基于喷射策略和燃料设计的压燃式发动机高效低排放燃烧模式研究

摘要

面对日益严格的排放法规和严重的能源危机，本文采用试验和仿真的手段对高效低排放低温燃烧进行了系统深入的研究。本文综合运用EGR，喷射策略以及燃料设计等手段，在高压共轨发动机上实现了低温燃烧。研究了低温燃烧模式下燃烧和排放的特点;并且通过燃料设计的理念，拓展了低温燃烧的运行工况和提高了低温燃烧的热效率;结合低温燃烧和多次喷射的优点，研究了多次喷射策略对发动机低温燃烧燃烧和排放的影响规律;最后，通过仿真手段对低温燃烧缸内过程和热效率的影响因素进行了分析。全文总结如下:
　　 (1)采用多次喷射策略，实现了发动机HCCI-DI复合燃烧模式。研究了预喷时刻，预喷量，以及主喷时刻等因素对HCCI-DI燃烧和排放特性的影响规律，并通过综合考虑各影响因素，对HCCI-DI燃烧进行了优化。研究表明:HCCI-DI燃烧模式的放热率由HCCI低温反应、HCCI高温反应和扩散燃烧三阶段组成。主喷时刻对HCCI-DI燃烧和排放的影响最大，预喷量和预喷时刻的影响较小。HCCI-DI燃烧模式可以保证在烟度和燃油消耗率变化不大的情况下，有效地降低了中小负荷的NOx排放。但是，高负荷的NOx排放仍然较高，有待进一步降低。
　　 (2)为了进一步降低NOx排放，通过采用中等EGR和推迟喷射时刻的策略，研究了低温燃烧(LTC)的燃烧和排放特征，并且和传统燃烧模式进行了对比;研究了不同EGR率、喷射时刻和喷射压力对低温燃烧和排放的影响规律。研究表明:采用中等EGR率，结合延长滞燃期的方式也能在中低负荷范围内实现低温燃烧。低温燃烧缸内压力峰值显著下降，放热率的开始时刻明显的推迟，滞燃期增长，有利于燃料和空气的混合。低温燃烧下，NOx排放随着喷射时刻的推迟而下降，烟度排放随着喷射时刻的推迟出现了先上升后下降的趋势，实现了NOx排放和烟度排放的同时下降。NOx排放随着喷射压力的提高而升高，烟度、HC和CO排放随着喷射压力的提高而下降。
　　 (3)根据燃料设计的思想，研究了含氧燃料生物柴油和多次喷射策略对低温燃烧和排放的影响;研究了燃料组分、预喷时刻和预喷量对混合燃料低温燃烧模式的影响规律。研究表明:含氧燃料生物柴油，促进和改善了缸内燃烧，有利于烟度排放的降低。当燃料为纯生物柴油时，在高负荷也实现了低温燃烧。生物柴油把低温燃烧的负荷范围拓展到高负荷，低温燃烧的热效率较柴油略高或者与其相当。多次喷射低温燃烧可以进一步降低NOx排放，热效率也得到改善，但是烟度排放增加，缩小了工况运行范围。选择合适的预喷量，有助于降低低温燃烧压力升高率和循环变动。
　　 (4)为了进一步优化低温燃烧模式，研究了乙醇柴油对低温燃烧的燃烧和排放的影响规律，并且对乙醇柴油的低温燃烧运行范围进行了分析。研究表明:乙醇柴油是低十六烷值含氧燃料，低十六烷值可使滞燃期延长，增加了燃料和空气的混合时间，降低了燃空当量比，同时含氧可以促进和改善了缸内燃烧，两者有效地降低了烟度排放，烟度排放在高负荷下降更加明显，乙醇柴油将低温燃烧的负荷运行范围拓展到高负荷。BDE20燃料可采用较早的喷射时刻，使低温燃烧的热效率得到进一步提高。与柴油燃料相比，BDE20燃料在拓展低温燃烧负荷范围的同时，实现了高效低排放的燃烧模式。
　　 (5)通过运用3D流体力学软件对传统燃烧和低温燃烧模式进行了仿真计算，研究了缸内的温度、正庚烷、CH2O、OH、NO和CO分布和发展历程，并且重点对影响低温燃烧热效率的各因素进行了分析。研究表明:缸内压力的模拟计算结果与试验结果比较吻合。低温燃烧的最高温度比传统燃烧低。低温燃烧模式的正庚烷低温氧化过程明显要长于传统燃烧模式。从影响热效率的各个因素来说，燃烧相位对热效率影响最大，燃烧效率的影响次之，燃烧持续期和放热率形状的影响较小。从低温燃烧的实现方式来说，喷射时刻对热效率的影响大于EGR的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景

1．1．1 能源需求量和汽车保有量

1．1．2 排放法规

1．2 低温燃烧

1．2．1 低温燃烧概念

1．2．2 低温燃烧模式分类

1．3 低温燃烧的影响因素

1．3．1 EGR、压缩比、涡流比和进气增压对低温燃烧的影响

1．3．2 喷射策略对低温燃烧的影响

1．3．3 燃料性质对低温燃烧的影响

1．4 低温燃烧研究趋势和存在的问题

1．5 本文研究的思路和内容

1．5．1 研究思路

1．5．2 研究内容

第二章 多次喷射对发动机燃烧和排放的影响

2．1 前言

2．2 试验系统和测试方法

2．2．1 概述

2．2．2 EGR系统

2．2．3 试验设备及其概述

2．3 不同放热类型的对比

2．4 预喷时刻对燃烧和排放的影响

2．4．1 预喷时刻对燃烧特性的影响

2．4．2 预喷时刻对排放特性的影响

2．4．3 预喷时刻对燃油消耗率和热效率的影响

2．5 预喷量对HCCI-DI燃烧和排放特性的影响

2．5．1 预喷量对HCCI-DI燃烧特性的影响

2．5．2 预喷量对HCCI-DI排放特性的影响

2．5．3 预喷量对HCCI-DI循环变动的影响

2．6 主喷时刻对HCCI-DI燃烧和排放特性的影响

2．6．1 主喷时刻对HCCI-DI燃烧特性的影响

2．6．2 主喷时刻对HCCI-DI排放特性的影响

2．7 HCCI-DI复合燃烧的优化

2．7．1 预喷量和预喷时刻对发动机燃烧和排放的综合影响

2．7．2 预喷量和主喷时刻对发动机燃烧和排放的综合影响

2．7．3 HCCI-DI复合燃烧运行范围

2．8 本章小结

第三章 低温燃烧的燃烧和排放特性

3．1 前言

3．2 试验系统和方法

3．3 柴油低温燃烧的燃烧和排放特性

3．3．1 柴油低温燃烧的燃烧特性

3．3．2 柴油低温燃烧的排放特性

3．4 EGR、喷射时刻和喷射压力对低温燃烧的影响

3．4．1 EGR、喷射时刻和喷射压力对低温燃烧的燃烧特性的影响

3．4．2 EGR、喷射时刻和喷射压力对燃油消耗率和排放特性的影响

3．5 本章小结

第四章 含氧燃料生物柴油的低温燃烧

4．1 前言

4．2 试验系统和方法

4．3 生物柴油低温燃烧的燃烧和排放特征

4．3．1 生物柴油低温燃烧的燃烧特性

4．3．2 生物柴油低温燃烧燃油消耗率和热效率

4．3．3 生物柴油低温燃烧排放特性

4．4 多次喷射策略对混合燃料低温燃烧的影响

4．4．1 燃料组分对混合燃料低温燃烧的影响

4．4．2 预喷时刻对混合燃料低温燃烧的影响

4．4．3 预喷量对混合燃料低温燃烧的影响

4．5 生物柴油混合燃料低温燃烧运行范围

4．6 本章小结

第五章 乙醇柴油混合燃料的低温燃烧

5．1 前言

5．2 试验系统和方法

5．3 乙醇柴油低温燃烧的燃烧和排放特性

5．3．1 乙醇柴油低温燃烧的燃烧特性

5．3．2 乙醇柴油低温燃烧燃油消耗率和热效率

5．3．3 乙醇柴油低温燃烧的排放特性

5．4 燃烧特性对低温燃烧排放和热效率的影响规律

5．4．1 滞燃期对低温燃烧排放的影响规律

5．4．2 燃烧相位对低温燃烧排放和热效率的影响规律

5．5 乙醇柴油低温燃烧运行范围

5．6 不同燃烧模式运行范围的比较

5．7 本章小结

第六章 低温燃烧的数值模拟

6．1 前言

6．2 主要模型和计算网格

6．3 模拟结果和实测值比较

6．4 缸内燃烧和排放的模拟结果

6．5 影响热效率的原因

6．5．1 不完全燃烧产物的生成对热效率的影响

6．5．2 燃烧相位和燃烧持续期对热效率的影响

6．5．3 放热率形状对热效率的影响

6．6 发动机低温燃烧热效率分析

6．6．1 实际工况点热效率分析

6．6．2 不同措施对热效率的影响规律

6．7 本章小结

第七章 全文总结和工作展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

创新点说明

参考文献

符号与缩写

博士学位期间已发表和录用的论文

参加科研项目和获得的奖励

致谢