基于混合与化学反应协同作用的混合燃烧控制策略的研究

摘要

在能源、环境和（贵金属）资源的多重压力下，实现柴油机的高效清洁燃烧成为研究焦点，而低温燃烧技术已被证实是实现柴油机高效清洁燃烧的有效手段。对于低负荷下的低温燃烧，经国内外研究者的努力，通过各种手段已得到实现。但是到目前为止，当低温燃烧向高负荷拓展时所遇到的瓶颈问题仍没有得到有效的解决，这主要是由于受到热效率、碳烟以及HC和CO排放的限制难以使用较高EGR率。因此，在现阶段研究中，将高效、低排放的低温燃烧向更高负荷拓展成为了新概念燃烧研究的核心。本文以最大限度的拓展低温燃烧负荷范围，实现全工况高热效率、低NOx、碳烟排放为目标，以发动机试验研究为主，CFD数值模拟、激光诊断技术为辅，深入探究了新概念燃烧条件下影响物理、化学过程的各控制参数（边界条件）对燃烧过程的影响规律。
　　传统低温燃烧过程试验研究表明，通过采用大EGR率稀释的手段可以同时实现极低的NOx与碳烟排放，但是这样的结果是以CO、HC以及指示热效率的恶化作为代价。适度提高增压压力虽然在中低EGR区域中可以取得更好的NOx与碳烟的折中，但是当采用大EGR率时，却很难从根本上解决低热效率的难题。在柴油预混燃烧的研究中发现，采用单次早喷预混燃烧策略时，通过对EGR率以及喷油定时的优化，在低负荷工况下可以实现超低的NOx与碳烟排放以及高的指示热效率；但是在其负荷拓展的过程中由于混合不够充分、局部浓区增加，会受到爆震以及碳烟、HC、CO与指示热效率急剧恶化的限制。进一步研究表明，多脉冲喷射在负荷拓展方面拥有巨大的优势，由于其喷油模式使得缸内工质呈现分层分布，有效降抑制了爆震的发生；并且多次脉冲喷油喷射有效改善了混合，使得缸内局部浓区减少，有利于NOx与碳烟排放的降低；通过协同优化推迟进气门关闭定时、增压压力、EGR率等参数最终可以在中负荷工况下（平均指示压力为1.1MPa）取得了极低的排放，并且此时指示热效率达到了51％。
　　通过理论分析、光学喷雾试验、CFD数值模拟计算以及发动机试验四个方面的研究创新性地提出了高密度－低温燃烧。研究表明，充量密度对缸内热容和混合率的影响共同制约着NOx的生成；提高充量密度与提高EGR率对降低缸内燃烧温度的结果相似，并且通过增压的方式提高充量密度可以弥补由于大量EGR的引入而缺失的氧含量，这样就有效改善了碳烟排放并提高了热效率。试验中，借助于推迟进气门关闭定时系统，在发动机最大爆发压力极限范围内最大限度的提高了充量密度，在满负荷工况下（平均指示压力为2.2MPa）取得了极低的排放以及较高的指示热效率。
　　综合以上研究，本文基于混合与化学反应的协同控制理论创新性地提出了混合燃烧控制策略。该控制策略认为，高BMEP重型柴油机，在不同的负荷工况应该采用不同的控制策略：在低负荷阶段，采用基于单次早喷以及高EGR率的预混燃烧策略；在中负荷阶段，采用基于多脉冲喷射、高EGR率、高增压以及推迟进气门关闭定时的预混燃烧策略；在高负荷以及全负荷，采用基于高增压以及进气门晚关技术的高密度-低温燃烧策略。混合燃烧控制策略有着实现重载柴油发动机的高热效率以及超低排放，并可以同时取消或减少对复杂后处理器的依赖的潜力。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2应对措施与技术方案

1.3新概念燃烧技术的研究与发展

1.4本课题的研究内容和意义

第二章 混合燃烧控制策略总体方案与试验系统

2.1基本思路和方案

2.2 试验系统

2.3燃烧过程热力学分析方法

2.4本章小结

第三章 燃烧参数对传统低温燃烧中排放及热效率影响的研究

3.1研究概述

3.2 废气再循环对排放及指示热效率的影响

3.3 增压压力对排放及指示热效率的的影响

3.4 推迟进气门关闭定时对排放及指示热效率的的影响

3.5 本章小结

第四章 基于多控制参数调制的预混燃烧过程研究

4.1研究概述

4.2单次脉冲早喷射预混燃烧过程的研究

4.3多脉冲喷射预混燃烧过程的研究

4.4 本章小结

第五章 高密度-低温燃烧过程的研究

5.1研究概述

5.2高密度-低温燃烧的理论基础概述

5.3高密度-低温燃烧试验研究

5.4本章小结

第六章 全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢