预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究

【摘要】：预混合均质压燃着火(HCCI)方式避免了碳烟和NOx的生成条件,因而生成的碳烟和NOx的排放量很少。这种燃烧接近等容燃烧,有很高的热效率,被认为是未来取代传统发动机燃烧方式最有前途的技术之一,是目前内燃机界的研究热点。本文通过试验观察与模拟计算相结合的研究方法,对柴油在不同的氛围中混合气形成与着火和燃烧过程进行了深入地研究,揭示了预混合压燃混合气形成与着火的特点,分析了不同参数对实现预混合压燃燃烧过程的影响,提出了在不同条件下,实现预混合压燃燃烧过程的条件。 大量试验研究发现:柴油机在中小负荷时,碳烟和NOx排放极低。通过对柴油机在部分负荷时混合气形成与着火特点的研究发现:在一定条件下,柴油机在着火前,已没有可见的油滴存在,实际上属于预混合压燃燃烧。这一研究结果说明:柴油机在部分负荷时,之所以碳烟和NOx极低,除与传统的认为此时混合气浓度比较稀有关外,还与此时燃烧过程为预混合压燃有重要的关系。 为了深入研究柴油在不同的氛围中实现预混合压燃燃烧过程时,燃油蒸发、混合气形成以及着火与燃烧过程的特点,本文首先采用先进的激光测试技术和高速CCD建立了一套发动机可视化装置,直接观测和记录实际发动机中柴油在纯空气、天然气-空气、CO2-空气环境中雾化、蒸发以及着火和燃烧过程。试验研究结果表明:在不同的氛围中,柴油喷油量在一定范围内,均可以实现预混合压燃燃烧;柴油在天然气-空气和CO2-空气氛围中,着火滞燃期比在纯空气中长,且着火点的数量更多,因此,燃烧过程更接近预混合均质压燃燃烧。 本文通过对实际发动机中柴油在不同的氛围中实现预混合压燃与预混合均质压燃(HCCI)燃烧过程进行对比,发现前者燃烧过程为柴油在具备着火条件的几个点同时着火,然后引燃周围的混合气,这与HCCI的无边界着火明显不同。 为了分析柴油在不同的氛围中混合气形成与着火和燃烧的规律,确定实现柴油预混合压燃的条件,本文将目前广泛采用的KIVA程序改造为可以进行单、双燃料内燃机工作过程的数值模拟,提出了柴油引燃预混合天然气发动机引燃油着火预测修正的Shell模型,以Arrhenius公式为基础,综合湍流对化学动力学的影响,提出了一个新的燃烧模型。模拟计算结果表明:柴油机不同的喷油提前角均对应一个使燃油在着火前实现完全蒸发的最大喷油量;柴油在天然气-空气中着火滞燃期比在纯柴油中长,可以在相对较多的引燃油量下,实现预混合压燃。