缸内高温喷水对柴油机燃烧特性的影响研究

• 作 者: 江浪
• 机 构: 同济大学
• 出 处: 同济大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 共轨柴油机

随着日常生活水平不断提升，汽车已经成为我们生活必需品的一部分，成为了全球大产业之一。与此同时汽车也成为了环保节能领域里的焦点话题。各个国家相继推出了更为严格的排放法规和油耗法规。发展以低能耗、低排放为标准的低碳经济，正是汽车行业所面临的挑战。发动机掺水燃烧被提出距今已有上百年。这期间掺水燃烧被用于各种类型的内燃机中以达到不同的目的，掺水的方法也各有区别。然而在实际柴油机中采用缸内喷水的相关研究并不多见。本文主要研究缸内喷水对柴油机燃烧及排放特性的影响。
　　为分析喷水对柴油机燃烧及排放过程的影响，本研究基于一台双缸柴油机改造得到缸内喷水发动机试验平台。为了更好地对喷油时刻及喷油量进行调节，本研究重新设计并搭建了缸内高压燃油供给系统，改造了发动机缸盖以安装喷水喷嘴、电控喷油器和缸内压力传感器。此外，也利用气液增压泵建立高压水供给系统，并通过温度闭环控制的共轨加热装置加热水来模拟废热回收。
　　在该试验平台的基础上，通过一系列的试验讨论了喷水相关参数对发动机燃烧及排放特性的影响。为了剥离喷水对缸内燃烧可能产生的化学影响，本文首先讨论了喷水对纯压缩过程的影响。在上止点附近喷适量水可使膨胀过程中的缸内压力升高，膨胀过程的对外做功量增加。试验中，当喷水时刻为-3℃AATDC，喷水脉宽为0.8ms时，循环做功量增加了9.75J。此外，随着喷水脉宽的增加，缸内最大爆发压力下降明显。试验结果表明在合适的喷水时刻和喷水量下，喷入缸内的水通过吸热汽化可以提高循环做功量，并产生额外的膨胀功，从而提高发动机热效率。
　　文中进一步分析了喷水参数对燃烧过程的影响。在某一工况下，在上止点附近采用最佳的喷水策略可提高循环做功量47.7J，IMEP提升幅度为5.35%。喷水时刻、喷水脉宽、喷水温度都会对循环做功产生影响。在试验选定的工况条件下，喷水时刻及喷水脉宽均存在最佳值，而喷水温度则是越高越好。此外，本文也分析了压缩冲程早期喷水对压缩及燃烧过程的影响，压缩早期缸内喷水时刻对燃烧过程本身影响并不明显，但压缩冲程的喷水会对压缩过程产生较为明显的影响。较理想的喷水时刻为-180℃AATDC和-30℃AATDC，在喷水时刻为-180℃AATDC时，其降低了压缩负功10.5J，增加了膨胀功22J，IMEP提升了4.58%。在喷水时刻为-30℃AATDC时，其对压缩负功影响很小，但提高了膨胀功40J，IMEP提升了5.58%。此外，缸内喷水使得燃烧始点略有推迟，但燃烧持续期缩短，这也是喷水提高循环热效率的另一主要原因。不同的发动机负荷和转速对最佳喷水策略都有着较为明显的影响。随着发动机负荷的升高，发动机转速的降低，最佳喷水量应当增加。在高负荷低转速工况下，喷水提升热效率的效果更为明显。
　　缸内喷水对排放的影响也十分明显。文中主要分析了喷水脉宽对NOX、CO、HC及排气温度的影响。随着喷水脉宽逐渐增加至5ms，NOX排放由未喷水时的2.324×10-3下降到5.4×10-4。CO排放量由未喷水时的0.012%增加至0.25%。HC排放量增加了32.5%。排气温度则下降了64℃。