柴油噴霧熱強化混合過程及其對燃燒與排放影響的研究.pdf

1、為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟性要求,并減輕排氣后處理器的負擔,近年來,開發(fā)具有“均質壓燃(HCCI),低溫燃燒(LTC)”特點的發(fā)動機燃燒新技術的研究十分活躍。HCCI被認為是傳統(tǒng)壓燃和點燃式內燃機最具潛力的替代燃燒方式,并已成為國際內燃機界競相研究的前沿科學問題。
　　然而,常規(guī)柴油飽和蒸汽壓較低、液體粘度和表面張力較大、噴霧霧化性能較差,致使其直接應用于HCCI發(fā)動機尚存在均質混合氣制備十分困難的問題。因此,預混合氣制

2、備是柴油機實現(xiàn)同時降低 NOx和碳煙排放的準均質預混合燃燒方式的主攻關鍵技術。
　　在國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2007CB210001)的支持下,本文提出了燃油在高壓油泵后進行高溫預熱以在缸內快速形成可燃混合氣的技術方案。本文利用先進的光學可視化診斷技術、發(fā)動機臺架實驗和數(shù)值模擬計算研究,開展了燃油熱強化對直噴式柴油機噴霧霧化、混合氣形成和燃燒過程影響的基礎研究,深刻揭示了高溫燃油促進噴霧霧化,高效、快速制備準均質可燃混合氣

3、的作用機理;借助于燃油熱強化與不同噴油策略以及燃燒邊界條件的優(yōu)化匹配,實現(xiàn)了直噴式柴油機的高效清潔燃燒。本文的研究成果為實現(xiàn)柴油噴霧強化混合過程以適應現(xiàn)代內燃機均質壓燃燃燒模式的需要提供了一條新的技術途徑。
　　本文的研究內容和所取得的成果主要有以下幾個方面:
　　就國內外研究機構對HCCI發(fā)動機試驗與數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀進行了綜述,全面分析了目前推廣應用HCCI燃燒方式存在的一些技術瓶頸問題。通過重點分析了解“瞬態(tài)”條件下燃

4、燒邊界條件與燃料設計協(xié)同控制關鍵技術問題的最新研究進展,認識到在控制HCCI燃燒過程的諸多方法中,燃料理化特性的差異對HCCI預制混合氣的制備及其燃燒過程的影響值得加以深入探究。
　　針對常規(guī)柴油飽和蒸汽壓較低、液體粘度和表面張力較大、噴霧霧化性能較差、以及因滯燃期短所導致的柴油均質預混合氣制備時間受限等難題,首次開展了柴油熱強化以在缸內快速形成可燃混合氣的機理探索性研究。根據(jù)CFD多維模型與詳細化學反應機理耦合計算的需要,建立了

5、燃料熱物性參數(shù)與燃燒反應機理的數(shù)據(jù)庫。以多維CFD程序KIVA-3V為平臺,在其中加入了過熱油滴兩區(qū)蒸發(fā)模型、PaSR湍流燃燒模型以及Hyroyasu-Nagle碳煙排放模型,建立了探索柴油熱強化改善噴霧霧化混合和燃燒過程機理的數(shù)值模擬平臺,完成了相關應用程序的調試及模型參數(shù)的調整,改進和完善了三維數(shù)值計算程序。藉此對早噴條件下不同噴油始點、預噴射策略及噴射燃油溫度對缸內混合氣充量濃度和溫度不均勻性的影響進行了計算研究。研究表明:燃油溫

6、度對噴霧的蒸發(fā)混合過程有重要的影響,溫度越高缸內的濃度及溫度分布就越均勻,缸內居于預噴射平均當量比附近的混合氣體積就越大,且高溫燃油能有效地解決早噴燃油“濕壁”問題。在高溫燃油噴射條件下,預噴射次數(shù)的變化對缸內混合氣形成的影響趨于減弱。
　　結合臺架實驗受試發(fā)動機的結構與運轉參數(shù)的實際,利用激光粒度儀,率先對定容室內柴油熱強化溫度對其噴霧場微觀特性的影響進行了實驗觀測研究。研究結果表明:隨著燃油噴射溫度的升高,液滴沿軸向和徑向的S

7、MD均減小,且不同位置SMD的差異減小。在實驗研究的基礎上,就燃油熱強化對定容室噴霧的宏觀及微觀特性的影響進行了數(shù)值模擬研究。結果表明:燃油溫度對噴霧宏觀及微觀特性具有重要影響,隨著噴射燃油溫度的升高,噴霧液相和氣相貫穿距縮短,燃油溫度愈高則其對液相貫穿距的影響更為顯著;噴霧的SMD隨燃油溫度的升高而減小;噴霧的氣相體積隨燃油溫度的升高而迅速增大。與此同時,燃油溫度升高對噴霧體內當量比的分布影響明顯,濃混合氣所占的比重隨著燃油溫度的升高

8、而增加,當燃油溫度達530k時,氣相混合氣中燃空當量比大于2的油氣質量約占所蒸發(fā)油氣總質量的70％。實驗與計算結果均表明,柴油熱強化有利于改善噴霧的霧化、蒸發(fā)和混合氣形成過程。
　　以受試柴油機ZS195為研究對象,構建了柴油熱強化改善噴霧霧化混合和燃燒過程的專用實驗臺架,開發(fā)了高壓油管燃油加熱控制系統(tǒng)。針對燃油熱強化后其熱物性參數(shù)的變化,進行了預熱柴油經(jīng)高壓燃油泵柱塞套間隙的泄漏量測量試驗,分析了預熱柴油熱物性對燃油噴射特性和高

9、壓燃油泵泄漏量的影響。實驗表明,采用直接加熱高壓油管的方式,溫度越高燃油泵的泄漏率越大,轉速越低,燃油泵的泄漏量亦越大;但即使在燃油強化溫度達513k、發(fā)動機轉速為1000轉/分條件下,燃油泄漏率也僅為1.2％。
　　結合燃油熱強化技術措施,研究了原機及換裝多孔噴嘴配合模擬EGR技術(進氣添加二氧化碳)對發(fā)動機燃燒和排放特性的影響。研究表明,燃油預熱溫度對發(fā)動機燃燒與排放的影響程度與發(fā)動機負荷、噴油特性參數(shù)、EGR等燃燒邊界條件密

10、切相關。借助于超多孔噴油嘴以及合適的燃油噴射溫度、噴油時間、進氣添加少量CO2等技術措施,能夠改善直噴柴油機噴霧混合與燃燒過程。對于實際發(fā)動機存在著一個改善燃油經(jīng)濟性的最佳燃油溫度范圍,在此溫度范圍內,可兼顧發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性與低排放性能。
　　應用改進的KIVA-3V程序,就ZS195柴油機燃油高溫熱強化及不同噴射策略實現(xiàn)DI,PCCI-DI和PCCI三種燃燒模式進行了數(shù)值模擬研究,探討了主、預噴射定時,預噴比例及EGR對混合氣

11、形成,燃燒和排放的影響。結果表明:對于DI燃燒模式的中等負荷工況,僅通過燃油早噴即可達到同時降低NOx和碳煙排放的目的;而在高負荷工況,NOx排放顯著增加,且單純利用早噴策略,發(fā)動機的IMEP降低明顯。對于 PCCI-DI燃燒模式,預噴射始點越靠后,主噴射始點時刻缸內預噴射燃油的分別越不均勻,且這種不均勻性導致缸內過早出現(xiàn)局部高溫反應區(qū),從而導致著火始點提前;預噴射始點為65BTDC,主噴射終點為5～10BTDC時,能在較寬的預噴射范圍

12、內同時獲得較低的排放和較好的燃油經(jīng)濟性。對于進氣添加二氧化碳的PCCI燃燒模式,在預噴射始點為65BTDC時,主噴時刻在較大的范圍內變化,發(fā)動機都能獲得較低的排放和較好的燃油經(jīng)濟性。三種燃燒模式對比可知,單純采用早噴策略對發(fā)動機經(jīng)濟性的負面影響明顯;采用PCCI-DI燃燒模式,經(jīng)濟性得到改善,部分排放物大幅減少,但中等負荷時CO排放增加明顯,而高負荷時NOx排放明顯增加;高負荷下采用PCCI燃燒模式,發(fā)動機在碳煙,NOx和CO均大幅下降