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原文传递二冲程发动机预混合压缩着火燃烧的研究

论文题名：	二冲程发动机预混合压缩着火燃烧的研究
关键词：	内燃机;燃烧方式;二冲程发动机;预混合压缩着火燃烧;内部废气再循环;基础燃料;碳酸二甲脂
摘要：	均质充量压缩着火(Homogeneouschargecompressionignition，HCCI)燃烧是一种新的内燃机燃烧方式，它可以同时大幅降低内燃机碳烟和氮氧化物两种主要有害排放，有较高的热效率。本文研究目的是研究二冲程发动机预混合压缩着火燃烧。主要研究二冲程发动机预混合压缩着火燃烧的燃料适应性问题和内部EGR对预混合压缩着火燃烧的影响。本文首先建立了二冲程发动机预混合压缩着火燃烧的研究平台。该试验台架为一台压缩比为15的二冲程单缸柴油机，可以实现不同的内部EGR率，通过缸内早喷来实现预混合气的制备。采用数值模拟技术研究了二冲程发动机的气体流动特性，计算了不同扫气压力下的内部EGR率，理论分析了内部EGR的高温作用和比热容作用。研究发现，二冲程发动机的气体流动复杂，在扫排气过程中它的滚流和涡流较强，涡流比和滚流比变化很大，湍动能和湍流耗散率的变化也很大。在相同转速和负荷下，扫气压力越高，内部EGR率越小，不同扫气压力下，二冲程发动机内部EGR率可以从15％变化到70％；在同一转速和扫气压力下，内部EGR率随负荷增大而降低。内部EGR的高温作用使着火提前，比热容作用可以降低缸内压缩终点的温度，内部EGR的高温作用远大于内部EGR的比热容作用。研究了二冲程发动机早喷混合气形成过程和燃烧过程。结果表明，通过早喷形成的混合气在着火前是稀薄混合气，缸内滚流和涡流影响混合气浓度场和温度场。滚流和涡流容易使燃油碰壁，缸内温度场分布不均。对二冲程发动机通过早喷形成预混合气来说，涡流、滚流和喷嘴结构必须优化匹配。缸内滚流和涡流影响着火点和中间产物的分布。几种主要的中间产物，如OH、H2O2、HO2开始在靠近气缸中心、温度高的地方生成，温度对它们的生成影响很大。NO在高温和氧气浓度较高的地方产生，而CH2O和CO在温度低的地方浓度较高。对于柴油燃料来说，二冲程发动机预混合压缩着火燃烧试验表明，燃烧发生在上止点前，随内部EGR和负荷的增大，着火进一步提前。这些都导致压缩负功增加。通过柴油掺混20％DMC、压缩比降低和减少内部EGR三种措施，可以使柴油预混合压缩着火燃烧得到控制，负荷范围得到拓展。在预混合压缩着火燃烧控制中，最重要的是对第一阶段反应的控制；推迟燃烧，柴油燃烧第一阶段放热量所占百分比下降；提高内部EGR率和掺混DMC可以减小二冲程发动机最大爆发压力的循环波动，降低压缩比使其波动变大。当燃料十六烷值降低，辛烷值提高，二冲程发动机预混合压缩着火燃烧有所滞后。因此，从二冲程发动机预混合燃烧的燃料适应性来看，应使用较低十六烷值燃料。随燃料十六烷值进一步降低，辛烷值提高，通过内部EGR在二冲程发动机上成功实现了低十六烷值参比燃料(PRF90)的预混合压缩着火燃烧，燃烧发生在上止点左右，避免了因早燃产生的压缩负功，负荷范围得到拓展。二冲程发动机柴油、掺混柴油和参比燃料预混合压缩着火燃烧中，排气中未测出NOx，只是在接近爆震时检测到NOx，测出的碳烟排放极低，CO排放在低负荷下较高，随负荷增大而降低。根据本文研究结果，得出了二冲程发动机预混合燃烧对内部EGR要求：小负荷时需要较多的内部EGR，大负荷时需要较少的内部EGR；燃用较高十六烷值燃料，需要尽量减少内部EGR，燃用低十六烷值燃料，需要增加内部EGR。指出实时可变内部EGR技术是二冲程发动机预混合压缩着火燃烧控制的关键技术。
作者：	李孝禄
专业：	动力机械及工程
导师：	黄震
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文