柴油机分层预混压燃烧及多阶段高效清洁燃烧过程研究

摘要

在能源和环境的双重压力下，柴油预混压燃燃烧成为目前国际内燃机研究的焦点。但柴油燃料粘度高、挥发性差、自燃温度低(十六烷值高)的特性，使得柴油预混压燃燃烧中混合气的制备相当困难，快速的混合速率是实现预混压燃燃烧的根本保障。本文从燃油控制和缸内状态(温度、压力)控制出发，以清洁高效柴油预混压燃燃烧及多阶段燃烧过程为研究对象，通过试验和数值模拟相结合的方法，对各种物理、化学因素对柴油燃烧过程的耦合控制机理进行了研究。
　　 基于间隔调制多脉冲早期喷油模式的柴油分层预混压燃燃烧的试验结果表明，通过喷油定时、脉冲间隔时间、脉冲油量及其比例以及喷射次数的控制能够降低未燃油滴损失率，形成不同缸内混合气的浓度和温度分层。针对柴油的这种可控分层预混压燃燃烧方式，提出了一种基于化学动力学反应和湍流混合特征时间尺度的改进燃烧模型。提出了一个燃料混合不均匀性程度函数H(φ)，由此导出了模型中的湍流混合时间尺度系数f，用来表征燃料混合不均匀性程度与湍流混合时间尺度的关系，计算结果与实验数据符合良好。调制多脉冲喷油模式下柴油可控的分层预混压燃燃烧的着火过程是分步容积式的，并受燃料分层的强烈影响。缸内浓度与温度的分层，降低了高浓度区域的温度，有助于减少NOx。由于高当量比的混合气主要分布在活塞上方的余隙空间，壁面散热较多，温度较低，放缓了低温反应速率，而低当量比的混合气反应释放的热量小，所以混合气当量比的V型分布能够在分层预混压燃燃烧中推迟着火和减缓放热。
　　 由于分层预混压燃燃烧均存在较低的局部燃烧温度区域导致CO和HC排放较高及负荷较低的问题，进一步采用了分层预混压燃燃烧和主喷及后喷产生的混合控制的燃烧相结合的多阶段燃烧方案。本研究采用简化化学反应机理并结合特征时间燃烧模型对多阶段着火和燃烧的多阶段燃烧过程及排放产物进行了模拟。在预混压燃燃烧阶段的着火前平均当量比下降到0.2，使得着火推迟，同时产生较多1400K以下的低温燃烧区域并因此产生较多的未燃CO，可以抑制过快的压力升高率，而且没有产生NOx。由于较晚的主喷喷雾开始时处于预混压燃燃烧产生的较低的平均缸内温度环境下，产生了相对较多的2000K以下和当量比低于2的混合气，温度高于2600K的混合气也较少并导致生成较低的NOx，而且由于燃料和氧气较为充分的混合能够保持较快的放热速率，此时仍然保持了较高的热效率。通过两次主喷射来降低单次的主喷油量能够明显降低NOx，同时保持SOOT最终排放与单次主喷时接近以及54.4％的热效率。