。氧浓度在10.5%-16%的范围内对丁醇的着火时刻没有影响。燃烧火焰分布在10.5%氧浓度下显著增大,丁醇较生物柴油的火焰发光要弱。与丁醇想比,生物柴油的标准化时间累积碳烟质量(NTISM)更大,而且其碳烟生成量在10.5%氧浓度下对环境温度很敏感。此外,20%丁醇或20%乙醇与80%生物柴油混合物的研究表明,在800K和900K下,2种燃料发生微爆。乙醇混合燃料有更高的峰值压力,更低的火焰发光强度和更低的NTISM值,表明乙醇混合燃料在燃烧和排放方面更具优势。 最后,全文研究表明燃料特性是实现内燃机高效清洁低碳燃烧的重要控制参数之一。HCCI发动机需要敏感性更大的燃料,而柴油机低温燃烧需要含氧量较高,挥发性好,十六烷值较低的燃料改善混合气形成过程和燃烧过程局部过浓区。因此内燃机先进控制技术的发展应该针对特定的燃料(尤其是生物燃料),而合适的燃料特性也将降低高效清洁低碳燃烧过程的控制难度。缸内温度控制是实现内燃机高效清洁燃烧的另一重要条件。缸内温度分层可以有效控制HCCI燃烧过程,拓展运行工况范围。着火前更低的环境温度对柴油机低温燃烧过程的燃烧和排放物控制更有利。


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