论文部分内容阅读
采用气道喷射低活性燃料与缸内直喷高活性燃料的双燃料方式可以控制混合气的活性和浓度分层，从而控制燃烧过程，称之为基于混合气活性与浓度分层控制的高预混合燃烧（Highly PremixedChargeCombustion,HPCC）。该燃烧技术可以有效扩展均质压燃、低温燃烧高效清洁运行的工况范围，但大负荷和满负荷工况的高效清洁燃烧仍是需要解决的难题。缸内直喷燃料特性及其喷射策略对HPCC混合气的活性与浓度分层有决定性的作用，进而影响HPCC燃烧模式、有害排放物生成及高效清洁运行的工况范围。本文分别在多缸发动机与单缸发动机台架上开展直喷策略和直喷燃料理化特性对 HPCC 燃烧和排放特性影响的试验研究，并结合进气门晚关耦合高增压策略对大负荷工况扩展进行了探索。
作者首先在多缸轻型柴油机台架上，进行了燃烧系统参数和边界条件对汽油/柴油双燃料 HPCC 燃烧特性、排放和负荷扩展影响的试验研究，提出了以缸内柴油直喷策略为主要途径的全负荷工况燃烧模式设计策略。结果表明，柴油直喷策略决定性影响HPCC燃烧模式、性能和有害排放，对于早喷HPCC（E-HPCC），其燃烧特性类似于均质压燃燃烧（HCCI），可以运行于小负荷和中等负荷工况，但小负荷工况热效率低；随着负荷增大，采用推迟喷油策略以抑制爆震燃烧，即在大负荷工况采用晚喷 HPCC （ L-HPCC ），其燃烧特征表现为准均质压燃（QHCCI）。双燃料HPCC能够高效清洁运行在中、高负荷工况，而小负荷的燃烧效率和燃油经济性较差，尤其是低压缩比时热效率低，HC和CO排放高，而采用柴油 PPC 在小负荷满足超低排放限值的前提下，明显改善其燃油经济性和燃烧效率。HPCC大负荷扩展主要受制于高压EGR下涡轮增压能力和EGR引入能力，低压 EGR 能够实现更高的 EGR 率。随着负荷的进一步增加，采用低压EGR L-HPCC则能够有效地控制燃烧过程，并降低最大爆发压力和压力升高率，能够在平均有效压力（BMEP）1.5 MPa 满负荷工况实现稳定的高效清洁燃烧。由此，作者创新性提出了基于混合气活性与浓度分层控制的高效清洁燃烧模式设计策略，使高效清洁运行工况扩展到全工况范围。但在高转速区间的大负荷工况由于过量空气系数小导致烟度略高，而在小负荷工况柴油 PPC 燃烧模式由于混合气不均匀，NOx排放略高于0.4g/kW·h。
针对上述大负荷工况扩展存在的问题，作者在改造的单缸柴油机上系统开展了直喷燃料理化特性对 HPCC 影响的试验研究，探索通过燃料理化特性优化向大负荷扩展的途径。研究表明，挥发性对HPCC影响比较复杂，改善挥发性可以提高燃油与空气的混合速率，降低对喷油压力的要求，高挥发性正庚烷的烟度和HC排放对λ不敏感，可以避免L-HPCC在大负荷工况低λ条件下的烟度和燃烧效率变差的问题。同时由于混合速率的提高，峰值放热速率加快，燃烧稳定性提高，能够通过推迟燃烧相位降低爆发压力和压升率。直喷正庚烷时将 λ 控制在1.15~1.31区间可以同时满足低NOx和烟度的要求。提高直喷燃料的活性可以促进着火和燃烧，使燃烧相位提前，燃烧效率提高，也可以承受更高的EGR率和气道喷射比例，同时燃烧持续期延长，放热率峰值降低，因而可抑制缸内压力峰值和压力升高率，有利于向大负荷工况扩展。
基于上述研究结果，作者创新提出了采用新型高活性含氧燃料聚甲氧基二甲醚（PODE）作为HPCC的缸内直喷燃料，并在改造的单缸柴油机上进行了试验研究。结果表明，大负荷工况PODE作为直喷燃料可以实现无碳烟排放，甚至在当量燃烧条件下也可以实现碳烟零排放，同时实现低NOx排放，并显著提高燃烧效率和热效率。由于PODE能量喷射速率较低，喷油持续期显著延长，活性强，滞燃期缩短，有助于强化分层，可有效地降低燃烧放热速率，抑制缸内最大爆发压力和压升率，从而可以有效地将高效清洁运行的工况范围向大负荷扩展，最大负荷上限可扩展至平均指示压力（IMEP）1.788 MPa，并能够实现无碳烟的当量燃烧。结合进气门晚关策略降低有效压缩比，抑制汽油/PODE HPCC大负荷的缸内最大爆发压力，耦合高进气增压可进一步扩展HPCC大负荷范围。结果表明，在 55℃A 进气门晚关角度时，控制发动机最大爆发压力小于 16 MPa 条件下， HPCC 高效清洁运行的最大负荷可扩展至 2.3 MPa IMEP，同时可以实现极低的NOx和烟度排放，具有在不采用NOx和颗粒等后处理条件下满足欧VI法规的潜力。
作者首先在多缸轻型柴油机台架上，进行了燃烧系统参数和边界条件对汽油/柴油双燃料 HPCC 燃烧特性、排放和负荷扩展影响的试验研究，提出了以缸内柴油直喷策略为主要途径的全负荷工况燃烧模式设计策略。结果表明，柴油直喷策略决定性影响HPCC燃烧模式、性能和有害排放，对于早喷HPCC（E-HPCC），其燃烧特性类似于均质压燃燃烧（HCCI），可以运行于小负荷和中等负荷工况，但小负荷工况热效率低；随着负荷增大，采用推迟喷油策略以抑制爆震燃烧，即在大负荷工况采用晚喷 HPCC （ L-HPCC ），其燃烧特征表现为准均质压燃（QHCCI）。双燃料HPCC能够高效清洁运行在中、高负荷工况，而小负荷的燃烧效率和燃油经济性较差，尤其是低压缩比时热效率低，HC和CO排放高，而采用柴油 PPC 在小负荷满足超低排放限值的前提下，明显改善其燃油经济性和燃烧效率。HPCC大负荷扩展主要受制于高压EGR下涡轮增压能力和EGR引入能力，低压 EGR 能够实现更高的 EGR 率。随着负荷的进一步增加，采用低压EGR L-HPCC则能够有效地控制燃烧过程，并降低最大爆发压力和压力升高率，能够在平均有效压力（BMEP）1.5 MPa 满负荷工况实现稳定的高效清洁燃烧。由此，作者创新性提出了基于混合气活性与浓度分层控制的高效清洁燃烧模式设计策略，使高效清洁运行工况扩展到全工况范围。但在高转速区间的大负荷工况由于过量空气系数小导致烟度略高，而在小负荷工况柴油 PPC 燃烧模式由于混合气不均匀，NOx排放略高于0.4g/kW·h。
针对上述大负荷工况扩展存在的问题，作者在改造的单缸柴油机上系统开展了直喷燃料理化特性对 HPCC 影响的试验研究，探索通过燃料理化特性优化向大负荷扩展的途径。研究表明，挥发性对HPCC影响比较复杂，改善挥发性可以提高燃油与空气的混合速率，降低对喷油压力的要求，高挥发性正庚烷的烟度和HC排放对λ不敏感，可以避免L-HPCC在大负荷工况低λ条件下的烟度和燃烧效率变差的问题。同时由于混合速率的提高，峰值放热速率加快，燃烧稳定性提高，能够通过推迟燃烧相位降低爆发压力和压升率。直喷正庚烷时将 λ 控制在1.15~1.31区间可以同时满足低NOx和烟度的要求。提高直喷燃料的活性可以促进着火和燃烧，使燃烧相位提前，燃烧效率提高，也可以承受更高的EGR率和气道喷射比例，同时燃烧持续期延长，放热率峰值降低，因而可抑制缸内压力峰值和压力升高率，有利于向大负荷工况扩展。
基于上述研究结果，作者创新提出了采用新型高活性含氧燃料聚甲氧基二甲醚（PODE）作为HPCC的缸内直喷燃料，并在改造的单缸柴油机上进行了试验研究。结果表明，大负荷工况PODE作为直喷燃料可以实现无碳烟排放，甚至在当量燃烧条件下也可以实现碳烟零排放，同时实现低NOx排放，并显著提高燃烧效率和热效率。由于PODE能量喷射速率较低，喷油持续期显著延长，活性强，滞燃期缩短，有助于强化分层，可有效地降低燃烧放热速率，抑制缸内最大爆发压力和压升率，从而可以有效地将高效清洁运行的工况范围向大负荷扩展，最大负荷上限可扩展至平均指示压力（IMEP）1.788 MPa，并能够实现无碳烟的当量燃烧。结合进气门晚关策略降低有效压缩比，抑制汽油/PODE HPCC大负荷的缸内最大爆发压力，耦合高进气增压可进一步扩展HPCC大负荷范围。结果表明，在 55℃A 进气门晚关角度时，控制发动机最大爆发压力小于 16 MPa 条件下， HPCC 高效清洁运行的最大负荷可扩展至 2.3 MPa IMEP，同时可以实现极低的NOx和烟度排放，具有在不采用NOx和颗粒等后处理条件下满足欧VI法规的潜力。