柴油準均質(zhì)混合氣制備及燃燒的試驗研究.pdf

1、內(nèi)燃機的發(fā)展面臨著能源供給和環(huán)境保護的雙重挑戰(zhàn)，均質(zhì)壓燃燃燒能突破傳統(tǒng)柴油機燃燒PM和NO<,x>排放的最低極限，且具有較高的熱效率，已成為一項非常有吸引力的技術。而柴油燃料蒸餾溫度高，均質(zhì)混合氣制備是實現(xiàn)柴油均質(zhì)壓燃燃燒的關鍵和難點。圍繞均質(zhì)混合氣制備問題，本文對燃料油膜蒸發(fā)特性和柴油噴霧熱碰壁過程進行了基礎試驗研究；根據(jù)兩者的研究結(jié)果，利用噴霧熱碰壁方法成功制備柴油準均質(zhì)混合氣，并實現(xiàn)了缸外預混合和缸內(nèi)早噴的柴油均質(zhì)壓燃燃燒；本文還

2、研究了高噴射壓力下的柴油噴霧靜電荷電霧化技術，探索了改善柴油霧化質(zhì)量的其它途徑。 采用熱重分析法定量分析加熱速率、油膜厚度和氣氛流量等參數(shù)對柴油油膜蒸發(fā)過程的影響。與石油產(chǎn)品餾程測定法和文獻所用典型油膜蒸發(fā)試驗裝置相比，燃料在熱重分析儀中所處的狀態(tài)和環(huán)境比較接近內(nèi)燃機中燃料油膜的實際情況，油膜質(zhì)量和溫度變化可同時精確測量和記錄，氣氛流量也可精確控制，因此采用熱重分析法來研究燃料油膜蒸發(fā)過程具有較大的優(yōu)越性，尤其便于研究油膜蒸發(fā)與

3、壁面溫度的相關性。研究發(fā)現(xiàn)，在快速蒸發(fā)過程中，燃料油膜的蒸發(fā)并不嚴格按照各組分的沸點高低而依次進行，高沸點組分將在未達到其沸點之前揮發(fā)完畢；對0<'＃>柴油，若壁面溫度達到250℃，油膜即可充分蒸發(fā)；提高加熱速率可顯著縮短油膜蒸發(fā)時間，但對蒸發(fā)終點的溫度影響不大；減小油膜厚度也能縮短油膜蒸發(fā)時間，但與提高加熱速率相比，效果不明顯；氣氛流量的微小變化也能對油膜蒸發(fā)產(chǎn)生明顯影響。 設計了一套柴油噴霧熱碰壁試驗系統(tǒng)，并采用高速攝影技術

4、研究了壁面溫度、壁面加熱功率等對常壓環(huán)境下柴油噴霧撞擊高溫金屬壁面過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，高溫壁面的熱輻射能夠促進著壁前噴霧前鋒的霧化和蒸發(fā)；當壁面溫度超過200℃后，撞壁柴油噴霧開始明顯霧化，噴霧投影面積大幅度增加；當壁面溫度處于260～360℃范圍時，隨壁面溫度升高，噴霧投影面積變化不大，但噴霧內(nèi)部濃度分布更加均勻；當壁面溫度超過360℃后，噴霧投影面積開始減小，但噴霧內(nèi)部濃度分布也比較均勻。壁面加熱功率主要通過改變壁面溫度來影響撞壁

5、燃油的霧化。柴油噴霧熱碰壁過程的基礎研究為設計發(fā)動機試驗用噴霧熱碰壁裝置提供了直接的參考數(shù)據(jù)。設計了噴霧熱碰壁裝置，并實現(xiàn)缸外預混合的柴油均質(zhì)壓燃燃燒，還研究了外部冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)、進氣加熱等的影響。本文設計的噴霧熱碰壁裝置結(jié)構(gòu)非常緊湊，可方便地安裝在進氣道入口處；該裝置僅加熱金屬壁面，當供電功率為600W時，熱壁面溫度可在4分鐘左右達到250℃，并順利起動發(fā)動機；進氣氣流經(jīng)過熱壁面后僅升高40℃左右，不會明顯增加發(fā)動機熱負荷。

6、研究發(fā)現(xiàn)，噴霧熱碰壁后可形成準均質(zhì)混合氣，限制該系統(tǒng)均質(zhì)壓燃燃燒范圍的主要因素是顆粒物(PM)排放。在不采取其它措施的情況下，壁面溫度為370℃時，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速700～1000r/min，λ=4～5的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)可實現(xiàn)柴油均質(zhì)壓燃燃燒。引入外部冷卻再循環(huán)廢氣后，本文系統(tǒng)均質(zhì)壓燃燃燒的大負荷邊界可拓寬至九≤2.6。進氣加熱可將本文系統(tǒng)均質(zhì)壓燃燃燒的小負荷邊界拓寬至λ≥6.8。 采用柴油噴霧熱碰壁的方法，促進缸內(nèi)早噴燃油的霧化和蒸發(fā)，

7、實現(xiàn)均質(zhì)壓燃燃燒，并研究壓縮比和供油提前角等對燃燒和排放的影響。本文設計了一種氣隙隔熱活塞，從而提高活塞頂局部的壁面溫度，并減小噴孔錐角，實現(xiàn)了缸內(nèi)早噴燃油的熱碰壁。采用氣隙隔熱活塞后，早噴燃油的霧化質(zhì)量得到改善，可在λ=5.5～7.5(發(fā)動機轉(zhuǎn)速600r/min)范圍內(nèi)實現(xiàn)均質(zhì)壓燃燃燒。壓縮比提高將使兩階段的放熱都提前，減少PM、碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放，但導致氮氧化合物(NOx)排放急劇增加；若推遲供油時刻，第一階段

8、放熱的起始時刻基本不變，放熱率峰值下降，第二階段放熱的起始時刻提前，放熱率峰值升高。推遲供油時刻還將使缸內(nèi)燃燒模式逐漸由HCCI燃燒向傳統(tǒng)柴油機的噴霧擴散燃燒過渡，HC和CO排放明顯降低，NOx排放急劇增加。 在實際應用的燃油系統(tǒng)上實現(xiàn)高噴射壓力下的柴油荷電霧化，對采用靜電荷電技術來改善柴油霧化質(zhì)量進行探索性研究。以Rayleigh極限為基礎，建立柴油液滴荷電破碎的臨界荷質(zhì)比模型，從理論上得到臨界荷質(zhì)比為10<'-6>～～10<