中文摘要 內(nèi)燃機高效清潔燃燒技術(shù)一直是國際內(nèi)燃機界研究的熱點課題。針對未來超 低排放、甚至零排放的排放法規(guī)，人們提出了不同的內(nèi)燃機新型燃燒方式。同時， 開發(fā)新型清潔代用燃料也成為當(dāng)前各國研究的熱點。本文對甲醇代用燃料新型高 效清潔燃燒方式進(jìn)行了探索性研究，即部分甲醇合成二甲醚，實現(xiàn)二甲醚與甲醇 雙燃料方式，創(chuàng)新性地提出了采用甲醇d m e 氣道噴射雙燃料均質(zhì)壓燃( h c c i ) 燃燒方式和d m e 氣道噴射與甲醇缸內(nèi)直噴雙燃料復(fù)合燃燒方式，以在全負(fù)荷范圍 內(nèi)實現(xiàn)甲醇的高效清潔燃燒。 采用甲醇d m e 氣道噴射雙燃料h c c i 燃燒方式，能拓寬發(fā)動機運行工況范圍 到原非增壓柴油機中高負(fù)荷水平，并能保持極低的n o 。排放，但低負(fù)荷燃燒效率 和熱效率低，h c 和c o 排放高；中高負(fù)荷甲醇d m e 濃度可調(diào)范圍窄，控制難度增 大。采用e g r 后中高負(fù)荷工況的可控范圍得以拓寬，但其最大負(fù)荷范圍難以擴展。 在低負(fù)荷工況，采用純d m e 加大比例e g r 的h c c i 燃燒方案能改善熱效率；在中 高負(fù)荷工況，采用高e g r 率高d m e 比例方案可以提高熱效率，降低h c 和c 0 排放。 采用d m e 氣道噴射和甲醇缸內(nèi)直噴雙燃料復(fù)合燃燒方式，通過控制甲醇的噴 射時刻可以實現(xiàn)不同燃燒模式，不同燃燒模式表現(xiàn)出不同的燃燒特性和排放特 。性。低甲醇濃度下采用高溫擴散燃燒模式可以實現(xiàn)低負(fù)荷較高的熱效率。隨甲醇 濃度增大，高溫擴散燃燒模式出現(xiàn)的時刻提前，早噴燃燒可控范圍變窄。采用晚 噴方式，燃燒過程能得到較好的控制，高甲醇濃度大負(fù)荷下不容易出現(xiàn)爆震燃燒， 能進(jìn)一步擴展發(fā)動機負(fù)荷工況范圍。c f d 模擬表明，晚噴在燃燒室壁面附近有較 強烈的濃度分層，高溫燃燒區(qū)范同較窄，主要分布在壓縮余隙和燃燒室壁面附近。 變參數(shù)模擬研究表明，增大噴油速率可以縮短高甲醇濃度晚噴的燃燒持續(xù)期。 在不同燃燒方式研究的基礎(chǔ)上，本文提出了全負(fù)荷范圍甲醇高效清潔燃燒的 控制策略。即在低負(fù)荷工況，采用純d m e 加大比例e g r 的h c c i 燃燒或二甲醚氣 道噴射與甲醇缸內(nèi)直噴雙燃料復(fù)合燃燒的甲醇高溫擴散燃燒模式以獲得相對高 的熱效率；在中高負(fù)荷工況，采用甲醇二甲醚氣道噴射雙燃料h c c i 燃燒方式實 現(xiàn)高效低n 0 。排放的清潔燃燒；在大負(fù)荷工況，采用甲醇晚噴實現(xiàn)d 皿氣道噴射 與甲醇缸內(nèi)直噴復(fù)合燃燒方式以保證高的功率輸出。這一控制策略為甲醇燃料在 內(nèi)燃機上實現(xiàn)高效清潔利用提供了理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù)，具有一定的參考價值。 關(guān)鍵詞：甲醇，二甲醚，均質(zhì)壓燃，復(fù)合燃燒，廢氣再循環(huán) a b s t r a c t h i g he 伍c i e n c ya n dc l e a nc o m b u s t i o nt e c l l l l o l o g yo fi n t e m a l c o n l b u s t i o ne n g i n e h a sb e e nah o t s p o ti ni n t e m a t i o n a le n g i n ef i e l da l la l o n g n e we n 舀n ec o m b u s t i o n m o d e sa r ep r e s e n t e da i m i l l ga t 如t l l r eu l t r a - l o wa n de v e nz e r oe m i s s i o nr e g u l a t i o n a t t h es 甜n et i m e ，t 1 1 ed e v e l o p m e n to fn e wc l e a na l t e m a t i v em e lh a sa l s ob e c o m e sa h o t s p o to fr e s e a r c hi nm a n yc o u i l t r i e s i n l i sp 印e r ，n e wh i g h - e m c i e n c ya n dc l e a n c o i l l b u s t i o nm o d e so fa l t e m a t i v e 如e lm e t h a n o la r ee x p l o r i n g l yi n v e s t i g a t e d b a s e do n d m ea 1 1 dm e m a n o ld u a l 血e lm e t h o da c h i e v e db yd m eg e n e r a t i o n 仃o map a no f m e t h a l l o l ，塒ok i n d so fc o m b u s t i o nt y p e sa r ei n n o v a t i v e l yp r e s e n t e dt oa c h i e v eh i 曲 e 伍c i e n c va n dc l e a nc o l i 】【b u s t i o no fm e t h a n 0 1i n 如ul o a d o n ei sh c c ic o m b u s t i o no f m e t h a n o m m ed u a l 血e lp o r t詢e c t i o n ； a n o t l l e ri st h ed u a l - 如e lc o m p o u n d c o n l b u s t i o nw i t hp o r ti n i e c t i o no fd m ea n dd i r e c t 蜘e c t i o no fm e m a n 0 1 h c c ic o m b u s t i o no fm e t l l a i l o l d m ed u a l m e lp o r ti i l j e c t i o nc a ne x t e n dm e o p e m t i n gr a n g et om i d d l e - h 碘l o a dl e v e lo f 耐g i i l a ln o n - p r e s s u r i z e dd i e s e le n g i n e ， k e e p i l l gv e 巧1 0 wn o xe i l l i s s i o n s ，b u th a v i n g1 0 wc o i i 】_ b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dm e m a l e 伍c i e n c y ，h i 曲h ca n dc oe m i s s i o n sa tl o w1 0 a d i na d d i t i o n ，a d j u s 切【b l er e g i o no f m e t h a n o l d m ec o n c e n t r a t i o na tm i d d l e - h i 醇l o a di sn 躺ws on l a tc o m b u s t i o n 6 0 n 舒0 1d i 伍c u l 夠i 1 1 c r e a s e s e g rc a l le n l a 瑪et h ec o n t r o l l e dr e g i o na tm i d d l e - h 嚕h l o a d ，b u tc a n te x t e n dm a x i m u ml o a dr a i l g e a t1 0 w1 0 a d ，a d o p t i n gp u r ed m e h c c i c o i n b u s t i o nw i mh i 曲e g rr a t ec 鋤i i n p r o v em e 珊a 1e 伍c i e n c y i nm i d d l e - h i 曲l o a d ， a d o p t i 芏l gl a r g ed m ep e r c e n t a g ea n dh i 曲e g r r a t ec a ni m p r o v et h e n l l a le 婦f i c i e n c yo f h c c ia n dd e c r e a s eh ca n dc oe m i s s i o n s t bt h ed u a l 如e lc o m p o u n dc o m b u s t i o nw i t hp o r ti n j e c t i o no fd m ea n dd i r e c t i n j e c t i o no fm e t h a n o l ， v a d o u sc o n l b u s t i o nm o d e s ， w h i c h r e p r e s e n t d i f f e r e n t c o i i l _ b u s t i o nd 1 硼_ a c t e r i s t i e sa n de m i s s i o n sc h a r a c t e r i s t i c s ， c a nb ea c h i e v e db y c o n 仃0 1 1 i n gd i 丘e r e n ti n j e c t i o nt i m i n g so fm e t l l a n 0 1 h i 曲t e m p e r a t l l r ed i 瓶s i o n c o i h b u s t i o nm o d es h o u l db ea d o p t e dt 0a t t a i nr e l a t i v e l yh i g h l e m a le f f i c i e n c yu n d e r l o wm e t h a n o lc o n c e m r a t i o na i l dl o w1 0 a d w i t l lt h ei n c r e a s eo fm e t h a n 0 1 c o n c e n t r a t i o n ， n l ec r a l l ka n g l ec o r r e s p o n d i n gt oh i 曲t e m p er a l 嘰e d i 丘- u s i o n c o m b u s t i o nm o d ea d v a n c e s ，a n dc o i l l _ b u s t i o nc o n t r o l l e dr e g i o no fe a r l yi 瑪e c t i o n b e c o m e sn a i l r o w e r b ya d o p t i n gl a t ei i 巧e c t i o n ， c o n i b u s t i o np r o c e s s c a nb ew e u c o n t r o l l e d ，k n o c k i n gc o m b u s t i o nc a nb ea v o i d e du n d e rh i g hm e t h a n 0 1c o n c e n 仃a t i o n a n dl a 略el o a d ，a n ds oe n g i n el o a dr a n g ec a l lb e 如n h e re x t e n d e d c f ds i 枷l a t i o n s h o w st h a t ，f o rl a t ei n j e c t i o nc a s e ，t h e r ei si n t e n s i v ec o n c e n t m t i o ns t r a t i f i e dn e a r c o i l l _ b u s t i o nc h a 玎曲e rw a l l a n dh i g ht e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n r e g i o n ， w h i c hi s r e l a t i v e l yn a r r o w ， i sd i s t r i b u t e di n c o m p r e s s i o nc l e a r a n c e趾dn e a rc o m b u s t i o n c h a r i i b e rw a l l m o d e l i n gs t u d yo fv a r i e dp a r a m e t e r si n d i c a t e sn l a tf a s t e r 蝎e c t i o nr a t e c a ns h o n e nc o m b u s t i o nd l l r a t i o nu 1 1 d e rh i g hm e t l l a n o lc o n c e n 仃a t i o nf o rl a t ei n je c t i o n b a s e do n l ea b o v es t u d 弘廿1 i sp 印e rp r e s e n t sac o n 仃o ls 仃a t e g yf o rh i g h e 伍c i e n c ya n dc l e a nc 伽曲u s t i o no fe n g i n e 缸e l e dw i t hm e t h a l l o l i nm l ll o a d a tl o w l o a d ，p u r ed m eh c c ic o m b u s t i o nw i lh i g he g r r a t eo r1 1 i g ht e m p e r a t u r ed i f m s i o n c o m b u s t i o nm o d eo fm e m a n o ls h o u l db ea d o p t e dt oa t t a i l lr e l a t i v e l yh i g ht h e m a l e m c i e n c y 1 1 1m i d d l e - h i 曲l o a d ，h c c ic o m b u s t i o no fm e t h a n 0 1 d m ed u a l 一m e lp o r t 蜘e c t i o ns h o u l db ea d o p t e dt oa c h i e v ec l e a nc o n l b u s t i o nw i t hh i 曲e m c i e n c ya i l dl o w n o xe m i s s i o n s a th i 曲l o a d ，m ed u a l m e lc o m p o u n dc o m b u s t i o nw i t hp o ni n j e c t i o n o fd m ea i l di 1 1 - c y l i n d e rd i r e c t 蜘e c t i o no fm e t h a n o la c h i e v e db yl a t e 岫e c t i o ns h o u l d b ea d o p t e dt oe n s u r eh i g hp o w e ro m p u t t h i sc o n t r o ls 仃a t e g y ，w h i c h p r o v i d e s t 1 1 e o r e t i c a la n de x p e f i m e n t a lb a i sf o rh i 曲一e 伍c i e n c ya n dc l e a l lu t i l i z a t i o no f m e 也a n o li l le n g i n e ，h a sau s e 如lr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：m e m a n o l ，d i m e t h y le t h e r ，h o m o g e n e o u sc h a r g ec o n l p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) ，c o m p o u n dc o 1 b u s t i o n ，e ) 【1 l a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g r ) 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤奎盤堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：話緲 簽字日期：矽唧年8 月舌日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解鑫鲞盤鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)盤鲞盤鱟可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：節(jié)學(xué)緲 簽字日期：扣7 年g 月善日 導(dǎo)師簽名： 簽字目期： 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 自從n a0 t t o 和r d i e s e l 提出了奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)，奠定了內(nèi)燃機的 理論基礎(chǔ)，內(nèi)燃機走進(jìn)了人們的生活，在其誕生一百多年來，在動力性、經(jīng)濟性、 可靠性等主要使用性能上，已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。目前世界上正在運行的內(nèi)燃 機已達(dá)幾十億臺，它廣泛應(yīng)用于車輛、工程機械、電站、鐵路、輪船、飛機以及 其他各種用途，內(nèi)燃機具有許多其他原動力無法比擬的優(yōu)點。近幾年，國內(nèi)外許 多學(xué)者對內(nèi)燃機未來的發(fā)展前景展開了論證，指出在今后的相當(dāng)長的時問內(nèi)，至 少2 l 世紀(jì)前半葉，石油( 柴油，汽油) 作為主要交通能源的地位不會改變，內(nèi)燃 機仍將是最清潔，最經(jīng)濟，最主要的原動機，未來將保持快速增長的勢頭。 然而，隨著內(nèi)燃機數(shù)量的快速增長，它對能源和環(huán)境的“副作用”也日益突 出。一方面，自1 9 7 3 年以來多次發(fā)生石油危機，人類可利用的石油資源日趨減 少，2 0 0 4 年世界能源統(tǒng)計年鑒公示 1 】：過去1 0 0 年，全球共耗費1 4 2 0 億噸 石油、7 8 萬億m 3 天然氣、2 6 5 0 億噸煤。目前已探明世界石油儲量1 5 0 0 1 6 0 0 億噸，按年產(chǎn)3 3 億噸計算，到2 0 5 0 年殆盡【】。我國自1 9 9 3 年起成為石油凈進(jìn) 口國，2 0 0 4 年進(jìn)口石油占石油消費的比例為4 8 ，隨著我國對石油需求的逐年 增長，預(yù)計到2 0 2 0 年進(jìn)口石油比例可能達(dá)到5 5 一6 0 【l ，3 ，4 j 。另外，從石油消 費結(jié)構(gòu)看，2 0 0 0 年中國機動車燃油消耗量約占石油消費總量的1 3 左右，預(yù)計 2 0 1 0 年將達(dá)到4 3 ，2 0 2 0 年達(dá)到5 7 【4 j o 能源的大量進(jìn)口不僅需要大量的外匯， 影響國家的正常收支平衡，嚴(yán)重時影響到國家安全乃至全球的戰(zhàn)略穩(wěn)定性。另一 方面，由于2 0 世紀(jì)石油的開發(fā)以及內(nèi)燃機迅速廣泛的應(yīng)用，大氣環(huán)境的污染問 題日趨嚴(yán)重。在大氣污染中，內(nèi)燃機排出的污染物n o x 、h c 、c 0 及微粒污染物 對人體和動植物造成了相當(dāng)大的危害。國外的研究表吲5 1 ，在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家 的大中城市空氣污染中，大約4 l 的n o ) ( 、2 8 的h c 、和5 4 的c o 均來自內(nèi)燃 機排出的污染物。在我國北京、上海、廣州等城市，約8 0 的c o 來自汽車源的 排放，n 0 x 中也有4 1 左右來自于汽車源【6 】。我國大城市的汽車年增長率平均以 2 0 的速度遞增，大城市增長率為3 0 4 0 左右。2 0 0 0 年全國汽車保有量為2 0 0 0 萬輛，年排放污染物c 0 為1 4 1 2 萬噸，h c 為6 5 0 萬噸，n 0 x 為1 1 9 萬噸，據(jù)國家 信息中心預(yù)測，2 0 1 0 年，我國汽車保有量可達(dá)4 5 0 0 5 0 0 0 萬輛，c 0 排放量達(dá) 第一章緒論 2 4 7 0 萬噸，h c 排放量9 3 0 萬噸，n o x 排放量2 2 8 萬噸n 快速增k 的汽車數(shù)量帶 來的大氣污染是相當(dāng)嚴(yán)重的。 從節(jié)能和環(huán)保兩方面的嚴(yán)峻形勢可以看出，提高內(nèi)燃機的燃料利用率，降低 有害物質(zhì)排放，開發(fā)替代燃料，是節(jié)約石油資源，緩解能源壓力，確保國家能源 安全和保護(hù)環(huán)境的大事，是我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要需求。 1 2 內(nèi)燃機新型燃燒方式的研究與發(fā)展 為了突破傳統(tǒng)柴油機和汽油機燃燒方式 所決定的排放極限和燃料利用率極限，探索 石油及其替代燃料高效清潔的燃燒過程，今 年來國內(nèi)外，“泛開展了內(nèi)燃機新型燃燒方 式的研究。在大量基礎(chǔ)燃燒學(xué)研究工作基礎(chǔ) 上，人們發(fā)現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的發(fā)動機其缸內(nèi)當(dāng) 量比與溫度關(guān)系的“$ 一t ”發(fā)展歷程如圖 1 1 所示口】，圖中表明傳統(tǒng)柴油機的非均質(zhì) 噴霧燃燒，在燃燒過程中，其當(dāng)量比與溫度 變化歷程穿過碳煙和n o 。的生成區(qū)域，因此 導(dǎo)致燃燒過程中產(chǎn)牛大量的碳煙和n o 。排放。 一】。1 - 圖卜l 柴汕機燃燒0t 歷程剛 要突破傳統(tǒng)柴油機有害排放極限就 必須改變?nèi)紵^程中缸內(nèi)混合氣濃度與溫度的變化歷程，依據(jù)這一思想，人們提 出了不同的燃燒方式，其中最典型的是均質(zhì)混合氣壓縮著火( h c c i ) 燃燒方式、 預(yù)混充量壓縮著火( p c c i ) 燃燒方式、分層充量壓縮著火( s c c i ) 燃燒方式和低 溫燃燒( l t c ) 方式。 1 2 1 均質(zhì)混合氣壓縮著火( h c c i ) 燃燒方式 均質(zhì)混合氣壓縮著火( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o nl g n i t i o n ，h c c i ) 燃燒也稱為可控自動著火( c o n t r o l l e da u t oi g n i t i o n ，c a i ) 燃燒，指的是大 量燃料和稀釋物( 空氣和再循環(huán)廢氣等) 在進(jìn)氣過程中預(yù)先混合成均質(zhì)混合氣， 當(dāng)活塞壓縮到上止點附近時均質(zhì)混合氣自燃著火的一種燃燒過程。其基本特征是 均質(zhì)、壓燃和低溫火焰燃燒。由于h c c i 燃燒沒有火焰?zhèn)鞑?，均質(zhì)混合物在氣缸 內(nèi)幾乎是同時著火燃燒，因此火焰燃燒速度非?？?。為了限制燃燒速度，必須使 用非常稀的混合物和或者使用較高的廢氣再循環(huán)( e g r ) 率。 h c c i 燃燒方式綜合了傳統(tǒng)火花點燃式燃燒方式均質(zhì)燃燒和傳統(tǒng)壓燃式燃燒 第一章緒論 方式壓縮自燃的優(yōu)點，能在產(chǎn)生非常低的氮氧化物和微粒排放的同時發(fā)出與較高， 的熱效率【9 ，1 0 ，1 1 】。同傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機相比，h c c i 是均質(zhì)混合氣壓縮燃燒，沒有 擴散燃燒，因此大大降低了微粒排放；與傳統(tǒng)的點燃式發(fā)動機相比，h c c i 是壓 燃著火，沒有節(jié)流損失，泵吸功明顯減少，且可以采用較大的壓縮比，因此具有 較高的熱效率；并且，h c c i 與傳統(tǒng)的壓燃和點燃式發(fā)動機的燃燒不同，其燃燒 過程在整個氣缸容積內(nèi)幾乎同時發(fā)生，燃燒持續(xù)期短，沒有火焰鋒面，燃燒溫度 較低，從而大大降低了n o 。的排放。h c c i 的另一個優(yōu)點就是它的燃料靈活性，它 能使用包括汽油、柴油、天然氣1 2 。16 1 、液化石油氣( l p g ) 【1 7 】、甲醇【1 8 - 2 5 1 、乙醇【2 4 掰】、 二甲醚【2 2 ，2 3 ，2 8 ，2 9 ，3 0 1 以及混合燃料【3 1 3 2 1 等多種燃料。 關(guān)于h c c i 發(fā)動機的研究絕大多數(shù)還是停留在理論研究階段，離真正實現(xiàn)商 業(yè)化h c c i 發(fā)動機還有較大距離。雖然日產(chǎn)公司、i p f 公司、豐田公司等公司相 繼宣布開發(fā)出了基于h c c i 技術(shù)的發(fā)動機，但從已有的幾款發(fā)動機來看，其運行 范同極其有限，還不能覆蓋汽車全部工況范圍。h c c i 發(fā)動機實用化主要受兩個 因素限制：( 1 ) h c c i 著火時刻難以直接控制。研究表明【9 ，3 3 ，3 4 ，3 5 ，3 6 1 ，h c c 工的燃燒 過程受化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)所控制。當(dāng)氣缸內(nèi)的混合物受壓縮時，其溫度和壓力的變 化歷程，以及氧的濃度、不同燃料成分和燃燒產(chǎn)物，決定了燃燒的開始。因此， h c c i 燃燒開始時刻只能通過空燃比、進(jìn)氣溫度、壓縮比、剩余氣和e g r 來間接 控制，而不能象c i 發(fā)動機通過燃油的噴射來控制和s 1 1 發(fā)動機通過火花點火來控 制；( 2 ) 如何將運行工況范圍向高負(fù)荷和低負(fù)荷擴展。h c c i 發(fā)動機采用的是均 勻混合物壓縮著火，在高負(fù)荷下較濃的混合氣導(dǎo)致燃燒速度和強度難以控制，燃 燒噪聲過大，易導(dǎo)致發(fā)動機損壞，同時n o 。排放也會急劇增加；另一方面，對于 高辛烷值燃料在低負(fù)荷工況下的“失火，限制了h c c i 向低負(fù)荷或怠速工況下擴 展。為了解決以上兩個難題，實現(xiàn)h c c i 的有效控制，h c c i 技術(shù)發(fā)展至今，呈現(xiàn) 出多樣化的局面，根據(jù)不同的機型，所用燃料不同，所采用的技術(shù)手段也因此多 種多樣。下面主要介紹利用汽油和柴油實現(xiàn)h c c i 燃燒過程中的主要技術(shù)特點及 研究現(xiàn)狀。 一、以汽油為燃料的h c ci 發(fā)動機技術(shù)發(fā)展 h c c i 概念最早被提出是基于二沖程汽油機的試驗研究。汽油本身易揮發(fā)形 成均質(zhì)混合氣，不易自燃，在汽油h c c i 燃燒中，混合氣一旦發(fā)生自燃，為缸內(nèi) 多點著火，無火焰?zhèn)鞑ッ鎚 3 8 1 。與傳統(tǒng)汽油機相比，以汽油為燃料的h c c 工發(fā)動 機的潛在優(yōu)勢包括： 在h c c i 運行工況，負(fù)荷調(diào)節(jié)不再依靠節(jié)氣門控制，減少了泵吸損失； 燃燒溫度降低，傳熱損失減少，指示效率提高； 第一章緒論 均質(zhì)、低溫燃燒，n o 。排放可大幅度降低。 由于燃料本身的特性及燃燒特征，不采用任何技術(shù)措施，汽油h c c i 燃燒過 程很難實現(xiàn)，上面所提的優(yōu)勢也很難成為現(xiàn)實。 1 、汽油h c c l 燃燒過程的控制 實現(xiàn)以汽油為燃料的，h c c 工燃燒過程的關(guān)鍵問題是，控制進(jìn)氣充量在壓縮終 了的溫度超過預(yù)混合氣的自燃溫度使其自燃著火，同時還要采取技術(shù)措施來自燃 后的燃燒速度，不至于產(chǎn)生對發(fā)動機有損害的粗暴燃燒和爆震。對于四沖程的汽 油燃料發(fā)動機，觸發(fā)燃料自燃著火，主要有直接加熱進(jìn)氣、提高發(fā)動機壓縮比、 廢氣再循環(huán)等方法，下面對這幾種方法進(jìn)行簡單介紹： ( 1 ) 進(jìn)氣加熱 四沖程汽油機燃燒始點與進(jìn)氣門關(guān)閉時缸內(nèi)溫度壓力密切相關(guān)。n a j t 掣 j 在單缸汽油試驗機上研究了進(jìn)氣溫度對自燃著火始點的影響，結(jié)果表明自燃著火 始點對進(jìn)氣溫度很敏感。提高混合氣溫度是引發(fā)自燃實現(xiàn)汽油h c c 工燃燒過程的 最直接的途徑。進(jìn)氣溫度控制是h c c i 燃燒過程控制的一個重要措施。但從實用 化的角度出發(fā)，不能使用額外的進(jìn)氣加熱源。比較有效的方法是利用熱交換器來 吸收發(fā)動機冷卻液或廢氣能量。但是采用能量回收來加熱進(jìn)氣也有局限性。發(fā)動 機冷卻液和排氣的最高溫度是有限度的，因此進(jìn)氣被加熱的程度也有限制，從而 液限制了h c c i 運行工況的范圍。特別是在起動和怠速工況，回收能量過低無法 滿足h c c i 運行的要求。 ( 2 ) 提高壓縮比 提高壓縮比有利于在怠速及低負(fù)荷工況觸發(fā)混合氣自燃，實現(xiàn)汽油h c c i 燃 燒。但是，有兩方面的原因限制壓縮比的提高。第一，目前汽油h c c i 燃燒過程 只能在部分負(fù)荷工況實現(xiàn)，在發(fā)動機高負(fù)荷仍然要依靠火花點火燃燒方式。顯然， 在高負(fù)荷過高的壓縮比，將導(dǎo)致火花點火燃燒工況發(fā)生嚴(yán)重的爆震。第二，提高 壓縮比也會對較高負(fù)荷的h c c i 燃燒工況產(chǎn)生不利的影響，導(dǎo)致早燃和燃燒噪聲 增加，限制了h c c i 燃燒運行工況范圍的上限。n a j t 和f o s t e r 【 j 采用異辛烷和正 庚烷組成的混合燃料研究了壓縮比對h c c i 燃燒過程的影響。他們得出結(jié)論，在 較低的壓縮比下，能夠獲得自燃著火和柔和的放熱過程之間的最佳折衷。 t h r i n g 【4 0 】也得出了類似的結(jié)論，相對較低的壓縮比更有利于h c c i 的平穩(wěn)運行。 根據(jù)以上分析，汽油h c c i 發(fā)動機壓縮比的選擇應(yīng)首先考慮汽油機滿負(fù)荷工況的 運行要求，至于怠速以及低負(fù)荷工況，還需采取其它更加實用的措施。 ( 3 ) 廢氣再循環(huán) 改變混合氣中廢氣百分比，利用廢氣的熱量加熱進(jìn)氣，不僅能夠起到調(diào)整混 第一章緒論 合氣物化特性的作用，同時能夠控制發(fā)動機負(fù)荷，也是實現(xiàn)汽油機h c c i 燃燒和 燃燒控制的有效手段。近年來日益發(fā)展的可變氣門控制技術(shù)為這一汽油機h c c i 燃燒策略的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。通過改變氣門定時可以控制內(nèi)部殘余廢氣再循 環(huán)的比例( 殘余廢氣率) ，從而控制進(jìn)氣量、混合氣溫度以及工質(zhì)成分等參數(shù)， 以達(dá)到控制混合氣著火時刻和燃燒速度的目的。根據(jù)氣門控制策略和殘余廢氣供 給方式的不同，可以分為兩種：內(nèi)部廢氣再循環(huán)和廢氣重新進(jìn)入缸內(nèi)。 內(nèi)部廢氣再循環(huán)策略 廢氣再壓縮策略是利用負(fù)氣門重疊恙蘭 _ _ 汗i 1 角將熱廢氣留在缸內(nèi)，用于加熱冷的新 1，一e 1，7 、| 鮮充量，壓縮混合氣至壓縮上止點附近喜l 。、e 1 、， l 達(dá)到自燃著火溫度，引起自燃。這種方i負(fù)氣門重i j ：怒慧j | 法是比較常規(guī)的方法，操作簡單，只需 l 八十牡) 八、_ 要使用小的氣門升程和持續(xù)期即可實現(xiàn)- i 犁- _ 一 負(fù)氣門重疊雹：，如圖卜2 要雯。圖磊門重疊角 w i l l a n d 等人第一次利用負(fù)氣門 重疊角的辦法實現(xiàn)了h c c i 燃燒，他們通過減少氣門開啟持續(xù)期的方法，留住了 4 0 以上的殘余廢氣，實現(xiàn)了h c c i 燃燒。k o n t a r a k i s 【4 2 】等人在一臺單缸四沖程 汽油機上取消了節(jié)氣門，減小有效氣門升程和持續(xù)期，在轉(zhuǎn)速從1 3 0 0r m i n 2 0 0 0r m i n ，過量空氣系數(shù)入從o 9 5 1 1 的范圍內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的h c c i 燃燒。 試驗?zāi)軌蛉〉玫钠骄甘緣毫? i m e p ) 大約為o 2 5 _ 0 3 6 肝a ，燃油經(jīng)濟性得 到了改善。試驗同時發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)穩(wěn)定h c c i 燃燒的空燃比范圍相對狹窄。 廢氣再吸入策略 廢氣重吸策略是將排出去的廢氣重新吸入氣缸內(nèi)，主要有兩種實現(xiàn)方法： i ) 排氣門在進(jìn)氣過程中打開，將排出的廢氣重新吸入缸內(nèi)； i i ) 進(jìn)氣門在排氣過程打開，一部分廢氣進(jìn)入進(jìn)氣道，在進(jìn)氣過程再次吸入。 k a a h a a i n a 【4 3 】等人利用電液氣門執(zhí)行機構(gòu)，在整個排氣和進(jìn)氣沖程中均保持 排氣門開啟，將排出的廢氣在進(jìn)氣過程中重新吸回，從而實現(xiàn)h c c i 燃燒，但試 驗得到的i m e p 大約只是s i 原機的3 0 5 5 。w o l t e r s 等人【4 4 悃完全可變氣 門機構(gòu)( e l e c t r 0 1 i l e c h a n i c a lf u l l yv a r i a b l ev a l v et r a i n ) 比較了廢氣再壓 縮和廢氣重吸這兩種方法對h c c i 燃燒過程的影響。結(jié)果表明，采用內(nèi)部廢氣再 循環(huán)策略時，缸內(nèi)混合氣溫度更高，濃度分層更明顯，著火時刻更早，放熱速度 更快，壓力峰值更高，但發(fā)動機負(fù)荷比廢氣重吸策略稍小，發(fā)動機負(fù)荷i m e p 最 大相差0 1 5 船a 。雖然這兩種廢氣控制策略都能實現(xiàn)h c c i 燃燒，但從實際使用 來看，廢氣再壓縮技術(shù)更容易在現(xiàn)有發(fā)動機上實現(xiàn)。 第一章緒論 對比廢氣的重吸入和廢氣的重壓縮這兩種控制策略，研究m j 發(fā)現(xiàn)這兩種控制 策略對缸內(nèi)的壓力和燃燒過程的影響沒有明顯的區(qū)別。但廢氣的重吸入方案的兩 種方法要依靠完全柔性的氣門定時控制才能實現(xiàn)，增大氣門重疊角則需要在活塞 頂面開出更深的氣門坑。不論采用哪種控制策略，在怠速以及低負(fù)荷工況，由于 排溫低廢氣所含熱量少，相對散熱損失高，汽油h c c i 很難實現(xiàn)。 已燃廢氣所起的稀釋作用主要體現(xiàn)在幾個方面：熱作用，提高預(yù)混合氣溫度； 稀釋作用，降低氧濃度；比熱作用，提高預(yù)混合氣的比熱；化學(xué)作用，廢氣中所 含活化機參與燃燒反應(yīng)；分層作用，缸內(nèi)形成不同燃油濃度的分層。 英國b r u n e l 大學(xué)的趙華教授等人【4 5 】在一臺四沖程發(fā)動機上進(jìn)行了汽油、辛 烷值為9 5 的基準(zhǔn)燃料、甲醇和乙醇的h c c i ( 或者c a i ) 研究。結(jié)果表明，甲醇和 乙醇等含氧燃料可以使用更高比例的e g r 率，h c c i 運行工況范同更大。另外， 他們還利用基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的模擬計算和實驗研究了已燃廢氣對汽油燃料 h c c i 燃燒過程所起的作用【4 6 】。預(yù)混合氣中加入已燃廢氣后與單純的進(jìn)氣加熱相 比，自燃著火始點推遲，燃燒持續(xù)期延長。他們的研究結(jié)果還表明，已燃廢氣對 h c c i 自燃著火過程的影響主要是熱作用。稀釋作用和化學(xué)作用對自燃著火過程 沒有影響。 ( 4 ) 汽油噴射方式對h c c i 燃燒過程的控制 汽油噴射方式包括氣口燃油噴射和汽油缸內(nèi)直接噴射方式。利用氣口燃油噴 射( p f i ) 可以形成均勻的預(yù)混合氣，并且很多研究者利用p f i 成功實現(xiàn)了汽油 燃料h c c i 燃燒。但是采用p f i 噴射方式與缸內(nèi)直接噴射方式相比，很難實現(xiàn)對 h c c i 燃燒過程的直接控制。 m a r r i o t t 等人【4 7 ，4 8 】利用缸內(nèi)直接噴射的定時來控制h c c i 燃燒過程的排放。 較早的噴射可以獲得均勻的預(yù)混合氣，n o 。排放極低，但是h c 排放很高。推遲噴 射h c 排放降低，但是n 0 。和微粒排放增加。通過對噴油定時的優(yōu)化可以獲得三種 污染物排放的最佳折衷。而w i l l a n d f 4 9 】和h i r a y a 【5 0 】等人通過缸內(nèi)直噴定時的控 制與廢氣重壓縮策略相結(jié)合，可以直接對汽油h c c i 燃燒相位進(jìn)行控制。 近年來，利用缸內(nèi)直噴作為著火時刻控制的方式得到了越來越多的關(guān)注【5 。 2 0 0 6 年德國b o s c h 公司在缸內(nèi)直噴汽油機上通過噴射時刻來控制缸內(nèi)溫度和 h c c i 燃燒相位【5 2 】。英國b r u n e l 大學(xué)利用平面激光誘導(dǎo)受激態(tài)熒光( p l i e f ) 可 視化方法【5 3 】解析缸內(nèi)直噴噴油時刻影響h c c i 燃燒過程，結(jié)果表明，早噴( 在進(jìn) 氣沖程噴射) 能產(chǎn)生均質(zhì)的混合氣，晚噴( 在壓縮沖程7 0 。c ab t d c 噴射) 在壓 縮終點產(chǎn)生明顯的分層。他們進(jìn)行噴射時刻影響的試驗研究結(jié)果表明，噴射時刻 對c a i 燃燒有重要的影響。清華大學(xué)利用負(fù)閥重疊和缸內(nèi)分段噴射控制h c c i 著 火時刻 5 4 1 。以上研究均發(fā)現(xiàn)噴油策略是實現(xiàn)h c c i 著火控制的有效方法( 如圖 第一章緒論 卜3 ) ：在進(jìn)氣行程中噴油( 厶夕，實現(xiàn)均質(zhì)混合氣壓燃，在壓縮形成中噴油( 厶土 實現(xiàn)分層混合氣壓燃( s c c i ) 。s c c i 有助于控制著火時刻，拓展高負(fù)荷，減少h c 排放；在負(fù)閥重疊期間噴油( 厶) ，汽油會迅速蒸發(fā)并被氧化改質(zhì)，形成帶活性 基的混合氣壓燃，有助于提高燃燒穩(wěn)定性，拓寬低負(fù)荷。通過組合以上三種噴油 策略，可以有效控制h c c i 燃燒。、 x _ 、g 簽讎：h 鰳g e l i m i a 、 、 一、k ? j m l s f i r e i i m l l一d 5 0 015 | d 02 s 0 03 5 0 0 e n g j n es p e e d ( r p m l 圖卜3 缸內(nèi)直噴汽油機h c c i 燃燒的噴油策略川 圖卜4c a i 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍 5 5 】 2 、汽油h c c i 發(fā)動機運行工況范圍 目前，汽油燃料發(fā)動機能夠在中等負(fù)荷和中等轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)h c c i 運行，在高 負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速仍然需要切換到火花點火燃燒模式。就h c c i 工況來說，能夠?qū)崿F(xiàn) 極低的n m 排放，燃油經(jīng)濟性也得到改善。文獻(xiàn) 5 5 】采用可變凸輪正時( v c t ) 系 統(tǒng)獲得了足夠的缸內(nèi)剩余廢氣來實現(xiàn)c a i 燃燒，平均有效壓力范圍在0 0 5 肝a 到 0 4 仲a ，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 0 0 0 到3 5 0 0 r m i n 之間，如圖卜4 所示。在相同轉(zhuǎn)速和 負(fù)荷下c a i 燃燒與采用標(biāo)準(zhǔn)凸輪軸的原汽油機相比，有效燃油消耗減少了3 0 ， 在低負(fù)荷n 0 。排放降低了9 9 。文獻(xiàn)【5 6 】研究了1 7 升發(fā)動機汽油h c c i 燃燒過程 在歐洲n e d c 測試循環(huán)中，改善n o 。和燃油經(jīng)濟性的潛力。為了能夠使用三元催化 裝置，在整個測試循環(huán)空燃比被固定為1 。結(jié)果表明，在h c c i 工況，n o x 排放與 原機相比減少9 9 。但是當(dāng)冷卻液溫度低于6 0 時，無法實現(xiàn)h c c i 燃燒。在 n e d c 循環(huán)的前2 6 4 秒無法采用h c c i 燃燒。 采用增壓技術(shù)能明顯提高汽油h c c i 發(fā)動機運行工況范圍。英國j a g u a r 公司 利用汽油增壓實現(xiàn)h c c i 燃燒，不僅使h c c i 的運行范圍大大拓寬，i m e p 達(dá)到 0 7 卿a 以上，而且n 0 。排放降低到l o 。6 1 5 7 j 。 3 、燃燒模式切換 汽油h c c i 發(fā)動機產(chǎn)品化，必須解決s i h c c i 燃燒模式切換的問題。盡管燃 燒模式切換的思路在幾年前就已提出，但目前在發(fā)動機上并未完全實現(xiàn)。美國 o a kr i d g e 國家實驗室利用火花點火輔助實現(xiàn)s i h c c i 燃燒模式切換，切換過程 5 4 5 3 5 2 5 1 5 0 4 3 2 1 o 第一章緒論 中爆燃和失火交替發(fā)生【5 8 】。清華大學(xué)通過改變s i 模式正常的氣門重疊到h c c i 模式負(fù)氣門重疊的凸輪型線，在一個發(fā)動機循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)了s i 和h c c i 之間的模式 切換，整個過程平穩(wěn)、快速、可靠，并且沒有敲缸和失火等不正常燃燒出現(xiàn)【5 9 1 。 天津大學(xué)采用能獨立控制進(jìn)排氣門升程和正時的4 v v a s ( 4v a r i a b l ev a l v e a c t u a t i n gs y s t e m ) 系統(tǒng)研究了h c c i 運行邊界上h c c i 和s i 間模式轉(zhuǎn)換的動態(tài) 控制策略，研究結(jié)果表明通過采用4 w a s 系統(tǒng)對缸內(nèi)剩余氣快速有效地控制可以 實現(xiàn)h c c i 和s i 之間模式轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定的動態(tài)控制【6 0 j 。 二、以柴油為燃料的h c ci 發(fā)動機技術(shù)發(fā)展 柴油h c c i 燃燒過程的研究始于上世紀(jì)9 0 年代中期【6 1 1 ，以柴油為燃料的h c c i 發(fā)動機的開發(fā)逐漸受到重視。由于柴油粘度大，揮發(fā)性差，形成均質(zhì)混合氣困難， 因此柴油機實現(xiàn)h c c i 燃燒過程更加困難，其關(guān)鍵問題是如何快速制備均質(zhì)混合 氣以及如何向大負(fù)荷工況擴展。目前趨向于稱柴油h c c i 為p c c i ( p r e m i x e dc h a r g e c o m p r e s s i o ni g n i t i o n ，預(yù)混充量壓縮著火) 【5 1 】。p c c i 燃空比向濃區(qū)擴展，即 使存在一定程度的非均質(zhì)混合氣濃度分布，只要控制預(yù)混混合氣燃燒溫度在 2 0 0 0 k 以下，即可實現(xiàn)超低n 0 。和微粒排放【6 引。 以柴油為燃料的h c c i 燃燒可以根據(jù)混合氣形成技術(shù)主要分成三類： 1 ) 缸外預(yù)混h c c i ，即柴油在進(jìn)氣門前噴入進(jìn)氣管內(nèi)，與空氣混合形成預(yù)混 合氣，在進(jìn)氣沖程進(jìn)入氣缸內(nèi)。 2 ) 缸內(nèi)早噴h c c i ，即在壓縮沖程早期，柴油被噴入氣缸，隨活塞上行逐步 與空氣混合，直至發(fā)生自燃著火。 3 ) 缸內(nèi)晚噴h c c i ，即在壓縮上止點后開始噴油，并結(jié)合提高燃油噴射壓力 和進(jìn)氣渦流，提高柴油與空氣的混合速率，以及高e g r 率，延長滯燃期，保證在 滯燃期內(nèi)完成噴射形成混合氣。 1 、缸外預(yù)混合柴油h c c i 柴油在進(jìn)氣過程噴入進(jìn)氣管和空氣混合的方式，與傳統(tǒng)的氣口噴射汽油機類 似，是獲得均質(zhì)混合氣的最直接方法，也是最容易實現(xiàn)的方法。早期從事柴油 h c c i 燃燒過程研究的工作者大多采用這種方法。 r y a n 等人【6 3 】進(jìn)行了早期柴油燃料h c c i 燃燒過程的研究工作。他們采用一 個氣口噴射式汽油機的噴油器在進(jìn)氣道噴射柴油，為了保證燃油的充分霧化蒸 發(fā)，在進(jìn)氣道上游采用了進(jìn)氣加熱裝置。實驗中他們采用了可變壓縮比發(fā)動機， 并帶有廢氣再循環(huán)( e g r ) 裝置，壓縮比調(diào)節(jié)范圍從7 5 到1 7 ，且進(jìn)氣溫度和空 燃比可調(diào)。實驗結(jié)果顯示，1 ) 柴油h c c i 發(fā)動機運行主要依賴于e g r 率、壓縮比 和空燃比；2 ) 當(dāng)e g r 率為5 0 、空燃比為理論當(dāng)量比時，柴油h c c i 發(fā)動機能 第一章緒論 獲得較大的輸出功率，同時碳煙排放幾乎為零；3 ) 在e g r 率為4 0 5 0 ，發(fā)動 機壓縮比降低到8 ：1 ，進(jìn)氣溫度在1 2 5 1 7 5 0c 范圍內(nèi)，發(fā)動機在當(dāng)量比幾5 1 o 范圍內(nèi)能獲得低排放h c c i 燃燒過程。 g r a y 等人【刪在與r y a n 同樣的實驗發(fā)動機上進(jìn)行了柴油h c c i 燃燒過程的研 究，并研究了頂部表面涂有陶瓷的活塞對h c c i 燃燒的影響。實驗表明盡管改動 很小，但是活塞表面有陶瓷涂層的發(fā)動機h c c i 燃燒運行的工況范圍更大，燃油 經(jīng)濟性也得到一定的改善。g r a y 等人進(jìn)行的實驗研究發(fā)現(xiàn)，一是若采用正常的 柴油機壓縮比，會發(fā)生過早的爆震燃燒。在壓縮比為8 1 3 ：1 的范圍內(nèi)，能否獲 得的h c c