柴油准均质混合气制备及燃烧的试验研究

摘要

内燃机的发展面临着能源供给和环境保护的双重挑战，均质压燃燃烧能突破传统柴油机燃烧PM和NO<,x>排放的最低极限，且具有较高的热效率，已成为一项非常有吸引力的技术。而柴油燃料蒸馏温度高，均质混合气制备是实现柴油均质压燃燃烧的关键和难点。围绕均质混合气制备问题，本文对燃料油膜蒸发特性和柴油喷雾热碰壁过程进行了基础试验研究；根据两者的研究结果，利用喷雾热碰壁方法成功制备柴油准均质混合气，并实现了缸外预混合和缸内早喷的柴油均质压燃燃烧；本文还研究了高喷射压力下的柴油喷雾静电荷电雾化技术，探索了改善柴油雾化质量的其它途径。 采用热重分析法定量分析加热速率、油膜厚度和气氛流量等参数对柴油油膜蒸发过程的影响。与石油产品馏程测定法和文献所用典型油膜蒸发试验装置相比，燃料在热重分析仪中所处的状态和环境比较接近内燃机中燃料油膜的实际情况，油膜质量和温度变化可同时精确测量和记录，气氛流量也可精确控制，因此采用热重分析法来研究燃料油膜蒸发过程具有较大的优越性，尤其便于研究油膜蒸发与壁面温度的相关性。研究发现，在快速蒸发过程中，燃料油膜的蒸发并不严格按照各组分的沸点高低而依次进行，高沸点组分将在未达到其沸点之前挥发完毕；对0<'＃>柴油，若壁面温度达到250℃，油膜即可充分蒸发；提高加热速率可显著缩短油膜蒸发时间，但对蒸发终点的温度影响不大；减小油膜厚度也能缩短油膜蒸发时间，但与提高加热速率相比，效果不明显；气氛流量的微小变化也能对油膜蒸发产生明显影响。 设计了一套柴油喷雾热碰壁试验系统，并采用高速摄影技术研究了壁面温度、壁面加热功率等对常压环境下柴油喷雾撞击高温金属壁面过程的影响。研究发现，高温壁面的热辐射能够促进着壁前喷雾前锋的雾化和蒸发；当壁面温度超过200℃后，撞壁柴油喷雾开始明显雾化，喷雾投影面积大幅度增加；当壁面温度处于260～360℃范围时，随壁面温度升高，喷雾投影面积变化不大，但喷雾内部浓度分布更加均匀；当壁面温度超过360℃后，喷雾投影面积开始减小，但喷雾内部浓度分布也比较均匀。壁面加热功率主要通过改变壁面温度来影响撞壁燃油的雾化。柴油喷雾热碰壁过程的基础研究为设计发动机试验用喷雾热碰壁装置提供了直接的参考数据。设计了喷雾热碰壁装置，并实现缸外预混合的柴油均质压燃燃烧，还研究了外部冷却废气再循环(EGR)、进气加热等的影响。本文设计的喷雾热碰壁装置结构非常紧凑，可方便地安装在进气道入口处；该装置仅加热金属壁面，当供电功率为600W时，热壁面温度可在4分钟左右达到250℃，并顺利起动发动机；进气气流经过热壁面后仅升高40℃左右，不会明显增加发动机热负荷。研究发现，喷雾热碰壁后可形成准均质混合气，限制该系统均质压燃燃烧范围的主要因素是颗粒物(PM)排放。在不采取其它措施的情况下，壁面温度为370℃时，在发动机转速700～1000r/min，λ=4～5的运转范围内可实现柴油均质压燃燃烧。引入外部冷却再循环废气后，本文系统均质压燃燃烧的大负荷边界可拓宽至九≤2.6。进气加热可将本文系统均质压燃燃烧的小负荷边界拓宽至λ≥6.8。 采用柴油喷雾热碰壁的方法，促进缸内早喷燃油的雾化和蒸发，实现均质压燃燃烧，并研究压缩比和供油提前角等对燃烧和排放的影响。本文设计了一种气隙隔热活塞，从而提高活塞顶局部的壁面温度，并减小喷孔锥角，实现了缸内早喷燃油的热碰壁。采用气隙隔热活塞后，早喷燃油的雾化质量得到改善，可在λ=5.5～7.5(发动机转速600r/min)范围内实现均质压燃燃烧。压缩比提高将使两阶段的放热都提前，减少PM、碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放，但导致氮氧化合物(NOx)排放急剧增加；若推迟供油时刻，第一阶段放热的起始时刻基本不变，放热率峰值下降，第二阶段放热的起始时刻提前，放热率峰值升高。推迟供油时刻还将使缸内燃烧模式逐渐由HCCI燃烧向传统柴油机的喷雾扩散燃烧过渡，HC和CO排放明显降低，NOx排放急剧增加。 在实际应用的燃油系统上实现高喷射压力下的柴油荷电雾化，对采用静电荷电技术来改善柴油雾化质量进行探索性研究。以Rayleigh极限为基础，建立柴油液滴荷电破碎的临界荷质比模型，从理论上得到临界荷质比为10<'-6>～～10<'-4>库仑/克(C/g)。本文设计的高压喷射荷电器可实现峰值喷射压力达45～67MPa条件下的柴油荷电雾化，燃油雾化质量有所改善。但是，由于瞬时柴油流量大，燃油与电极接触时间短等原因，荷质比还比较低。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号和缩写说明

声明

第一章绪论

1.1内燃机可持续发展的能源及环境挑战

1.1.1能源供给的可持续性

1.1.2环境污染

1.2传统柴油机燃烧

1.3柴油均质压燃燃烧

1.4柴油均质压燃燃烧研究现状

1.4.1缸外预混合

1.4.2缸内早喷

1.4.3缸内晚喷

1.5柴油均质压燃燃烧的问题

1.6本文研究目的和主要内容

第二章柴油油膜蒸发特性的基础试验研究

2.1引言

2.2热重分析法简介

2.3其它试验研究方法

2.3.1石油产品馏程测定法

2.3.2典型油膜蒸发试验装置介绍

2.4试验参数的选择

2.5试验结果与分析

2.5.1温度测量的有效性

2.5.2燃料特性对油膜蒸发的影响

2.5.3加热速率对油膜蒸发的影响

2.5.4油膜厚度对油膜蒸发的影响

2.5.5气氛流量对油膜蒸发的影响

2.5.6燃料掺混对油膜蒸发的影响

2.6小结

第三章柴油喷雾热碰壁的试验研究

3.1引言

3.2试验系统

3.2.1喷油泵试验台

3.2.2高速摄影系统

3.2.3加热板及其温度控制系统

3.3图像处理

3.4壁面温度的影响

3.4.1对碰壁前油束发展的影响

3.4.2对油束碰壁过程的影响

3.4.3碰壁后燃油的壁面残留和蒸发

3.5壁面加热功率的影响

3.6油束入射角度的影响

3.7小结

第四章热壁式进气管制备柴油预混合气的HCCI试验研究

4.1引言

4.2试验系统

4.2.1 HCCI研究发动机台架系统

4.2.2喷雾热碰壁装置

4.3试验参数选择

4.3.1供油时刻和压缩比

4.3.2壁面温度

4.4发动机负荷特性

4.5均质压燃影响因素研究

4.5.1外部冷却EGR的影响

4.5.2进气温度的影响

4.5.3冷却水温度的影响

4.6喷油嘴参数的优化试验研究

4.6.1孔数的影响

4.6.2角度的影响

4.7小结

第五章油束撞击高壁温活塞形成混合气的HCCI试验研究

5.1引言

5.2隔热活塞设计

5.3喷油嘴和供油时刻

5.4缸内喷雾热碰壁制备柴油混合气的燃烧和排放特性

5.4.1高温活塞与原机活塞的比较

5.4.2压缩比的影响

5.4.3供油时刻的影响

5.5小结

第六章柴油静电雾化特性的基础研究

6.1引言

6.2荷电边界条件的建模与计算

6.2.1静止液滴破碎的临界荷质比

6.2.2运动液滴的荷电破碎建模

6.3低压流动柴油荷电试验研究

6.3.1试验系统

6.3.2试验结果及分析

6.4高压喷射柴油荷电试验研究

6.4.1高压喷射荷电器

6.4.2荷质比测量系统

6.4.3喷雾粒径测量系统

6.4.3试验结果及分析

6.5小结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2工作展望

附录

创新点说明

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录