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专家论坛->柴油机预混合燃烧
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柴油机预混合燃烧
所属类型:专家论坛   |   阅读次数:18635  
 
黄震 乔信起

    上海交通大学
    随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长,城市机动车有害排放已成为我国城市大气环境的主要污染源,因此如何控制汽车发动机有害排放对人类生存环境带来的日趋严重的影响,在发动机上实现高效、低污染的燃烧,已成为能源与环境研究中的一个重大课题。
  

传统柴油机燃烧系统再认识

    柴油机作为热效率最高的车用发动机,一直受到人们的高度重视。经过几代人的努力,传统燃烧系统已发展得比较完善。但近几年世界各国制定的日益严格的排放法规,又对柴油机燃烧系统的研究提出了新的挑战。柴油机的主要有害排放物是氮氧化物(NOx)和碳烟微粒。人们常用高压喷射、延迟喷射、喷油率控制、废气再循环和先导喷油等措施来降低NOx和/或碳烟微粒。但由于NOx和碳烟微粒的生成条件各异, 这些措施往往会降低其一种排放而升高另一种排放;或者收效不大。所以有必要重新认识传统柴油机燃烧系统。在直喷式柴油机燃烧系统中,燃油分布极不均匀,这就决定了它以扩散燃烧为主的特征。在燃油浓度接近化学计量比的区域内,燃烧温度较高,因而产生的NOx较多;在燃油浓度高的区域,即富油区内,则会因缺氧而生成碳烟微粒。

预混合燃烧理论

    要从根本上解决柴油机NOx和碳烟微粒排放的矛盾,达到同时降低NOx和碳烟微粒排放,必须改变混合气形成方式,从柴油机燃烧发展战略上寻求新的出路。1990年中国内燃机专家在世界上提出了柴油机预混合燃烧理论,这一理论近年来在国际上受到很大重视。实现柴油机预混合燃烧的途径主要有两种:其一是浓-稀依次组合燃烧、其间夹有急速混合的二级燃烧;其二是着火前预先完成油气混合,以稀薄燃烧为目标的单级燃烧。二级燃烧使主燃烧在浓混合气状态下进行以降低NOx,然后在第二燃烧阶段产生强烈的空气紊流来促进燃烧以降低碳烟微粒。单级燃烧由于是均匀稀薄预混合气燃烧,具有很大的同时降低NOx、碳烟微粒和燃油消耗率的潜力。这完全改变了传统柴油机在局部上表现为浓、稀或化学计量浓度下燃烧的情况。
    预混合燃烧通过控制着火始点,可以达到近似等压燃烧。从理论上讲,在最大燃烧压力相同的条件下,等压燃烧的热效率最高。因此,通过燃烧的优化控制, 柴油机预混合燃烧系统可同时降低NOx、碳烟微粒和燃油消耗率,同时又不升高最高燃烧压力。

预混合燃烧研究的国内外现状

    柴油机预混合燃烧是一种新的非常有发展前途的燃烧理论,据此世界各国发动机研究者进行了不少燃烧研究。关于二级燃烧,Takemi Chikahisa等研制了高紊流两级燃烧系统〖2〗。缸盖上装有紊流燃烧室(CCD)和辅助燃油喷射系统, 在上止点后适当时刻将少量燃油喷入CCD,其燃烧气体喷入主燃烧室,并产生强烈空气紊流,促进二级混合和燃烧。试验结果表明,其NOx仅为基本型 的1/3,但高负荷的烟度仍须进一步改善。美国福特公司开发了一种预混合不预燃的燃烧系统,使压缩空气和燃油在混合腔内预混合,然后直接从喷嘴喷出混和气〖3〗。奥地利AVL提出DMI(Direct Mixture Injection System)系统,在受阀控制的混合室里制备新鲜空气和燃油的混和气,为下一循环准备好浓混和气。I.S.N.Kilaha等人为减少微粒和CO的排放量,在IDI柴油机中向预混合室中喷射气流,同时也使NOx降低〖4〗。Kawashima等人用新型燃油喷射方式对IDI柴油机的排放进行了研究,其燃油喷射系统通过控制喷油率,使NOx的排放降低〖5〗。上海交通大学曾提出了可控预混合活性化柴油机燃烧系统〖6〗。它由预混合室、主燃烧室和控制阀组成。由于控制阀与连接二室的通道之间存在环状缝隙,在压缩过程中,主燃烧室内部分新鲜空气通过环状缝隙连续不断地进入预混合室,与废气及燃油蒸汽进行预混合。在上止点时打开控制阀,预混合气和缸内新鲜空气混合并燃烧。
    关于单级燃烧,一般采用超高压喷射、强化缸内空气运动来促使燃油加速扩散或设法延长滞燃期。美国西南研究所模仿汽油机,在进气管供柴油,但这种燃烧系统低负荷失火,高负荷爆震。UNIBUS(均质松散燃烧系统)和日本新ACE研究所的LPDC(稀薄预混合柴油燃烧系统)及HIMICS(均质合理的多次喷射燃烧系统)〖7】都依靠早期喷射实现预混合燃烧。MK燃烧系统〖8】则在进气流中吸入惰性气体来降低燃烧温度、通过大幅度推迟喷油定时来延长滞燃期,以达到低温预混合燃烧。日本运输省交通安全公害研究所在进气管供辛烷,压缩终点喷入少量柴油引燃,研究表明,预混合压缩着火的柴油机中,预混合比例超过80%时,碳烟和NOx可同时大幅度降低,NOx排放达到50ppm以下,但存在问题是HC和CO排放恶化〖9〗。日本早稻田大学研究了超多孔喷雾燃烧系统和薄膜状喷雾燃烧系统〖10〗。我国和日本学者采用伞喷嘴将燃油于着火前全部喷入缸内以实现预混合燃烧〖11-15〗,在低负荷工况,效果较好,但在高负荷,燃烧往往恶化。

预混合燃烧系统亟待解决的问题

    柴油机预混合燃烧研究虽然取得了一些初步成效。但柴油机预混合燃烧理论要取得突破,尚有如下问题亟待解决。首要的是着火与燃烧控制问题,应避免预混合气着火过早,控制着火始点,以达到近似等压燃烧,控制预混合燃烧可能引起的最高燃烧压力过高。其二是预混合气制备方式和质量问题,在着火前形成均匀的预混和气,这是实现预混合快速燃烧的另一个关键;其三是预混合燃烧的负荷适应性问题;其四是预混合燃烧系统HC和CO排放偏高的问题。

科学意义和应用前景

    柴油机预混合燃烧在国外近几年以成为研究热点之一,通过对预混合燃烧系统进行理论和实践上的探索,揭示预混合燃烧过程中混合气形成、着火、燃烧和污染控制的机理,提供同时降低柴油机NOX和碳烟微粒排放的新途径,将有望使发动机有害排放控制理论和技术取得新的突破,从而在根本上解决这一世界上柴油机排放控制研究的难题,实现柴油机的超低排放。建议我国尽快开展系统的柴油机预混合燃烧研究。

 

    参考文献略


文章提交:hubbub     
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