柴油机先进空气系统理论及其在低温燃烧过程的应用研究

【摘要】：节能和减排是内燃机技术进步的主题,柴油机低温燃烧技术通过协同控制燃烧过程中混合与化学反应参数,可以实现高热效率和超低排放。先进空气系统的研究包括确定结构方案和设计参数,标定运行参数,开发控制策略。新概念燃烧理论研究表明,先进空气系统应保证柴油机在全工况稳态运行和瞬态运行下具有适当的燃烧室充量密度、燃空当量比、氧浓度和排气背压;而且必须与柴油机燃烧室和燃油系统协调匹配。本文以全工况高热效率、低NOx和低碳烟排放为目标,以发动机试验研究为主,CFD数值模拟为辅,深入探究了实现柴油机高密度-低温燃烧(HD-LTC)新燃烧概念的空气系统设计及其控制参数对燃烧过程的影响。本研究通过对两级增压系统进行匹配计算,提供了增压器脉谱选型的初步依据。应用GT-Power软件对增压器工作过程进行仿真模拟,确定所选的增压器脉谱能有效避开喘振区、气阻区,并在全工况运行在高效率区。本文研究了增压系统与进气门晚关系统(RIVCT)的协同控制机理,并提出了灵活的燃油控制策略,提出变RIVCT的概念是指适应全转速和全负荷工况。由于使用RIVCT后的废气驱动功有所降低,压气机运行效率提高,所需的最小驱动功降低,使压比略有小幅增加。在此基础上利用RIVCT使气体流量降低的优势,使排气背压降低,泵气损失减小,有效热效率增加;使用RIVCT也使压缩上止点温度降低,滞燃期延长,缸内燃氧当量比分布更加均质,使局部火焰温度较低,NOx排放降低约70%,同时soot排放降低约30%。高低压EGR循环对空气系统的运行效率有着不同的影响,本文研究得出在低转速工况,发动机废气能量不足,采用低压EGR循环能获得高的有效热效率和低的排放。但在高转速工况,发动机废气能量相对充足,此时采用高压EGR循环能获得更高的有效热效率和低的排放。在稳态工况,EGR混合长度对燃烧循环变动的影响较小,但对瞬态工况的影响很大。本文重点研究了瞬态突加负载工况,EGR混合长度和RIVCT系统对EGR率不均匀性、缸内燃氧当量比、瞬时放热率、动态响应和烟度的影响,提出EGR长混合路径方案,有效降低了气缸与气缸以及循环与循环间得变动。发现在瞬变过程中燃氧当量比存在一个临界值,提出了燃油供给、增压器VGT和EGR率的控制模型,确保燃空当量比运行在临界当量比之下,实现了排放和响应性能优化。综合以上研究,本文创新性地提出了六个―最小原则‖。米勒循环与增压系统共同作用,存在着一个最小有效压缩比,最小有效压缩比不仅对充量密度有影响,而且对压缩温度和滞燃期起作用,使充量混合更加均质。先前高密度低温燃烧理论发现,随着充量密度提高,发动机整体性能变化存在着临界点,这个临界点即最小燃烧室充量密度。通过先进空气系统合理调整缸内充量并与燃油喷射策略相结合,可以实现最低的燃油消耗率和最小的排气能量。同时通过中冷强度的精确控制、高低压增压器压比的合理分配,使最小的排气能量满足增压系统所需要的最小驱动功。在六个―最小原则‖理论指导下,不仅实现清洁燃烧,而且整个系统效率显著提高。