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汽油均质混合气柴油引燃低温燃烧的试验研究和模拟计算

作　者: 于超
导　师: 王建昕
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 均质混合气引燃低温燃烧两阶段放热汽柴油混合燃料
分类号: TK421.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

传统汽油机的热效率较低，而传统柴油机的碳烟和NO_x排放问题难以解决。均质混合气引燃（HCII）燃烧方式，采用进气道喷射汽油，形成均质混合气，缸内喷射柴油引燃，有可能实现高效清洁的燃烧。本文通过台架试验和模拟计算研究了HCII燃烧模式的节能减排效果和燃烧机理。在已有的均质混合气引燃概念基础上，本文提出了均质混合气引燃低温燃烧（LT-HCII）的基本思路，并通过发动机台架试验系统地研究了汽/柴油比例，EGR和柴油喷油时刻等主要控制参数对LT-HCII燃烧与排放特性的影响。研究结果表明，LT-HCII燃烧的燃烧相位容易控制，NO_x和碳烟排放之间的此消彼长（trade-off）关系相对较弱，二者可以同时降至极低的水平，热效率明显高于汽油机，达到甚至超过柴油机。针对HCII小负荷THC排放高的问题，本文提出了使用热EGR提高进气温度和使用柴油两次喷射改善汽油活性的思路，并通过发动机台架试验验证了其改善THC排放的效果。研究中发现HCII燃烧存在三种放热模式：缓慢单阶段放热、两阶段放热和快速单阶段放热；其中，两阶段燃烧具有分段和顺序燃烧的特点，能够显著降低压力升高率，同时将热效率保持在较高的水平，可作为中高负荷时控制粗暴燃烧的技术对策；可以通过两种燃料着火特性差别及混合气浓度、EGR率、引燃燃料喷射时刻等参数来控制两阶段燃烧模式的实现。采用三维CFD耦合化学反应动力学的数值模型对均质混合气引燃低温燃烧的污染物生成机理和两阶段燃烧机理进行了模拟计算和分析。研究表明，NO_x排放主要产生在温度较高的柴油燃烧区域，而THC排放主要来自淬熄效应较强的燃烧室边缘和狭缝区域；两阶段燃烧时，柴油的快速自燃放热和燃烧区域内的汽油放热形成了第一个放热峰，而后随着火焰传播的发展，汽油混合气发生了大面积的自燃，形成了第二个放热峰。汽柴油混合燃料燃烧（GDBF）是另一种同时使用汽油和柴油的混合燃烧方法，本文初步试验对比了HCII和GDBF的燃烧特性、排放特性和热效率。HCII和GDBF均具有燃烧持续期短，燃烧等容度高，热效率高的特点，同时可以大幅度降低柴油机的碳烟排放。但是，HCII的THC排放高于GDBF模式，而碳烟排放低于GDBF。此研究结果为下一步汽/柴油统一式内燃机的基本研究思路提供参考。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-12
第1章引言  12-16
  1.1 研究背景及意义  12-14
  1.2 主要研究内容及本文结构  14-16
第2章均质混合气引燃燃烧的国内外研究进展  16-34
  2.1 均质混合气引燃燃烧试验研究进展  16-29
    2.1.1 汽油均质混合气柴油引燃燃烧研究进展  16-24
    2.1.2 其他燃料均质混合气引燃燃烧研究进展  24-29
  2.2 均质混合气引燃燃烧模拟计算研究进展  29-31
  2.3 汽柴油混合燃料燃烧研究进展  31-32
  2.4 均质混合气引燃燃烧的理论和关键技术分析  32-33
    2.4.1 主要的研究结果  32-33
    2.4.2 存在的问题和难点  33
  2.5 本章小结  33-34
第3章汽油均质混合气柴油引燃（HCII）燃烧的试验研究  34-98
  3.1 均质混合气引燃低温燃烧（LT-HCII）的基本思路  34-36
  3.2 试验设备及试验方法  36-42
    3.2.1 发动机试验台架  36-38
    3.2.2 排放测量方法  38-40
    3.2.3 燃烧分析方法  40-41
    3.2.4 试验分析方法  41-42
  3.3 LT-HCII 燃烧的主要控制参数及其影响规律  42-57
    3.3.1 汽油比例对 LT-HCII 燃烧的燃烧与排放特性的影响  42-47
    3.3.2 EGR 率对 LT-HCII 燃烧的燃烧与排放特性的影响  47-52
    3.3.3 柴油喷油时刻对 LT-HCII 燃烧的燃烧与排放特性的影响  52-57
  3.4 热 EGR 降低小负荷工况 THC 排放的研究  57-61
    3.4.1 基本思路  57-58
    3.4.2 热 EGR 降低 THC 排放的效果  58-59
    3.4.3 热 EGR 改善热效率的效果  59-60
    3.4.4 热 EGR 对燃烧特性的影响  60-61
  3.5 柴油两次喷射改善小负荷工况 THC 排放的研究  61-69
    3.5.1 基本思路  61-62
    3.5.2 柴油第二次喷油时刻对燃烧特性的影响  62-63
    3.5.3 柴油第二次喷油时刻对排放和热效率的影响  63-65
    3.5.4 柴油第一次喷油时刻以及比例对燃烧特性的影响  65-66
    3.5.5 柴油第一次喷油时刻以及比例对排放和热效率的影响  66-68
    3.5.6 柴油两次喷射降低 THC 排放的效果  68-69
  3.6 HCII 两阶段燃烧的燃烧与排放特性研究  69-81
    3.6.1 HCII 燃烧模式分类  69-70
    3.6.2 两阶段燃烧的燃烧特性  70-75
    3.6.3 两阶段燃烧的排放特性  75-77
    3.6.4 两阶段燃烧的热效率  77-78
    3.6.5 HCII 不同燃烧模式讨论  78-80
    3.6.6 等压放热与等容放热比较  80-81
  3.7 HCII 两阶段燃烧的主要影响因素  81-92
    3.7.1 汽油混合气浓度的影响  82-83
    3.7.2 柴油混合气浓度的影响  83-85
    3.7.3 汽油比例的影响  85-86
    3.7.4 燃料着火特性的影响  86-87
    3.7.5 柴油喷油时刻的影响  87-88
    3.7.6 EGR 率的影响  88-91
    3.7.7 两阶段燃烧影响因素讨论  91-92
  3.8 HCII 燃烧的排放和热效率分析  92-95
    3.8.1 HCII 燃烧降低排放效果分析  92-93
    3.8.2 HCII 燃烧改善热效率效果分析  93-95
  3.9 本章小结  95-98
第4章 HCII 燃烧与混合燃料（GDBF）燃烧的对比试验  98-108
  4.1 HCII 与 GDBF 燃烧特性对比  98-101
  4.2 HCII 与 GDBF 排放特性对比  101-104
  4.3 HCII 与 GDBF 热效率对比  104
  4.4 HCII 与 GDBF 低温燃烧特性对比  104-106
  4.5 本章小结  106-108
第5章 HCII 燃烧的模拟计算与分析  108-129
  5.1 HCII 燃烧三维 CFD 模拟的数值模型  108-113
    5.1.1 喷雾模型  108-111
    5.1.2 燃烧模型  111
    5.1.3 计算网格和边界条件  111-113
    5.1.4 数值模型验证  113
  5.2 HCII 燃烧的模拟计算研究  113-120
    5.2.1 EGR 对 HCII 燃烧与排放影响的模拟计算  114-117
    5.2.2 汽油比例对 HCII 燃烧与排放影响的模拟计算  117-120
  5.3 HCII 两阶段燃烧的模拟计算  120-127
  5.4 本章小结  127-129
第6章总结与展望  129-134
  6.1 主要研究工作和结论  129-133
  6.2 主要创新点  133
  6.3 展望与建议  133-134
参考文献  134-143
致谢  143-145
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  145-146

汽油均质混合气柴油引燃低温燃烧的试验研究和模拟计算

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