基于燃料设计的压燃式发动机低温预混合燃烧模式研究

【摘要】：传统柴油机低温燃烧模式通过使用大量的废气再循环（EGR），显著降低了柴油机缸内的局部燃烧温度，能够同时抑制氮氧化物（NOx）和碳烟的生成，从而解决了传统柴油机燃烧模式中这两种排放物此消彼长的难题。然而，大量EGR的使用造成缸内燃烧质量恶化，燃烧效率下降，碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）等不完全燃烧产物显著增加。本文基于燃料设计理论，通过商用汽油柴油燃料配比来调整缸内混合气的形成过程，增加了低温燃烧模式中的预混合程度，从而降低了传统低温燃烧模式对大量EGR的依赖，在较宽负荷范围内实现了高效率超低排放的低温预混合燃烧模式。 本文在一个定容喷雾装置上对汽油柴油混合燃料的喷雾特性进行了研究。通过向柴油中添加汽油，混合燃料的粘度和表面张力等物理性质发生改变，从而导致其贯穿距和喷雾锥角等喷雾特性发生变化。而且随着汽油比例的增加，喷雾液滴的索特平均直径显著下降，并且小粒径液滴在液滴分布中的比例上升，表明向柴油中添加汽油可以使喷雾场更加均匀，有助于油气混合过程。 为了了解燃料设计对混合气着火过程的影响，本文在一台快速压缩机上对汽油和柴油类燃料（正庚烷）的混合燃料的着火过程进行了研究。通过调整燃料组分、压缩比、燃空当量比和CO2浓度等参数，对比分析了不同燃料的峰值压力、压力升高率、着火延迟期等的变化规律。研究表明，向柴油类燃料中添加汽油成分可以有效地延长混合气的着火延迟期，并且降低燃烧过程中的压力升高率。 本文在一台单缸压燃式发动机上，研究了基于燃料设计的低温预混合燃烧模式的着火、燃烧以及排放物的基本规律。着重阐述了使用不同比例的汽油柴油混合燃料的低温预混合燃烧模式中NOx和碳烟排放降低对EGR的依赖性。其结果表明基于燃料设计的低温预混合燃烧模式能够在较低的EGR水平下实现NOx和碳烟的同时降低，从而验证了此种新型燃烧模式的有效性。当使用含有40%汽油含量的汽油柴油混合燃料时，在13.5%的进气氧浓度条件下即可实现NOx和碳烟排放同时降低，避免了大量EGR的使用。此外，在此低温预混合燃烧模式中，通过改变进气压力、燃油喷射压力和EGR率等发动机运转参数，研究了不完全燃烧产物HC和CO排放的规律和特征。结果表明，HC排放量主要和混合气的着火延迟期相关，而CO排放量则主要受到缸内的燃油空气比例的影响。 详细讨论了不同汽油柴油混合比例的燃料在喷油时刻变化的情况下低温预混合燃烧模式的着火时刻、燃烧过程等相关参数，以及它们对各种气体排放物和碳烟排放的影响，并对排放水平与燃烧过程之间的关联性进行了研究。结果表明，气体排放水平和燃烧相位相关性较强，变化的燃料成分对碳烟排放的影响较大。 针对传统低温预混合燃烧模式只能应用于中小负荷的局限性，本文进一步通过进气增压配合EGR的策略拓展了此低温预混合燃烧模式应用范围。进气压力的升高使得汽油柴油混合燃料的低温预混合燃烧的运转范围向更高的负荷水平平移。与此同时，增加的EGR率可以降低NOx排放，将汽油柴油混合燃料的低温预混合燃烧模式向小负荷拓展。在试验的负荷范围内，发动机燃烧效率始终保持在较高水平，避免了在传统低温燃烧模式中的燃烧恶化现象。