先进柴油机燃烧技术的研究进展

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｅｓｅｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｃ

先进柴油机燃烧技术的研究进展

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｅｓｅｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｃ

攥女／中自汽车技术研究中心张海波庄恒目

本文介绍了柴油机新型燃烧模式的概念和背景．阐述了现今柴油机燃烧技术（ＨＣＣＩ、ＬＴＣＪ在细节性方面的最新进展．以及所获得的研究结果的理论依据。

Ｔｈｅｉｓｓｕｅｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ吖ｎｅｗｗａｙｓｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｃ（ＨＣＣＩ、ＬＴＣ）ａｎｄｉｔｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｒｅｓｕｌｔ

．眺烧是将燃料的化学能转化成懈；热能的过程．是端自机运行求．因此．众多研究者针对柴油机实验室的ＰａｕｌＭｉｌｅｓ等人利用模拟

的燃烧过程作了大量的研究。手段研究灌台均一的正庚烷（其理

的核心过程．是决定柴油机的效率众所周知．传统的柴油机由化性质与柴油相似）在不同当量比

及污染物排放的最重要的一环。随于燃烧时油气混合的不均匀，燃烧和温度下燃烧得到的结果。该图的

着人们环保意识的加强和全球石油室内空间各址的燃油当量比相差较横坐标为温度，纵坐标为当量比。

能源临近枯竭．降低柴油机的排放大易生成各种危害人类健康的污染其不仅给出７Ｓｏｏｔ（碳烟）和ＮＯ硅和提高其经济性成为十分紧迫的要物。图１和圈２为美国Ｓａｎｄｉａ国家戚区域在图中的位置．而且表示

２６ｃ№６）ＣＶＥ商用；与发动机

Ｅ歪趸墨囵：习ｌ先进柴油机燃烧技术的研究进展

而生的先进的燃烧模式有：均质充不完全、放热少使进气门关瞳射气

缸充量的温度低，一般认为应使丰

喷燃烧迟后：进一步的研究发现，

推迟在ＮＶＯ期间的喷油．则未燃部

分变为了活性基团储存在气缸内．

这些活性基团不但补偿了温度降低

的影响．而且当活性基团达到一定ｉ；瞪礤

ｉ｜ｌ叠穗ＩｌＪ雹颤¨

出单位燃油在一定的当量比和温量压缩点燃模式（ＨＣＣＩ）和低温燃烧模式（ＬＴＣ）等。对这新燃烧模式的研究表明，他们与传统的燃烧模式相比有很多自身的优势，有足够的提高效率和降低排放的潜力．但还需要进一步的深＾讨沧和完善。数量时还使主喷燃烧相位提前这ＨＯｃＩ燃烧槛式ＨＣＣｌ燃烧即存燃烧开始之前尽可能在气缸内形成均匀的；自气混说明在研究燃烧过程时应着重考虑在链式反应中占主导地位的活性基团的影响。ＨＣＣＩ燃烧的另一弊端是：当台气，以改善由于燃油在燃烧室空间内分布不均而带来的排放问题。这通常需要很长油气混台时间，所以ＨＣＣＪ通常采用进气道喷射和缸内早喷的方式实现：ＨＣＣＩ与其他经过初期的冷焰反应并储存了足够多活性基团之后．反应迅速达到最大速度，由于缸内各处的状态相同．所以几乎是所有的燃油同时反应放热．这样剧烈的能量倾泻使缸燃烧方式的主要区别是：其他燃烧方式的燃烧特性（例如燃烧始点、燃烧持续期放热率重心等）主要是由喷油时刻和气缸内的状态（温内气体的压力波的传导速度超过了当地声速．从而导致爆震，ＨＣＣ【燃烧在大负荷时爆震极其严重．限度压力等）决定．而ＨＣＣｌ燃烧方

式的燃烧过程则主要由燃烧反应的制了ＨＣＣ燃烧的负荷拓展，为了防止爆震的发生可使燃烧室内；｛量

产生温度的分层；分层后由于各处

的温度差异．使各区域的燃烧有先度下燃烧所生成的ＣＯ和ＵＨＣ（未燃的碳氢】的质量。在图１中．标注了化学动力学决定。这使得ＨＣＣＩ燃烧的可控程度较小。

在负气门重叠期（ＮＶＯ）内喷油８８９／ｋｇ—ｆｕｌｅ和字样的曲线的意义是：在曲线上的点进行燃烧则其生后之分减小了瞬时放热率．避

免了爆震。研究发现．若能推迟

ＨＣＣｌ燃烧始点则在接近上止点时威的ＣＯ中的未释放出的能量（与完全燃烧相比）占燃料总链量的２％

围２中标注了２０９／ｋｇ—ｌｕｔｅ的皓线则

表示生成ＵＨＣ中包含的未释放燃料

能量占总能量的２％。传统柴油机

中燃料的燃烧历程既经过图１中生

成Ｓｏｏｔ的区域又经过生成ＮＯ。的区进行均质；昆台气制备的方案．即ＥＴＣＩ方案．使排气门关闭角提前和进气门开启角推迟．实现缸内残余废气再压缩形成缸内热氛围（内部ＥＧＲ）．此时向缸内喷＾部分燃油则可以使进气门关闭时气缸内温度更高从而船强柴油的雾化混合．

减少燃烧时当量比为１的区域、减由于活塞压缩功的作用会在原本温度水平基本均一的燃烧室内产生温度分层．在活塞达到上止点时温度梯度迭到最大。图３为利用激光片谚断法所观测到的上止点附近缸内二维温度场的变化．白色圆圈表示

气缸壁．两条表色边界表示观测用

的激光平面的边界而适当的推迟

ＨＣＣＩ燃烧的始点可以利用ＥＧＲ手

段来完成。域．因此一般豁自机会生成较多的ＰＭ和Ｎ０。：为了解决柴油机排放问题应运少ＮＯ，的生成研究发现．主喷的燃烧相位对负气门重叠期内喷八气缸内燃油的质量以及喷油时刻十分敏感．即可用其增加对上止点附近

主喷燃烧的控制度在ＮＶ０期间ＥＧＲ的惰性气体的性质商样

可以帮助减慢瞬时放热率、防止五

负荷的爆震问题．但其较大的热窖

会使柴油机的效率降低．这点又艰

制了负荷拓展研究表明，如景匡

定压力升高率（在爆震限ｚ下），同

时增加燃油量和ＥＧＲ量缸内的平

均指示压力最大仅含有５％一７％的

相对早的嚷油，则其燃烧完全放热多．从而提高了进气门关闭时气缸内克量的温度．使主喷的燃烧提前。如果不断推迟在ＮＶＯ期间的喷油则出现令人盛解的主嚷燃烧先有微小迟后再提前的现象．因为推迟在ＮＶＯ期间的赜油．则由于其燃烧’一一ｔ

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｅｓｅｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｃＩ皿墨删匝匝

提高．但这同时要带来很大的燃）自两种新型燃烧模式使燃料的燃烧历消耗率．且由于燃烧时当盛比增大程避开了Ｓｏｏｔ和Ｎ０ｘ的生成区域，到１附近所以Ｎ０ｘ增多。利用掺混但是却不可避免的进八了太量生燃料被认为是有效的拓展ＨＣＣＩ负成ＣＯ和ＵＨＣ的区域。近年来有关荷的办法，即使高辛烷值燃料和高ＬＴＣ的ＣＯ和ＵＨｃ排放问题一直是十六烷值燃料混合．在燃烧时由于业界的研究重点。一般地要使ＮＯ一掺混后的燃料整体的自燃性弱于高和Ｓｏｏｔ同时降低就要将燃烧始点推＋六烷值燃料（例如柴油）．所以燃迟到燃油全部喷出以后．国外的研烧相位推后。燃料中的高辛烷僮部究者将喷油结束到燃烧开始的这段分不易断链脱氢形成活性基团，限时间定义为ｉｇｎｉｔｉｏｎｄｗｅｌｌ。如图４当制了燃烧速度．同时由于上述的热ｉｇｎｉｔｉｏｎｄｗｅｌｌ大于０时近喷口处区域分层作用。推迟燃烧起始相位可以的燃油当量比很小（小于０５）．这是获得更小的瞬时放热率．但是在小因为在喷油结束后会突然产生强烈负荷时掺混燃料由于自然性差则极的夹带波（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔｗａｖｅ），它易失火．所以随工况变化动态控制会以非常快的速度从喷嘴运动到喷掺混燃料的成分是关键的。注头部，它的出现可以很好的改善臣１■——凝ｊ

混台．也是喷口处燃油当量比变得

Ｕ℃燃烧模式过小的原因。近喷口处过小当量比

为了解决普通柴油机的ＰＭ和的燃油一般不能完全燃烧．这部分Ｎ０，排放的折中问题（ｔｒａｄｅ—ｏｆｆ）．燃油是ＵＨＣ的主要来源之一。受缀研究者将ＥＧＲ率提高到５０％以上燃油喷注碰触气缸壁也容易形使ＮＯｘ和ＰＭ同时降低。ＥＧＲ降低成ＵＨＣ。ＨＣ的缸内温度要比传统互眯歪激显Ｎ０ｘ排放的缘由无需赘速．一般当燃烧低．在近燃烧室壁区域的温度ＥＧＲ率提高］Ｅ１Ｊ４０％时ＮＯ，排放几乎不能使燃烧快速进行并燃烧完全。降为零。大ＥＧＲ率降ｔ＆，Ｓｏｏｔ（Ｓｏｏｔ使用直径较小的燃烧室可以减小这为ＰＭ的主要组威部分）的原因目前部分ＵＨＣ的排放；这是因为在燃油盏需艘豫哥嚣去箱。缸内二鞋鼍廑场舶壹化还没有准确的定论，一种被广为接喷出至到迭燃烧室壁这段时间内燃其迁需要进一步的技术突破。更好受的理论是：增大ＥＧＲ率一是增加油只反应了很小一部分即生成了甲了混台时间（ＥＧＲ惰性气体的性质醛和ＰＡＨ（Ｓｏｏｔ的前系物）等未完全使滞燃期变长）；二是使气缸内氧燃烧的产物．若到达气缸壁时喷注含量缩减（惰性气体抢占了新鲜空的动量足够．则这些产物将反射回气的空间）；前者的作用是使燃油轻热的气缸中心进行后续的反应．蒸汽能够分布到更广阔的空间（混直至燃烧完全。直径较小燃烧室由台更好、燃烧前燃料占有的氧量更于边缘据气缸中心处更近．在反射多）．后者的作用是使局部的氧量后向气缸中心运动的时候拥有更多减少．这样要想混台的好就要更多的动量可以更好的把热的不完全燃的混台时间．而在相同的时间下混烧产物推到燃烧室中心去进一步氧圈４ｉｇｎｉｔｉｏｎ６ｗａｌｌ与生成的ＵＨＣ的关系台会变差。在生成Ｓｏｏｔ的作用上二化。这部分物质在燃烧室中心的高的了解燃烧的化学动力学和燃烧者是相反的．当ＥＧＲ量不是很大时温氧化放热有助于近喷孔处产生的边界条件对燃烧的影口自是关键。后者的影口自大于前者月．１ＪＳｏｏｔ增加。ＵＨＣ的氧化。ＨＣＣＩ应着重发展时间上的分区燃当ＥＧＲ的量增大到一定程度前者的现今各种燃烧模式的界定已经烧来缩减瞬时放热率．拓展负荷。影响大于后者．ⅢＵＳｏｏｔ开始减少。越来越模糊．新型燃烧模式只不过而ＬＴＣ应在确保ＥＧＲ量的前提下尽

ＬＴｃ一般是在小负荷实现的，是充分放大了传统燃烧模式中的某量多的提高新鲜；十量的质量，以此其同ＨＣｃＩ一样面临负荷拓展和ＣＯ一边界条件例如滞燃期和ＥＧＲ率。来减少形成低温燃烧所需的ＥＧＲ与ＵＨＣ排放过高的问题．其实这新型燃烧模式的优势十分诱人，但章．拓展ＬＴＣ的负荷，ＣＶＥ２０１０－２６ｃ№６）ｃ讵高用车与发动机

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年，卷(期)：张海波， 庄恒园中国汽车技术研究中心汽车与配件AUTOMOBILE & PARTS2010(26)

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