喷油定时与进气压力耦合作用对低负荷RCCI燃烧和排放特性的影响研究

发布时间：2020-06-19 02:05

【摘要】：随着全球环境污染和能源短缺的日益严重,发展发动机的清洁高效燃烧研究迫在眉睫。活性控制压缩着火(Reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧通过在着火前形成燃料分层,来实现清洁高效的燃烧。高活性燃料喷油定时(Start of injection,SOI)、进气压力(Intake pressure,IP)、低活性燃料预混比(Premixed ratio,PR)和循环能量(Cycle energy,CE)会影响RCCI燃烧着火前可燃混合气分层状态,从而影响着火与燃烧过程,进而影响排放特性。本文以缸内直喷柴油为高活性燃料,以进气口喷射汽油为低活性燃料,在转速为1000rpm,IP为110kPa和125kPa,SOI为-5~-30°CA ATDC,PR为40%和65%,CE为885J/cycle、1380 J/cycle和1700 J/cycle条件下进行RCCI燃烧的试验研究。主要以SOI与IP的耦合作用为中心,研究了不同PR或CE条件下,SOI与IP耦合作用对RCCI燃烧排放特性的影响。研究结果表明:(1)对于SOI与IP的耦合作用对燃烧排放特性的影响研究,分析得出:IP的增加有利于冷焰反应的产生。IP的增加能够促进着火。随着SOI的提前,IP对着火的影响作用增加。对于高温放热过程,在SOI位于上止点附近时,IP的增加会抑制高温放热,使放热率减小;随着SOI的提前,IP的增加对高温放热的消极作用减小。IP增加导致缸内气体热容增加,从而导致缸内温度降低。IP的增加导致的缸内温度的降低是HC、CO和NOx排放产生变化的主要原因。随着SOI的提前,IP对HC和CO排放的影响作用逐渐减小,对NOx排放的影响作用逐渐增加。IP的增加促进了核态颗粒物粒径的增加,促进了聚集态颗粒物粒径的减小。IP的增加使核态和聚集态颗粒物数量浓度增加。IP的增加使颗粒物排放质量增加。(2)对于在不同PR条件下SOI与IP的耦合作用对燃烧排放特性的影响研究,分析得出:随着PR的减小,IP的增加对冷焰反应、着火和高温燃烧的促进作用增强。随着PR的减小和SOI的推迟,IP的增加对高温燃烧的促进作用增强。随着PR的减小和SOI的推迟,IP对HC和CO的影响作用减小;随着PR的减小和SOI的提前,IP对NOx排放的影响作用增加。随着PR的变化,SOI与IP的耦合作用对颗粒物排放的影响作用发生了复杂的变化。(3)对于在不同CE条件下SOI与IP的耦合作用对燃烧排放特性的影响研究,分析得出:随着CE的增加,IP的增加对冷焰反应的促进作用减弱。随着CE的增加,IP对着火的影响作用减弱,对高温燃烧过程的影响作用逐渐从积极转变为消极。随着CE的增加,IP对HC排放影响作用大幅减小。SOI位于上止点附近时,IP对CO的影响作用随着CE的增加而增强;SOI远离上止点时,该影响作用随着CE的增加而减弱。随着CE的增强,IP对NOx的影响作用增强。对于颗粒物排放,在不同CE下,SOI与IP的耦合影响作用发生了复杂的变化。
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK401
【图文】：

碳烟,CO排放

图 3 NOx、碳烟、UHC 和 CO 排放量的 φ-T 图[6]Fig. 3 NOx, 碳烟, UHC and CO yields in φ-T diagram作为早期提出的低温燃烧模式，均值充量压缩着火(Homogeneous ChargeCompression Ignition, HCCI)燃烧受到广泛的研究和应用。1983 年，威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系的 Najt 和 Foster[7]首先提出了均质充量压缩着火燃烧。HCCI 燃烧在着火前燃料与空气均值混合，稀薄的可燃混合气和较低的燃烧温度能够实现 NOx和碳烟的零排放。HCCI 燃烧还能够降低燃烧持续期和散热损失，从而提高热效率[8]。很难对 HCCI燃烧的燃烧过程进行控制。首先，HCCI 主要受化学动力学的影响，很难实现对着火时刻和燃烧相位的控制；其次，HCCI 燃烧燃烧速度过快，无法对其放热率进行控制[9]。过于集中的放热导致压力升高率峰值和缸内压力峰值过高。因此，HCCI 燃烧很难向大负荷拓展。为了避免 NOx和碳烟的大量产生，燃料与空气混合时间不能太短。为了着火时刻、燃烧相位以及燃烧速度进行控制，从而向更大负荷拓展，燃料与空气的混合时间不能太长。鉴于此，一些学者提出了部分预混燃烧(Partially Premixed Combustion, PPC)的研究。日产公司的 Shuji Kimura 等人[10]通过对柴油发动机燃烧排放的试验研究，提出了一

废气排放,热效率,因素,柴油

图 4 影响燃烧的因素对废气排放和热效率的影响 Effects of Each Combustion Factor on Exhaust Emissions and Thermal Eff学的 Christof Noehre 等人[11]在柴油发动机上进行了 PPC 燃烧的发动机转速为 1090rpm 和 1400rpm，压缩比为 17.1、14.3 和 12果表明，为了打破 NOx-soot 的 trade-off 关系，需要将 EGR 率增比降低到 12.4。这会大幅度增加 HC 和 CO 排放，降低热效率，需要较高的 EGR 率，主要是因为柴油活性较高，滞燃期较短。油着火滞燃期，从而提高柴油与空气的混合时间。为了增加柴油需要使柴油喷油定时提前，但是柴油挥发性较差，过于提前的喷壁。采用低活性燃料进行 PPC 燃烧能够提高滞燃期，增加燃料与对高 EGR 率的需求。常见的低活性燃料，如汽油、甲醇、乙醇，喷油定时较早时不容易产生湿壁。

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