重型柴油机低温均质引燃燃烧与排放特性的试验研究

摘要

随着我国汽车保有量的急速增长，内燃机排气所带来的污染问题越来越受到重视。传统内燃机受燃烧模式所限，压燃式柴油机存在氮氧化物与颗粒物排放高的问题，为满足排放法规，不得不依靠冗杂的后处理装置，而点燃式汽油机又存在热效率低的问题，燃油经济性较差。因此，寻找高效、清洁的燃烧技术成为内燃机行业可持续发展的首要问题。
　　均质混合气引燃，以预混燃烧与稀薄燃烧为主的燃烧方式，同时具备高热效率与低排放的优势，应用潜力巨大。本文针对汽油均质混合气柴油引燃低温燃烧(LT-HCⅡ)的新型燃烧技术进行了试验探究，主要进行了以下两点工作:一，汽油比例、柴油喷射时刻、EGR率、柴油轨压对LT-HCⅡ燃烧与排放特性的影响;二，DOC后处理装置与柴油深度预混进一步改善LT-HCⅡ排放的效果。试验在一台高压共轨六缸柴油机上进行，完成了对汽油喷射系统、开放式控制系统的改造，实现了轨压、喷射时刻、喷射脉宽、喷射次数、EGR率等控制参数的灵活调节。
　　研究结果表明，LT-HCⅡ燃烧模式指示热效率较高，试验工况下，可以达到压燃式柴油机水平，但由于不完全燃烧产物增多，导致燃烧效率略有降低。汽油增多，预混燃烧增加，放热率曲线由双峰变为平缓的单峰，而NOx与Soot排放同时降低，缸内明显处于低温燃烧状态，至汽油比例90％时，NOx降至0.79g/(kW·h)，Soot近零排放，而循环波动率不超过2％，说明少量引燃柴油即可有效控制LT-HCⅡ的燃烧相位。柴油喷射时刻提前，是提高燃烧效率，改善THC与CO排放的有效措施，但会带来发动机工作粗暴的问题，而随柴油喷射时刻提前，Soot排放始终维持在极低水平，说明控制Soot排放的首要因素是汽油比例。适量EGR的引入，可以有效改善LT-HCⅡ汽油均质稀混合气的燃烧状况，燃烧效率与指示热效率同时增大。而汽油预混燃烧加快，柴油扩散燃烧减慢，导致燃烧持续期基本不变。随再循环废气增多，氮氧化物排放减少，而不透光烟度基本不变，最大值仅为0.036m-1，可见LT-HCⅡ燃烧模式对EGR并不敏感，可结合大比例EGR，同时实现氮氧化物与碳烟的极低排放。柴油轨压增大，是减少THC与CO排放、提高指示热效率、降低循环波动率的有效手段，但同时会带来NOx排放增加的问题。LT-HCⅡ燃烧模式使用60MPa柴油轨压时的不透光烟度值，仅为0.034m-1，而纯柴油模式需要使用140MPa柴油轨压才能与此排放水平相当，可见LT-HCⅡ可使用较低的轨压满足Soot排放要求。
　　此外，DOC的加装并不会引起燃烧特性的变化，对THC与CO的转化效率也超过90％，可使二者同时满足国五排放标准，解决了LT-HCⅡ燃烧模式不完全燃烧产物排放偏高的问题，而柴油深度预混可进一步改善中小负荷下的NOx与Soot排放，试验工况下，氮氧化物比排放最低为0.39g/(kW·h)，此时不透光烟度仅为0.0012m-1。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 内燃机排气污染问题

1．1．2 传统燃烧模式的固有缺陷

1．2 均质混合气引燃的提出与研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 试验设备与试验方法

2．1 试验台架布置

2．2 主要试验设备

2．3 试验分析方法

2．4 本章小结

第3章 主要控制参数对LT-HCII燃烧与排放特性的影响

3．1 汽油比例对LT-HCII燃烧与排放特性的影响

3．1．1 汽油比例对LT-HCII燃烧特性的影响

3．1．2 汽油比例对LT-HCII排放特性的影响

3．2 柴油喷射时刻对LT-HCII燃烧与排放特性的影响

3．2．1 柴油喷射时刻对LT-HCII燃烧特性的影响

3．2．2 柴油喷射时刻对LT-HCII排放特性的影响

3．3 EGR率对LT-HCII燃烧与排放特性的影响

3．3．1 EGR率对LT-HCII燃烧特性的影响

3．3．2 EGR率对LT-HCII排放特性的影响

3．4 柴油轨压对LT-HCII燃烧与排放特性的影响

3．4．1 柴油轨压对LT-HCII燃烧特性的影响

3．4．2 柴油轨压对LT-HCII排放特性的影响

3．5 本章小结

第4章 DOC与柴油深度预混改善LT-HCII排放的探究

4．1 DOC改善LT-HCII排放的研究

4．1．1 DOC对LT-HCII燃烧特性的影响

4．1．1 DOC改善LT-HCII排放的效果

4．2 柴油深度预混改善LT-HCII排放的研究

4．2．1 柴油深度预混对LT-HCII燃烧特性的影响

4．2．2 柴油深度预混改善LT-HCII排放的效果

4．3 本章小结

第5章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文