基于分散低温预混合燃烧概念的柴油机TR燃烧系统的研究

【摘要】：柴油机技术的发展面临着日益严格的排放法规和石油燃料短缺两方面的压力,实现柴油机的高效、清洁燃烧,也就是以预混合燃烧代替扩散燃烧,成为目前国际内燃机界的研究热点,并且已经取得了一定的成果。比如已经在小负荷工况下实现了能同时将NO_x和PM排放降到几乎为零的均质压燃着火(HCCI)燃烧等。但还存在着如何向高负荷工况扩展等问题需要解决。本文针对这些存在的问题,从理论和实践两个方面就如何实现柴油机预混合燃烧进行了探索性的研究。 首先,本文基于已有柴油机预混合燃烧系统(主要是HCCI燃烧)的过程控制和排放降低机理的分析,结合柴油机扩散燃烧和汽油机火花点燃式预混合燃烧能量释放特征的研究,总结提出了使燃烧放热过程同时具有空间和时间双重分散特征的分散低温预混合燃烧概念。该概念认为实现放热过程的空间分散化是避免出现局部高温的有效手段,而实现放热过程的时间分散化是避免燃烧过快、缸内温度和压力上升过高,从而在高负荷工况实现预混合燃烧的重要保证。而如果能够将预混合燃烧过程缸内的局部最高温度控制在热NO_x开始生成的温度1800K以下,就能够同时实现较低的PM和NO_x排放。本文还提出了一种燃烧过程控制策略模式,通过在燃烧室内形成若干不同温度、浓度的预混合气团,实现不同预混合气团之间空间上分散的、时间上有序的自燃着火燃烧,从而使放热过程同时具有空间分散和时间分散双重分散特征。 其次,在上述燃烧过程控制策略模式的指导下设计了柴油机TR(Three-Rapidity)燃烧系统。该系统采用壁面设置导向圆弧、底部中央有平顶凸台的收口燃烧室,匹配带中心喷孔的多孔喷嘴。其中导向圆弧是在TRB燃烧室壁面反射凸缘的基础上,根据TR燃烧系统减少壁面油膜生成这一要求演化而来的。高压容弹内喷雾高速摄影的研究表明,当碰壁喷雾在导向圆弧处从壁面剥离后形成空间二次喷雾,并且朝燃烧室中心方向运动,燃烧室下部凹坑壁面附近区域基本上没有燃油分布。而中心喷雾撞击到底部凸台顶面后,沿径向向四周扩散,形成一个基本对称的圆盘状喷雾。 在一台单缸135柴油机上对TR燃烧系统的性能及影响因素进行了试验研究。试验结果表明,当TR燃烧系统采用中心喷孔孔径为0.2mm的多孔喷嘴时发动机排气烟度和油耗较低。当供油定时为20℃A BTDC时,全负荷下排气烟度只有约0.4BSU,但NO_x浓度约是原机的3倍。随供油推迟,排气烟度升高,但在一定区间内烟度上升很缓慢,同时伴随着NO_x排放的大幅度减少。供油定时为11℃A BTDC时,全负荷下排气烟度仍低于IBSU,油耗率约为225g/(kw·h)。而当供油定时推迟到上止点附近时,发动机中小负荷下排气烟度和NO_x同时较低,但排气温度和油耗率较高。 着火控制方面的研究还表明,当多孔喷嘴侧向喷孔的孔径增加后,侧向喷雾的着火相位推迟。而且随喷孔总面积的增加,喷油持续期和燃烧持续期均缩短。此外,试验还证明中心喷雾的着火相位要稍早于侧向喷雾,有助于实现放热过程的时间分散化。