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柴油机低温燃烧基础理论和燃烧控制策略的试验研究

张全长  
【摘要】:低温燃烧(LTC)是一种新型的燃烧方式,近年来在国内外得到广泛研究。其实现方法就是通过大量的废气再循环(EGR),降低缸内的温度,同时实现较低的NOx和碳烟排放。本文对柴油机LTC的基础理论问题和燃烧控制策略进行了系统的研究,包括燃烧系统参数、进气成分、燃料特性、喷油策略与EGR耦合控制对低温燃烧的燃烧特性、性能和排放的影响。 本文首先研究了燃烧系统参数对低温燃烧发动机性能和排放的影响。结果表明,EGR是降低NOx排放最有效的手段,随着EGR率的增大,NOx可以满足不同阶段排放法规限值的要求;影响碳烟排放的因素较为复杂,随着EGR率增加,在Soot-Bump出现之前碳烟排放略有增大,在Soot-Bump峰值后碳烟排放急剧降低,在高EGR率区,可以同时实现超低NOx和Soot排放,但CO和THC排放急剧增大,燃油消耗率升高10-20%。提高进气压力、增加进气充量可以有效降低Soot-Bump之前的碳烟和NOx排放,Soot-Bump出现拐点的EGR率增大,但Soot-Bump碳烟峰值反而增大;提高喷油压力对中高EGR区域的NOx排放影响不大,但可以有效降低碳烟排放,改善燃油经济性;因此,作者认为Soot-Bump出现之前的中等EGR率区是柴油机燃烧技术路线的发展方向,通过燃烧系统优化可以在保证燃油经济性的同时,实现较低的排放。 EGR率对发动机排放影响研究结果表明,与低EGR率相比,NO_2占NOx比例明显升高, NO_2在NOx中所占比例与碳烟排放变化规律相似,在Soot-Bump碳烟峰值时刻,NO_2所占的比例可以达到40%以上。因此,对柴油机低温燃烧下的NOx生成机理需要进一步的深入研究。随着EGR率的升高,高碳的HC排放比例减少,低碳HC排放、尤其是如甲烷、甲醛等一个碳碳氢所占比例明显增大,特别是高EGR率区域。随着EGR率升高颗粒浓度经历先降低后升高再降低的变化过程,在Soot-Bump出现拐点的区域(氧浓度15%),粒子浓度降到了最小值,而Soot-Bump峰值点(氧浓度12%),粒子浓度达到峰值。氧浓度为15%时,积聚态粒径变大;当氧浓度降到9.1%时,核态粒径增大,但积聚态粒子粒径变小,即粒径一般在50nm之内。因此,高EGR率导致小粒径颗粒排放的增大也是柴油机低温燃烧面临的问题之一。 EGR对柴油机低温燃烧作用机理的研究表明,EGR中N2和CO_2的稀释作用对降低NOx排放的效果相当,即NOx排放主要由氧浓度决定;但对碳烟排放影响效果明显不同,在相同氧浓度条件下,与N2稀释相比,CO_2稀释使碳烟排放明显降低,这主要是CO_2的比热容大,滞燃期长使燃油与空气混合更加充分所致。进一步的数值模拟结果表明:进气中加入N2时,氧浓度在13%时缸内Φ-T分布仍不能完全避开高碳烟生成区;而进气中加入CO_2,氧浓度降至15%时就同时避开了NOx和碳烟生成区域。此外,CO_2与生成的碳烟直接发生化学反应也可能是降低碳烟排放的另一个原因。 燃料特性对低温燃烧性能和排放影响研究表明,柴油-正丁醇混合燃料与柴油-汽油混合燃料都可以大幅降低碳烟排放,而对CO、THC和NOx排放影响较小。因此,降低燃料十六烷值、采用含氧燃料以及改善燃油挥发性都能有效地降低柴油机低温燃烧的碳烟排放,甚至避免Soot-Bump区域的出现。 最后,作者研究了喷油策略与EGR耦合控制策略。结果表明,综合燃油经济性、排放以及发动机机械负荷特性,本研究工况最佳的主放热时刻CA50控制在4deg. ATDC。在中等EGR率,CA50为4deg. ATDC时,合理地选择预喷油量和预喷时刻,可以保证CO和THC排放不会大幅升高,同时能实现较低的NOx和碳烟排放,并能保持较高的热效率、降低发动机工作的粗暴程度。后喷可以进一步有效降低碳烟排放,但后喷对碳烟排放的影响主要取决于后喷之后缸内温度的变化和燃油与空气混合的充分程度。


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