发动机双燃料PPCI燃烧试验及数值模拟研究

摘要

随着世界能源危机的蔓延以及环境保护压力的增大，各国都在积极推进更加高效清洁的内燃机燃烧过程的研究，以“均质压燃、低温燃烧”为基本特征的HCCI燃烧模式是其中的典型代表。为了避免HCCI燃烧方式所带来的内燃机运行工况收窄、着火时刻缺乏有效控制手段等问题，本文尝试通过汽油/柴油双喷射系统对缸内燃油成分重组设计、提高预混合比例，在柴油机上实现部分预混合燃烧，使柴油机在更宽工况范围内实现高效、清洁燃烧。
　　作者对一台单缸卧式柴油机进气道进行改造，设计、开发了一套适用于汽油/柴油PPCI燃烧模式下的汽油喷射系统及控制单元，主要包括硬件电路设计、控制程序以及上位机测控软件开发，最后并对该系统进行可靠性测试以及对汽油喷油器进行静态流量标定，结果显示该系统能够很好地满足试验要求以及对喷油参数柔性控制的目的。
　　本文针对这台经过改造后的柴油机进行汽油/柴油双燃料PPCI燃烧模式的试验研究以及CFD数值模拟计算。仿真结果表明，柴油缸内直喷定时对于汽油/柴油双燃料PPCI燃烧的燃烧过程控制起到重要作用，这为解决HCCI着火时刻控制问题提供了有效的途径。试验结果表明：该燃烧模式具有同时降低Soot与NOx排放的潜力：在工况为转速1400r/min、输出扭矩50Nm时，当汽油比例从0变化到0.8后，指示热效率下降在5％以内，但NOx排放下降了约70％、碳烟排放下降了约60％，在低负荷运行工况时，NOx与Soot接近零排放。与此同时由于淬熄效应，燃烧不完全现象加剧，导致THC与CO的排放有所升高，且在小负荷大汽油比例时两者排放升高更加明显。
　　为进一步探索双燃料燃烧模式下降低NOx排放的可能途径，最后本文通过数值模拟与试验相结合的方法研究了进气成分对发动机燃烧过程以及排放规律作用的机理。结果表明，在相同氧浓度下，N2与CO2对降低NOx排放的能力基本相同，但摩尔定压比热容更大的CO2对Soot排放的控制更加明显。

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1 绪 论

1.1选题背景

1.2 柴油机新型燃烧方式的提出

1.3 柴油机数值模拟技术概述

1.4 课题主要研究工作及意义

2 发动机双燃料PPCI燃烧试验台架装置

2.1 试验台架系统简介

2.2 低压燃油喷射系统结构设计

2.3 低压燃油喷射控制系统开发

2.4低压燃油喷射系统流量特性标定

3汽油/柴油双燃料PPCI燃烧数值模拟研究

3.1 计算网格及模型

3.2 CFD基本控制方程与状态方程

3.3 计算模型

3.4 数值计算方法

3.5 模型的校核与试验验证

3.6 喷油正时对燃烧特性影响的模拟研究

4 汽油/柴油双燃料PPCI燃烧的试验研究

4.1试验方法

4.2 汽油比例对燃烧排放特性影响的研究

4.3 汽油比例对内燃机指示热效率的影响

4.4 引燃柴油量对燃烧排放特性影响研究

5 进气成分对柴油机低温燃烧影响的模拟与试验研究

5.1试验与仿真方案设计

5.2燃烧特性分析

5.3排放特性分析

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献