柴油机新型燃烧方式

柴油机新型燃烧方式

在能源和环境的双重压力下，柴油机低温燃烧(low temperature combustion，LTC)策略成为国内外的研究焦点。该技术能够在保持低排放的同时显著拓宽发动机的负荷范围，是满足现在和将来日益严格的排放法规的核心技术。控制缸内温度是实现LTC 的关键所在。

近年来国内外在柴油机低温燃烧方面的研究成果主要有两类：①基于EGR 技术和喷油策略，如采用中高EGR 率和燃油晚喷策略的“MK”燃烧，“HCLI”燃烧和“HPLI”燃烧；采用燃油早喷策略的“smokeless”系统。它们通过采用EGR 来降低缸内温度，抑制碳烟生成，从而使混合气在较浓的条件下实现低碳烟排放。

②基于可变气门定时和升程。通过改变气门参数(相位、升程)来改变发动机的有效压缩比，从而有效控制缸内温度和压力的变化历程。国外传统的低温燃烧采用大EGR率(EGR>60%)和高涡流比(Ω≥5 )的方法，在得到较好的NOx和碳烟排放折中的同时，尚存在一些问题。首先，采用大的EGR 率，需要使用更多的冷却能量，从而减少有用功的输出；其次，使用大的EGR率会使CO、UHC排放大幅增加，热效率降低；第三，大EGR 率使得发动机运行工况的范围受到限制，其适用范围仅限于中低负荷；第四，高的涡流比会造成发动机制造工艺上的困难．笔者在之前的研究中提出的MULINBUMP 复合燃烧技术将燃油多脉冲喷射形成的预混燃烧与BUMP 燃烧室内主喷射形成的稀扩散燃烧相结合，在中低负荷范围内实现了高效清洁燃烧。但随着负荷的增加，拓宽发动机运行范围亦受到限制。课题组在前期研究的基础上，提出了高密度-低温燃烧策略，实验研究表明，这种策略具有在高负荷和满负荷工况下实现高效低排放燃烧的潜力。本文主要针对高密度-低温燃烧机理，采用数值模拟的手段对高密度-低温燃烧中的影响因素(氧浓度，充量密度)进行研究，重点分析了充量密度的多重作用。

高密度-低温燃烧的热力学分析

内燃机燃烧过程中主要有害排放产物的生成都需要满足特定的混合气浓度和燃烧温度范围。只要合理控制缸内的混合气体积分数( ϕ )和燃烧温度(T)，避开NO x和碳烟形成区，就有可能实现超低排放。燃烧过程的控制可通过控制燃烧路径的斜率实现。定义为当量比的变化(混合率的变化)与温度变化的比值。根据热力学第一定律，可得

式中：Q HR是一个短小时间间隔内的放热量；∆U、∆W、Q wall 分别是相应时间间隔内缸内工质所吸收的内能、对外作功和壁面传热量。可以看到，提高充量密度与EGR 一样可以增加工质的总热容；τch为化学时间尺度；ϕfuel和ϕO2分别为参加化学反应的燃料及氧的浓度；P tdc、T tdc和ρtdc分别指上止点处缸内充量的压力、温度和密度；R g为气体常数，取决于混合气的成分。T 0对τch影响的权重最大，降低T 0可大幅度抑制化学反应率。当量比决定ϕfuel和ϕO2，提高混合率可提高化学反应率。

影响混合率的因素有燃油喷射参数(喷油压力和喷孔直径)、喷油策略(单次喷射和多次喷射)、环境参数(压力、温度和密度)、燃烧室形状设计及多尺度漩涡控制等。本文采用复合激光诱导荧光定量标定实验研究了定容弹内环境参数对柴油喷雾特性的影响。图 1 给出了其他条件不变时，不同充量密度对最大当量比的影响。研究发现，在较高的充量密度条件下，由于阻力增加，喷雾贯穿距离明显缩短，喷雾锥角明显变大，喷雾所占据的空间范围也相应变小。但由于单位空间体积内空气量大幅增加，喷雾和空气混合效果不降反升，喷雾气相最大当量比出现时刻提前(见图1)。在较高充量密度条件下，虽然出现较高当量比浓度的时间较短，但由于混合速率快，油气快速相互作用，最终使得喷射后期的可燃混合气的浓度最大值降低，均匀程度提高。因此，在提高喷雾混合速率的最终研究目标上，提高环境密度是非常有效的手段，对加速油气混合、促进气相生成、以及降低喷雾浓度方面的作用显著。

影响温升的因素有氧浓度(体积分数)、EGR率、当量比分布及充量密度等。总之，充量密度作为温度、压力、混合气成分等的综合因素，在抑制温升和促进混合方面具有重要作用。在本文中，充量密度指上止点处缸内充量的平均密度，见公式(4)。下面主要采用数值模拟的方法对高密度-低温燃烧中充量密度的多重作用进行深入分析研究。

实验结果和讨论

充量密度不变，氧浓度对高密度-低温燃烧的影响

图4为相同充量密度下，氧浓度减小对缸内平均温度的影响。可以看到，随着氧浓度的减小，缸内平均温度略有降低。这是因为减小氧浓度(相当于增加EGR 率)，CO2和H2O 等比热较大的物质的量增加，缸内工质的总热容增加，燃烧温度降低。由于碳氢燃料的着火过程主要受温度的影响，降低氧浓度，缸内压缩温度上升速度变慢，着火推迟。图5为相同充量密度下，降低氧浓度对累积放热率的影响降低氧浓度，放热速率下降，燃烧持续期延长，燃烧效率降

低。这是因为氧浓度减小，使得混合气中氧气的绝对量降低，燃空混合率降低．进

一步促进燃烧后期的混合速率是低温燃烧实现高热效率的关键。

氧浓度不变，充量密度对高密度-低温燃烧的影响

氧体积分数相同时，增大充量密度可以显著提高指示热效率。原因是，充量密度的增大有利于促进燃空混合气的形成，提高燃烧速率，特别是提高了燃烧后期的放热速率，燃烧持续期缩短，指示热效率提高。

高密度-低温燃烧具有在高负荷和全负荷工况实现高效清洁燃烧的潜力。充量密度的多重作用决定了它在高密度-低温燃烧中起着重要的作用。

(1) 增加充量密度可以增加充量热容，降低温升∆T，因此在抑制温升方面与EGR 具有相同的作用。

(2) 高的充量密度可以促进燃油与空气的混合率Φ∆，提高燃烧速率，特别是在发动机燃烧的后期，显著缩短燃烧持续期，这是实现高热效率的关键所在。(3) 高充量密度对NO x排放的影响由于其对燃烧过程的多重作用而非常复杂。氧浓度为18.34%时，NO x 排放随充量密度的升高而降低。

(4) 相同氧体积分数条件下，提高充量密度，燃油与空气的混合速率Φ∆增大局部过浓区减少，碳烟排放均很低，接近于0。