柴油机低温燃烧的研究进展

柴油机低温燃烧的研究进展A、研究背景B、实现方式C、最新研究进展D、结论背景众所周知，由于柴油机NOx和碳烟排放存在“此消彼长”关系的缘故，同时降低这两种排放物非常困难。因此，为了满足日益严格的排放法规,柴油机需要一种有效的技术途径同时降低NOx和碳烟排放。柴油机低温燃烧模式有可能成为解决这一难题的有效手段。1、柴油机低温燃烧的实现方式(1)均质充量压燃燃烧均质压燃(HCCI)是均质混合气在压缩作用下的一种自燃过程，该燃烧过程有减少NOX和碳烟排放的潜力，同时又具有高的热能转换效率和好的燃料适应性。(2)柴油机浓混合气无烟燃烧柴油机浓混合气无烟燃烧技术(SmokelessRichDieselCombustion)由丰田公司开发。浓混合气无烟燃烧式柴油机拥有与传统直喷式柴油机相同的热效率,然而它的NOx和碳烟排放却低很多。(3)MK燃烧Kimura发现使用大量的EGR、高涡流比和推迟喷油可以同时降低NOx和碳烟排放，这种燃烧方式叫做“ModulatedKinetics”燃烧。大量的EGR导致着火延迟期延长，保证了油气在着火前更加充分地混合。(4)伞喷燃烧伞喷燃烧系统在八十年代初，大连理工大学胡国栋教授从改善柴油机燃烧与排放的角度出发，提出柴油机燃烧汽油机化、逐步实现近似等压燃烧的思想，并由这一思想发展为热预混合燃烧的理论，然后根据这一理论设计了伞喷燃烧系统。(5)部分预混合燃烧部分预混合燃烧是通过燃油部分预混合来减少燃烧中扩散部分的比例。张全长等人为了研究低温燃烧机理的极端情况，即废气中不含比热容较小的N2，通过向进气管喷入CO2气体控制进气氧浓度、改变喷油量、喷油时刻、喷油压力等，研究了进气氧浓度对柴油机燃烧和排放特性的影响.结果表明，综合性能和排放，喷油提前角应不小于20°CA，此时NOx和碳烟排放较低，且可保持较高的热效率。杨德胜等在一台经过改造的单缸135柴油机上进行了降低压缩比、燃用柴油——乙醇混合燃料和推迟供油的试验研究，来验证TR燃烧系统降低发动机排放、实现低温预混合燃烧的能力。结果表明，压缩比降低后，着火推迟，最大放热率增加，缸内最高压力和最高温度降低，NO排放也降低。但是中高负荷时燃烧速率降低，有效油耗率增加。2、柴油机低温燃烧模式的研究现状S.Aceves等人利用简化混合机理和详细化学动力学机理建立了一个喷油模型模拟低温燃烧时油滴喷射、雾化、燃烧的过程。研究发现，碳烟前驱体随着EGR的增加形成一个二次曲线。乔信起等人对伞喷燃烧进行了探索，研究了单缸柴油机喷嘴端伸出量、喷孔参数、启喷压力、供油提前角、燃烧室结构和工况对伞帘喷雾燃烧系统性能的影响。结果表明，喷嘴端伸出量明显影响燃油消耗率和烟度，最佳喷嘴端伸出量随喷孔锥角同向变化；启喷压力、供油提前角、中心喷孔直径和燃烧室凸缘高度存在最佳值；伞帘喷雾燃烧系统的最佳供油提前角比传统燃烧系统小得多；在低负荷下，喷嘴带中心喷孔时的烟度稍高些，但燃油消耗率不恶化。另外，他们用数值分析方法研究柴油机伞帘喷雾燃烧系统中的空气运动规律，探讨了缸内流场的演变过程、涡流与挤流的相互作用和燃烧室结构的影响，并比较了该燃烧系统与原机燃烧系统中的流场。计算结果表明，在上止点前较大的曲轴转角范围内，纵剖面流场结构相似。C.Noehre等人对部分预混合燃烧的特征进行了研究。发现，较高的进气压力可以拓展部分预混燃烧的范围；并且可以使用更大量的EGR使燃烧温度达到更低，从而进一步降低碳烟排放。研究发现NOx排放水平以排放指数形式(EmissionIndex)表示，它的定义为1000fuelmNOxmIE1000fuelmNOxmIE1000fuelmNOxmIE•浙江大学的杜德兴等人也对部分预混合进行了研究，通过测量对置射流扩散火焰中开始形成碳核时的临界气动变形率Ｋｐ，对丙烷中加入空气、氮气和氧气时其扩散火焰中碳烟生成的影响进行了实验研究．研究表明：适量氧气在扩散火焰中具有遏制碳烟成核的作用．•S.Kook在一台小型单缸柴油机上研究了进气稀释和喷油时刻对低温燃烧和排放的影响。通过改变进气中N2和CO2的添加量，来模拟EGR率从0%到65%的情况。研究表明，着火时刻混合气的局部当量比并不随着EGR的增加而下降，因此，混合速率控制燃烧阶段对污染物生成过程依然有重要作用。刘海峰等人在一台改装的4缸直喷柴油机上进行燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧和工况范围影响的试验研究。结果表明：燃料特性对HCCI燃烧过程的影响依赖于发动机运转条件。D.Choi等人对进气温度、喷射压力和涡流比等参数对低温燃烧的燃烧过程和碳烟生成进行了研究。结果表明，升高的喷射压力可以促进早期混合气的形成，降低碳烟辉度，并且提升放热率的峰值。许锋等人使用自制在线乳化装置，在单缸135型试验机上进行了在线乳化台架试验，研究表明；在线乳化具有与乳化柴油方式的同样效果，并且可获得燃油耗率、NOx和碳烟排放同时降低的综合性能。L.Pickett对柴油的混合速率控制燃烧特性进行了研究。通过改变进气中的氧气浓度和采用稀薄燃烧,绝热火焰温度可以降至1500K~1600K的水平,同时保持较高的燃烧效率。这一绝热火焰温度与HCCI燃烧的情况相似。3柴油机低温燃烧的总结与展望•综上所述，低温燃烧模式是现阶段同时降低柴油机碳烟和NOx生成的一种很有潜力的策略。通过优化EGR率、喷油时刻、压缩比、进气温度、进气压力、喷射压力和涡流比等参数，柴油机的燃烧路径可以完全避开NOx和碳烟的生成区域,从而达到清洁燃烧的目的，如HCCI燃烧、混合气无烟燃烧、MK燃烧、伞喷燃烧和部分预混燃烧等几种燃烧方式。但是,大量EGR的使用和喷油时刻的推迟可能带来HC和CO等排放以及燃油消耗率上升的问题，并且使其局限在中小负荷运行。针对柴油机低温燃烧技术今后的研究,应该重点关注于以下几个方面：a)加强对低温燃烧模式中混合过程的研究,包括着火前混合气的制备以及燃烧后期混合过程的改善，以便能够降低柴油机低温燃烧模式下的HC和CO的排放及燃油消耗率；b)对于低温燃烧只能应用于中小负荷的情况，应该努力探索可以拓展其负荷范围的技术手段；c)加强低温燃烧柴油机的应用研究，可将其与先进后处理技术相结合，从而进一步降低尾气中碳烟和NOx排放。