柴油機(jī)低溫燃燒基礎(chǔ)理論和燃燒控制策略的試驗研究.pdf

1、低溫燃燒(LTC)是一種新型的燃燒方式，近年來在國內(nèi)外得到廣泛研究。其實現(xiàn)方法就是通過大量的廢氣再循環(huán)(EGR)，降低缸內(nèi)的溫度，同時實現(xiàn)較低的NOx和碳煙排放。本文對柴油機(jī)LTC的基礎(chǔ)理論問題和燃燒控制策略進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，包括燃燒系統(tǒng)參數(shù)、進(jìn)氣成分、燃料特性、噴油策略與EGR耦合控制對低溫燃燒的燃燒特性、性能和排放的影響。
　　 本文首先研究了燃燒系統(tǒng)參數(shù)對低溫燃燒發(fā)動機(jī)性能和排放的影響。結(jié)果表明，EGR是降低NOx排放最有

2、效的手段，隨著EGR率的增大，NOx可以滿足不同階段排放法規(guī)限值的要求；影響碳煙排放的因素較為復(fù)雜，隨著EGR率增加，在Soot-Bump出現(xiàn)之前碳煙排放略有增大，在Soot-Bump峰值后碳煙排放急劇降低，在高EGR率區(qū)，可以同時實現(xiàn)超低NOx和Soot排放，但CO和THC排放急劇增大，燃油消耗率升高10-20％。提高進(jìn)氣壓力、增加進(jìn)氣充量可以有效降低Soot-Bump之前的碳煙和NOx排放，Soot-Bump出現(xiàn)“拐點”的EGR率增

3、大，但Soot-Bump碳煙峰值反而增大；提高噴油壓力對中高EGR區(qū)域的NOx排放影響不大，但可以有效降低碳煙排放，改善燃油經(jīng)濟(jì)性；因此，作者認(rèn)為Soot-Bump出現(xiàn)之前的中等EGR率區(qū)是柴油機(jī)燃燒技術(shù)路線的發(fā)展方向，通過燃燒系統(tǒng)優(yōu)化可以在保證燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，實現(xiàn)較低的排放。
　　 EGR率對發(fā)動機(jī)排放影響研究結(jié)果表明，與低EGR率相比，NO2占NOx比例明顯升高，NO2在NOx中所占比例與碳煙排放變化規(guī)律相似，在Soot-

4、Bump碳煙峰值時刻，NO2所占的比例可以達(dá)到40％以上。因此，對柴油機(jī)低溫燃燒下的NOx生成機(jī)理需要進(jìn)一步的深入研究。隨著EGR率的升高，高碳的HC排放比例減少，低碳HC排放、尤其是如甲烷、甲醛等一個碳碳?xì)渌急壤黠@增大，特別是高EGR率區(qū)域。隨著EGR率升高顆粒濃度經(jīng)歷先降低后升高再降低的變化過程，在Soot-Bump出現(xiàn)“拐點”的區(qū)域(氧濃度15％)，粒子濃度降到了最小值，而Soot-Bump峰值點(氧濃度12％)，粒子濃度達(dá)到

5、峰值。氧濃度為15％時，積聚態(tài)粒徑變大；當(dāng)氧濃度降到9.1％時，核態(tài)粒徑增大，但積聚態(tài)粒子粒徑變小，即粒徑一般在50nm之內(nèi)。因此，高EGR率導(dǎo)致小粒徑顆粒排放的增大也是柴油機(jī)低溫燃燒面臨的問題之一。
　　 EGR對柴油機(jī)低溫燃燒作用機(jī)理的研究表明，EGR中N2和CO2的稀釋作用對降低NOx排放的效果相當(dāng)，即NOx排放主要由氧濃度決定；但對碳煙排放影響效果明顯不同，在相同氧濃度條件下，與N2稀釋相比，CO2稀釋使碳煙排放明顯降低

6、，這主要是CO2的比熱容大，滯燃期長使燃油與空氣混合更加充分所致。進(jìn)一步的數(shù)值模擬結(jié)果表明：進(jìn)氣中加入N2時，氧濃度在13％時缸內(nèi)φ-T分布仍不能完全避開高碳煙生成區(qū)；而進(jìn)氣中加入CO2，氧濃度降至15％時就同時避開了NOx和碳煙生成區(qū)域。此外，CO2與生成的碳煙直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也可能是降低碳煙排放的另一個原因。
　　 燃料特性對低溫燃燒性能和排放影響研究表明，柴油-正丁醇混合燃料與柴油-汽油混合燃料都可以大幅降低碳煙排放，而對

7、CO、THC和NOx排放影響較小。因此，降低燃料十六烷值、采用含氧燃料以及改善燃油揮發(fā)性都能有效地降低柴油機(jī)低溫燃燒的碳煙排放，甚至避免Soot-Bump區(qū)域的出現(xiàn)。
　　 最后，作者研究了噴油策略與EGR耦合控制策略。結(jié)果表明，綜合燃油經(jīng)濟(jì)性、排放以及發(fā)動機(jī)機(jī)械負(fù)荷特性，本研究工況最佳的主放熱時刻CA50控制在4deg.ATDC。在中等EGR率，CA50為4deg.ATDC時，合理地選擇預(yù)噴油量和預(yù)噴時刻，可以保證CO和THC