2.0TCI高速直喷柴油机混合气形成及燃烧过程控制

论文摘要

随着世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，人们对于发动机在节约能源和控制污染物排放方面的要求日趋严格。柴油机因具有良好的经济性、动力性和可靠性，以及较高的热效率和较低的CO、HC排放而逐渐被广泛应用，轿车柴油机化也是未来汽车行业的发展趋势。由于柴油机高的颗粒物（PM）和NOx排放对环境造成了一定程度的污染，因此世界各国在大量采用柴油机的同时相继制定了越来越严格的排放法规，迫使对柴油机采取更为先进的控制技术来控制污染物的生成。柴油机特有的燃烧方式所决定的特殊的放热规律是缸内燃油燃烧的根本体现，其直接影响柴油机的动力性、经济性和排放特性。所以内燃机要实现高效率低排放，最根本的有效途径是控制燃烧放热规律。而燃烧放热规律主要受到缸内气流运动特性与喷雾特性两方面的影响，所以两者的优化匹配是控制柴油机燃烧放热规律的主要目标。为此，本文提出了以目标放热规律为控制目标的柴油机燃烧过程的控制方法，并结合燃油喷雾与燃烧室内气流运动的匹配关系，通过对缸内混合气浓度场分布和放热规律的控制，探索实现目标放热规律的有效途径，以达到高效低排放的燃烧过程。不同燃烧室结构形状及其参数，决定了燃烧室内特有的气流特性及其燃烧规律。如何评价分析燃烧室内的气流特性，对正确把握燃烧室内微观的两相流场特性对混合气形成和燃烧过程以及目标放热规律影响的研究具有重要的意义。对于缩口直喷型燃烧室，因为喷雾夹角、喷射压力、缩口处形状、凸台形状等因素的不同，单纯的用喷射提前角的概念不能直观的描述喷雾与燃烧室形状的匹配，因此提出了喷雾与燃烧室形状相关联的喷雾匹配角参数。所以，论文首先根据燃烧室结构的评价方法对不同燃烧室形状对气流运动特性的影响进行了分析，由此设计确定了一种燃烧室结构形状，然后根据喷雾匹配角定义涉及的关键参数，来分析喷雾匹配角变化对燃烧放热规律以及排放的影响，这对于评价喷雾与燃烧室形状的匹配具有普遍性的意义。喷雾与燃烧室结构匹配研究结果表明，适当降低压缩比虽然有利于降低NOx排放，但不能兼顾高低速性能，而且不能同时兼顾节能；高压缩比虽然有利于改善发动机节能和高速性能，但不利于NOx排放。在一定的压缩比条件下，通过燃烧室底部凸台形状的合理设计，可有效地组织和控制燃烧室内的气流特性，有利于控制放热规律；有平顶且斜面形状为双曲面的燃烧室，不仅有效抑制预混合燃烧过程，促进扩散燃烧，而且对高速适应性很好，可兼顾发动机高低速性能；喷雾匹配角的变化对放热规律重心影响不大，对放热持续期的影响呈现不同的抛物线规律，抛物线的形状跟发动机转速相关，且在不同的转速区存在放热持续期的最大值，对燃烧过程初期的放热速率影响很大，对扩散燃烧阶段影响相对较小，同时还受发动机转速的影响；通过喷雾夹角来改变喷雾匹配角时，对燃烧的初期放热影响较小，对扩散燃烧阶段影响较大，而喷油器垫片厚度引起的喷雾匹配角的变化，对燃烧的初期放热影响较大，对扩散燃烧阶段影响较小；匹配最佳的喷雾匹配角可以控制预混合燃烧和扩散燃烧的放热速率，从而降低燃烧噪声，同时降低NOx排放，改善燃油经济性；缸内气流运动强度与气流运动的分布对放热规律的影响存在以发动机转速为基准的平衡，随发动机转速的变化呈现此消彼长的规律。柴油机燃烧放热规律同时影响发动机动力性、经济性和排放特性。为此，在分析了混合气形成对燃烧放热规律影响的基础上，从燃烧过程对排放特性的决定性作用出发，讨论了排放的限制对燃烧过程控制提出的约束条件，这不仅为以后进一步降低排放提供了新的控制方法，而且对目标放热规律的分析也提出了新的依据。研究过程中发现柴油机这种缸内直喷的燃烧模式，其混合气非均匀分布的特性，不仅影响其燃烧放热规律，而且直接影响NO的生成规律。试验与仿真研究结果表明，在柴油机速燃期开始之前温度基本上都低于2000K，此时主要生成快速NO；而在速燃期燃气温度上升到2000K以上，此时由于温度与混合条件的复合作用，快速NO与Zeldovich NO都会生成；在扩散燃烧中后期，缸内温度很高，且基本不存在混合气较浓区域，所以认为只生成Zeldovich NO，不会生成快速NO。在整个燃烧过程中相对理论混合气较稀薄区，NO的生成与温度密切相关；而相对理论混合气浓的区域，快速NO的生成对温度的依赖性很小。尽管快速NO的生成量较小，但是其生成过程的化学反应的中间产物会大大增加Zeldovich NO生成的可能性。所以，NO的控制要从混合气浓度的控制也就是混合气的混合速率以及温度的控制即混合气反应的速率两方面共同考虑，两者缺少任何一方都会导致对NO控制方面的片面性。由基于试验和仿真计算结果所制取的NO和碳烟生成区域的-T图中可以看出，在当量比为1.53的范围内，当温度为1800K时就已经有快速NO的生成，随温度的升高NO的产生区域的当量比逐渐下降，直到当量比下降到1.2附近、温度达到最高2400K2500K，此时NO主要为Zeldovich NO，其在总NO的生成量中占的比例也最大。在当量比为3附近的区域既有快速NO的生成，又有碳烟的生成，所以为了实现NOx与碳烟的同时降低，要尽量避免高浓度区域和高温区域的叠加产生。在分析以上混合气形成的动态特性对放热规律和NO生成影响的基础上，提出了目标放热规律的概念，以此为依据对发动机各个工况下的燃烧放热规律进行了分析，通过各方面特性的要求提出了目标放热规律在各工况下的目标值，并从控制混合气形成的角度出发提出了为达到目标放热规律所采取的措施。结果表明，目标放热规律的确定可以发挥出一台发动机的性能极限，以达到高效低排放的目的。目标放热规律的实现需要对现行的硬件设备和控制策略进行详细的分析，在设备能够发挥的极限性能的范围内对两者进行良好的匹配。目标放热规律可以划分为预混合燃烧和扩散燃烧阶段。预混合燃烧阶段的主要控制参数有缸内压力升高率和最高燃烧温度。预混合燃烧过程中缸压的变化，不仅影响燃烧噪声水平，同时也影响NOx的排放。故用压力升高率和缸内最高燃烧温度来限制放热规律中的预混合燃烧阶段，不仅限制了燃烧噪声水平、改善了发动机工作粗暴程度，同时也抑制了NOx的排放。针对燃烧放热规律中的扩散燃烧阶段，其燃烧持续期影响了缸内高温的持续期，对NOx排放物的生成起了重要作用，同时扩散燃烧持续期还直接影响了发动机的燃油消耗率。所以NOx排放量和燃油消耗率两方面的权衡关系决定了目标放热规律的目标值，在NOx排放允许的条件下，可以适当的放宽缸内燃烧温度的限制，加速扩散燃烧的速率，达到更佳的燃油经济性。由于硬件设备的技术水平限制，发动机不可能发挥出其最大性能，但从目标放热规律的角度可以看出，在新技术的支持下，完全可以在发动机的各个特性之间取得最优化的匹配，达到高效低排放的极限，这就对设备的开发提出了新的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 能源现状
• 1.1.2 内燃机对环境的影响
• 1.1.3 排放法规
• 1.1.4 柴油机的优势
• 1.2 直喷柴油机燃烧过程的研究现状
• 1.2.1 燃烧过程控制的研究领域及方法
• 1.2.2 燃烧过程的控制措施
• 1.2.3 面临的问题
• 1.3 本文的研究目的及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 燃烧系统的设计
• 2.1 仿真计算的必要性
• 2.2 缸内气流运动计算模型
• 2.2.1 基本控制方程组
• 2.2.2 缸内湍流模型
• 2.2.3 湍流燃烧模型
• 2.3 燃烧室结构评价参量
• 2.4 样机描述
• 2.5 燃烧室结构
• 2.6 仿真建模及模型验证
• 2.6.1 建模过程
• 2.6.2 模型验证
• 2.7 缩口型燃烧室的气流运动评价
• 2.7.1 气流强度保持性分析
• 2.7.2 气流强度对比分析
• 2.7.3 累积气流强度分析
• 2.7.4 放热率分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 燃烧系统的匹配试验研究
• 3.1 试验设备条件
• 3.2 燃烧室形状对燃烧放热规律及排放的影响
• 3.2.1 燃烧室形状对燃烧放热规律的影响
• 3.2.2 燃烧室形状对发动机性能及排放的影响
• 3.3 燃烧室选型及匹配优化
• 3.3.1 VNT 的标定优化
• 3.3.2 EGR 的调整
• 3.4 燃烧系统的优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 喷射系统参数与燃烧室结构匹配对燃烧放热规律的影响
• 4.1 喷雾与燃烧室形状匹配特性的评价方法
• 4.2 喷雾匹配角的定义
• 4.3 喷雾夹角对放热规律的影响
• 4.4 喷油器安装高度对放热规律的影响
• 4.5 燃烧室缩口处形状对放热规律的影响
• 4.6 放热规律随喷雾匹配角的变化规律
• 4.7 本章小结
• 第5章 混合气形成特性对燃烧及 NO 生成规律的影响
• 5.1 NO 的生成机理
• 5.1.1 NO 种类及其生成条件
• 5.1.2 NO 生成规律的仿真模型及其试验验证
• 5.1.2.1 化学反应动力学模型
• 5.1.2.2 NO 生成规律的计算模型
• 5.1.2.3 模型验证
• 5.1.3 混合气形成对快速 NO 生成的影响
• 5.1.4 快速 NO 对热 NO 生成的影响
• 5.2 制取 NO 生成的Φ-T 图
• 5.2.1 NO 生成的Φ-T 分布规律
• 5.2.2 NO 生成量与混合气浓度和温度的经验公式
• 5.3 基于低 NO 排放的燃烧过程控制策略
• 5.4 本章小结
• 第6章 目标放热规律及燃烧过程的控制
• 6.1 目标放热规律
• 6.1.1 目标放热规律的提出
• 6.1.2 目标放热规律边界条件的构成
• 6.2 目标放热规律各边界条件的影响因素
• 6.2.1 预混合燃烧阶段目标放热规律的影响因素
• 6.2.2 扩散燃烧阶段目标放热规律的影响因素
• 6.2.3 燃烧温度对目标放热规律的影响
• 6.3 基于目标放热规律的燃烧过程控制策略
• 6.3.1 实现目标放热规律的途径
• 6.3.2 对样机燃烧过程控制的效果及存在的问题
• 6.3.3 不同喷射方式对燃烧过程控制效果的预测
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文总结及工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢