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《上海交通大学》 2009年
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基于燃料设计与管理的HCCI/DI分层复合燃烧的试验研究

马骏骏  
【摘要】: 均质压燃着火(HCCI)燃烧由于其高效率低排放的突出优点成为近年来国际内燃机界研究的热点。但是由于HCCI燃烧的着火是由化学反应动力学控制的,缺乏直接的着火控制手段,导致其着火时刻和燃烧速率难以有效控制,负荷拓展问题难以解决。本文提出的基于燃料设计与管理的HCCI/DI分层复合燃烧是一种将HCCI燃烧和传统缸内直喷压燃(DICI)融为一体的新型燃烧方式,通过对燃料理化特性的设计和在预喷与直喷阶段从时间尺度和空间尺度上对均质和非均质混合气制备过程的控制和管理,在发动机的一个工作循环中将均质混合气的HCCI燃烧和非均质混合气的DICI扩散燃烧相融合,彻底消除了HCCI燃烧在小负荷失火和大负荷爆震的弊病,实现了发动机全负荷范围内的高效清洁燃烧。 本文首先采用双燃料的方式,对正庚烷/柴油、异辛烷/柴油、乙醇/生物柴油这三种双燃料组合的HCCI/DI分层复合燃烧与排放特性进行深入研究和比较分析。试验结果表明:预喷正庚烷结合缸内直喷柴油的HCCI/DI分层复合燃烧是由正庚烷HCCI低温放热、高温放热和柴油扩散燃烧组成的三阶段放热。异辛烷/柴油和乙醇/生物柴油HCCI/DI分层复合燃烧没有明显的低温放热反应,是两阶段燃烧。三种不同双燃料组合的HCCI/DI分层复合燃烧发动机热效率与原机DICI模式相当,NOx明显下降,HC和CO排放介于HCCI和DICI之间,并且异辛烷/柴油和乙醇/生物柴油还能同时降低烟度。研究发现燃料理化特性决定了分层复合燃烧的特性;预混合率决定了预混合燃烧与扩散燃烧的比例,影响分层复合燃烧放热在时间和空间上的分布;缸内直喷时刻决定扩散燃烧的相位,是优化分层复合燃烧的重要参数。 基于燃料设计与管理思想,本文针对进气道预喷可变辛烷值参比燃料,缸内直喷正庚烷的HCCI/DI分层复合燃烧,系统考察预喷燃料辛烷值,预混合率以及缸内直喷时刻这三个因素对分层复合燃烧相位、放热形态与分布、发动机效率和排放的影响。结果发现:进气道预喷燃料辛烷值决定了第一和第二阶段放热相位和形态,进一步对第三阶段放热有重要影响。辛烷值为50的参比燃料最适合作为分层复合燃烧的预喷燃料,在相同工况条件下,其指示热效率最高,NOx排放最低。预混合率是分层复合燃烧的关键控制要素,最优预混合率随负荷的增大而降低,在中低负荷时可以采用较高的预混合率甚至是完全HCCI,而在中高负荷则可以采用较低的预混合率,通过选用最优化的预混合率,可以在全负荷范围内使发动机避免爆震并保持很低的NOx排放。缸内直喷时刻主要影响分层复合燃烧的第三阶段扩散燃烧。随着喷油提前角减小,HCCI/DI分层复合燃烧第三阶段扩散燃烧峰值明显降低,缸内最高压力和温度的下降,燃烧持续期增大,有助于NOx的降低,但会引起其它排放的升高和燃油经济性的恶化,在本文的试验条件下,综合考虑热效率和排放的最佳直喷供油提前角为18°CABTDC。通过对燃料理化特性、预混合率和缸内直喷时刻这三个影响因素的优化,实现了对HCCI/DI燃烧相位、放热分布和形态的调制,使发动机的负荷拓展到全负荷,在全负荷范围内NOx排放低于40×10~(-6)排放水平,HC和CO排放显著低于HCCI燃烧,同时发动机指示热效率η_i高于原机柴油直喷的水平。 进一步采用进气道预喷正庚烷,缸内直喷异辛烷,在没有火花点火和热EGR的辅助下利用预喷正庚烷HCCI燃烧产生活化热氛围的热作用和化学作用引燃缸内直喷高辛烷值燃料异辛烷,系统研究了不同预喷正庚烷当量比和缸内直喷时刻对直喷异辛烷燃烧模式、发动机效率和排放的影响,并用三维CFD耦合化学反应动力学对其燃烧过程进行数值模拟。研究发现直喷异辛烷的燃烧模式与其喷入缸内时对应的预喷正庚烷HCCI放热的不同阶段有关,通过控制异辛烷直喷时刻可以实现其不同燃烧模式的调制。当异辛烷在正庚烷低温反应之前喷入,发生预混合燃烧;当异辛烷在正庚烷HCCI燃烧负温度系数区和高温放热初期喷入,主要发生预混合燃烧;当异辛烷在正庚烷HCCI高温放热末期或结束后喷入,则主要发生扩散燃烧。结果显示,当在正庚烷HCCI高温反应末期喷入,异辛烷主要发生高温扩散燃烧,对正庚烷预喷当量比Φ_p变化不敏感,燃烧稳定,热效率高于原机柴油直喷的水平,并且可以在全负荷范围内NOx排放控制在40×10~(-6)以下。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TK401

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【引证文献】
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【参考文献】
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