汽油柴油双燃料高预混合低温燃烧技术应用基础研究.pdf

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1、汽油/柴油双燃料高预混合低温燃烧技术应用基础研究AppliedBackgroundResearchonLowTemperatureCombustionTechnologyofHighlyPremixedChargeCombustionFuelledwithGasoline/DieselDual-Fuel一级学科：动力工程及工程热物理学科专业：动力机械及工程作者姓名：马帅营指导教师：尧命发研究员天津大学机械工程学院二零一三年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包

2、含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要以均质压燃（HCCI）为代表的新一代燃烧方式可取得极低的NO

3、x和颗粒物排放并保持高热效率，但由于化学反应动力学在燃烧过程中起主导作用，其燃烧控制困难及运行工况范围狭窄的难题至今没有得到有效的解决，限制了HCCI的广泛应用。为此，本文提出了一种基于燃料化学活性及混合气分层协同控制的燃烧模式—汽油/柴油双燃料高预混合低温燃烧（HighlyPremixedChargeCombustion,HPCC），其供油方式为进气道喷射汽油、缸内直喷柴油，根据发动机运行工况通过调整汽油/柴油比例、EGR率及柴油喷油策略控制实现高比例的预混合燃烧，从而实现HPCC负荷工况范围内的高效清洁燃烧。本文主要针对HPCC燃烧技术的相关基础问题及其负荷工况范围内的燃烧控制策略开展了系

4、统的研究。本文首先进行了燃烧控制参数对HPCC燃烧、性能及排放影响的试验研究，结果表明，柴油喷油时刻影响HPCC的燃烧放热模式，柴油早喷与晚喷时分别表现出双燃料的HCCI和柴油引燃汽油预混合气的准均质压燃（QHCCI）燃烧放热特性。通过调整汽油/柴油比例、EGR率及柴油喷油策略可改变缸内混合气的化学活性及浓度分层，实现对不同燃烧模式的控制；进气压力影响HPCC的着火滞燃期、燃烧反应速度和“失火”与“爆震”燃烧的汽油比例限值，提高进气压力可以提高汽油比例，从而大幅度降低NOx和碳烟排放；提高柴油喷油压力仍是改善HPCC模式下NOx和soot排放的重要途径；通过优化燃烧控制参数，在平均指示压力（I

5、MEP）为0.9MPa工况，NOx和soot比排放分别低于0.4g/(kW·h)和0.003g/(kW·h)，并保持较高的热效率，但HC和CO排放偏高。柴油早喷是在中低负荷实现HPCC的主要控制策略，但早喷燃油的“湿壁”会导致碳烟排放升高，而且碳烟排放峰值出现在某一特定的喷油时刻区域。本文针对燃油早喷时刻下的碳烟排放特性开展了试验研究，结果表明，在特定的喷油时刻区域碳烟排放升高的根本原因是“湿壁”燃油在缸内形成了局部过浓区。燃油早喷情况下的碳烟排放特性不同于传统柴油机，如提高进气压力、控制进气温度、冷却水温度和提高喷油压力等均不能有效降低碳烟排放，而提高EGR率、采用高挥发性燃料或进气道结合缸

6、内直喷的供油方式均可显著降低碳烟排放。柴油喷油策略是控制燃烧模式、扩展高效清洁运行工况范围的重要途径。本文分别对单次喷油（晚喷：L-single，早喷：E-single）和两次喷油（第二次晚喷：L-SOI2，第二次早喷：E-SOI2）策略进行了试验研究，并以L-SOI2为例，采用KIVA-CHEMKIN软件从混合气活性及其分层角度对HPCC燃烧及排放的控制机理进行了数值模拟研究。结果表明，在单次喷油策略中，E-single的NOx和soot排放远低于L-single；在两次喷油策略中，对于L-SOI2，着火时刻主要由第二次喷油时刻控制，高温放热分两阶段进行，可有效降低最大压力升高率（MPRR）

7、及最大爆发压力，但由于较晚的第二次喷射的柴油存在部分扩散燃烧导致碳烟排放升高。对于E-SOI2，着火时刻主要由第二次喷油时刻与化学反应动力学共同控制，燃烧持续期短，热效率高，但MPRR也较高。为了使高效清洁运行工况范围向高负荷扩展，本文对不同转速（900～2500r/min）下的高负荷扩展技术途径进行了试验研究，结果表明，在满足一定的MPRR及排放等限定条件下，对各运行参数进行优化，采用E-sin