适应未来超低排放要求的柴油机新型燃烧方式

作者：天津大学 张伯俊 王洪礼 许晖

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 柴油机热效率高，功率范围广，是工程机械的主要动力源。微粒(PM)和氧化物(NO2)是柴油机中的主要有害排放物，除低负荷工矿外，柴油机的CO和HC排放均较小。因此，柴油机为降低排放的努力几乎都是围绕如何减少PM和NOx的排放进行的。大量研究表明，传统的压燃点火直喷式柴油机，由于其不均匀的，油束扩散式燃烧方式的限制，降低MP排放的技术措施与降低NOx排放的技术措施是相互矛盾的。 未来柴油机面临欧IV、欧V、US2007等越来越严格的法规要求，柴油机的PM和NOx排放必须被同时大幅度降低才能够满足这些严格的法规。近年来，一种既能满足未来严格排放法规，又能够保持高热效率优点的柴油机燃烧方式，在国际上日益受到重视，这就是均质充量压燃着火燃烧方式(简称HCCI燃烧方式)。 1 柴油机HCCI燃烧方式概述 在HCCI燃烧方式下柴油和空气在燃烧开始前已充分混合，形成均质预混合气。混合气被活塞压缩并发生自燃，并呈分布均匀、稀混合的低温、快速燃烧，从根本上消除了产生NOx的局部高温区和产生PM的过浓混合区。 柴油HCCI燃烧方式的研究始于上实际90年代中期。目前国际上，以柴油为燃料的HCCI发动机的开发逐渐受到重视，这主要有以下几方面原因： (1)柴油机可靠性更高，维护成本低。 (2)燃料的继承性好。商用车、重型载重车量、大型工程机械均是以柴油机作为动力，柴油HCCI发动机仍然能够继续利用现有的加油和服务设施。 (3)经济性好。目前的计数还无法实现柴油机全工况的HCCI燃烧过程，从实用化角度出发，必然要双模式运行方案，即在中低负荷，采用HCCI燃烧过程，在高负荷，仍然采用传统的燃烧方式，能够采用传统的最佳的发动机经济性能。 此外，传统的柴油机只依靠机内净化技术已不能满足要求，必须采用新的处理技术，如DeNOx催化装置和微粒捕集器。但是在柴油机的中低负荷，排气温度难以满足后处理装置的实用要求，且使用后处理装置后，还会带来经济性恶化、成本上升以及可靠性等问题。采用HCCI燃烧技术，则可以解决上述矛盾。 但是，实现实用化的柴油机HCCI燃烧决非易事，主要面临两方面的困难：一是柴油粘度大，挥发性差，形成预混合均质混合器困难；二是柴油作为高十六烷值燃料，容易发生低温自燃反应，均质预混合器的燃烧速率控制困难，易造成粗暴燃烧。 2 国外柴油机HCCI燃烧的研究现状及技术特征 目前，美国、日本等国的大汽车公司及核心研究机构都在开展HCCI燃烧的研究。国际上现有的柴油机HCCI燃烧技术，按照混合器形成方式可分以下3类： (1)缸外预混HCCI，即在进气冲程柴油被喷入进气管，与空气混合形成预混合气。 (2)缸内早喷HCCI，即在压缩冲程早期，柴油被喷入气缸，随活塞上行逐步与空气混合，直至发生自燃着火。 (3)缸内晚喷HCCI，即在压缩上止点后开始喷油，并结合提高喷射压力和进气涡流，以及高EGR率，提高拆由于空气的混合速率，保证在燃烧开始前完成喷射，形成混合气。 下面对这3种柴油HCCI预混合气形成方式分别加以介绍。 2.1 缸外预混柴油HCCI燃烧 柴油被喷入进气管和空气进行混合的方式，是形成预混合气最直接的方法，也是最容易实现的方法。早期的一些柴油HCCI燃烧过程的研究者大多采用这种方法。但是，缸外柴油预混合方案，对柴油预混合气的混合过程和自然着火过程都无法直接控制，不能够作为有实用化前景的方案来发展。 2.2 缸内早喷柴油HCCI燃烧 缸内压缩冲程早期直喷柴油，是目前被最普遍采用的柴油燃料HCCI预混合气形成方式。与缸外预混合柴油HCCI相比，早喷柴油HCCI具有以下几方面优点： (1)压缩冲程气缸内的温度和压力高于进气门开启时进气管内的温度和压力，因此有助于燃油的雾化和混合。压缩冲程早期喷油，降低了对进气温度的要求，从而也减少了混合气爆燃的倾向。 (2)从原理上说，采用压缩冲程早期喷油的方案，可以只需要一套供油系统满足HCCI和传统直喷柴油两种燃烧方式。但根据目前的文献，并不是所有的缸内早喷柴油HCCI反感都能够使用兼顾HCCI燃烧和传统直喷柴油HCCI方案都能够使用兼顾HCCI燃烧和传统直喷柴油燃烧的燃油系统。 缸内早喷柴油HCCI在实现过程中面临的主要困难是，在压缩冲程留给燃油与孔气混合的时间并不充裕，同时还要避免燃油撞壁的发生。而且在形成均质柴油/空气预混合气的前提下，燃烧始点的控制仍然是个严峻的问题。 日本New ACE Institute、三菱公司、丰田公司、法国IFP等都提出了各自的柴油机缸内早喷HCCI燃烧方案。 日本New ACE Institute的研究者剔除了柴油机HCCI燃烧的MULDIC(Multiple Stage Diesel Combustion)燃烧方式。图1所示为MULDIC系统示意图。为了避免在缸内早期喷射油束撞壁，图1采用了特殊的喷嘴和喷油器布置方案，即用2个侧置喷油器向气缸中心对喷，利用油束的碰撞减小贯穿度。MULDIC方式下，NOx培反给原柴油机的1/6(1g/kW·h),经济性改善2%，PM排放较高(0.8g/kW·h)。 2000年8月日本丰田公司的UNIBUS(Uniform Bulkt Combustion System)系统被批量生产投放日本市场。批量生产的装备UNIBUS系统的1KD-FIV发动机缸径为96mm，冲程103mm，压缩比为18.4：1，装备有共轨式喷油系统和可变喷嘴截面增压器。 如图2给出的运行工况范围，UNIBUS燃烧模式主要应用于发动机的中低负荷工况。UNIBUS采用2次喷油。第1次喷油的定时范围为上止点前54°~4°。第1次喷油量为5~15mm3/循环。当喷油量为15mm3/循环时，喷油定时早于上止点前54°将发生油束碰壁。通过对第1次喷油的定时和油量的控制来抑制预喷燃油的剧烈放热，使预喷燃油在第2次喷射之前，始终处于低温反应状态。 法国IFP在2002年提出了一个很有前景的缸内早喷柴油HCCI方案，即NADI TM(Narrow Angle Direct Injection)。这一方案针对HCCI燃烧，对整个燃烧系统进行了优化设计，但仍兼顾传统的柴油燃烧方式，图3为NADI燃烧系统示意图。如图所示，主要的改进包括：采用喷锥角小于100°的高压共轨喷油气和重新设计燃烧室以窄喷锥角喷油气的传统直喷方式工作。 2.3 缸内晚喷柴油HCCI燃烧 柴油机缸内晚喷HCCI燃烧的典型代表是日本Nissan公司开发的MK(Modulated Kinetics)燃烧系统。采用MK系统的发动机在1998年被投入批量生产进入日本市场。 KM系统通过推迟喷油(上止点后3°)，大EGR率(使氧浓度降低15%~16%)，以延长着火滞燃期，使喷油完全在着火滞燃期内完成，形成预混合气。为了提高混合率，MK系统运行工况范围。在MK燃烧的负荷范围内，NOx可降低90%以上，烟度低于1个Bosch烟度单位。 3 结束语 均质压燃着火(HCCI)燃烧概念给出了实现内燃机高效、低污染燃烧的新途径，也是目前国际内燃机界的研究热点。均质压燃着火技术是使内燃机满足2005年后欧洲和美国更加严格的排放法规的重要保证。世界内燃机界普遍认为均质压燃着火技术为内燃机技术的发展提供了一次突破的机遇。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/16/2004)