發(fā)動機RCCI燃燒技術(shù)的研究

...wd...發(fā)動機RCCI燃燒技術(shù)方案研究摘要在環(huán)境問題日益嚴重的今天，汽車排放的凈化處理技術(shù)顯得愈加重要。以現(xiàn)有的后處理技術(shù)，雖然可以使排放數(shù)值到達標準，但是其后續(xù)的費用、復雜的構(gòu)造、昂貴的原料使得排放性和經(jīng)濟性無法得到平衡。本文旨在解決過分依賴后處理來提高排放所引出的問題，通過優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過程，運用RCCI技術(shù)降低排放、減輕后處理負擔，最大限度的平衡經(jīng)濟性和排放性的國四柴油機技術(shù)的匹配。RCCI〔ReactivityControlledCompressionIgnition〕是比擬新的一種低溫預(yù)混合燃燒并且可以實現(xiàn)燃燒相位可控的均質(zhì)稀燃技術(shù)，本文通過進氣道噴射汽油進展預(yù)混合，在缸內(nèi)直噴直噴柴油后壓燃混合氣，通過兩種燃油質(zhì)量比的改變控制燃燒相位，到達小負荷不熄火、高負荷不粗暴的目的，同時有著較高的熱效率。為了進一步凈化CO和HC的排放污染，搭配催化氧化技術(shù)〔DOC〕的RCCI內(nèi)燃機，可以在原有極低的NOx和soot排放的根基上到達四種排放物數(shù)值同時降低到國四標準以下的程度，并且有望實現(xiàn)對于燃燒效率和排放性能的平衡。關(guān)鍵詞：國四排放標準，RCCI，DOC，PFI，DI1、引言1.1課題背景及目的和意義環(huán)境與開展是世界各國普遍關(guān)注的焦點問題，開展不僅是滿足當代人的需要，還要考慮和不損害后代人的生存條件。因此，保護人類賴以生存的環(huán)境成為世界共同關(guān)心的問題。汽車污染是環(huán)境污染的主要途徑，為了人類的可持續(xù)開展，防治汽車污染已經(jīng)成了刻不容緩的全球性問題，這就需要我們共同努力在科技創(chuàng)新、節(jié)能減排等方面來防治汽車污染。汽車作為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡木植浚湓斐傻呐欧艑τ诃h(huán)境的影響愈加嚴重[1]。世界各國對于汽車排放的法規(guī)公布隨著技術(shù)的開展日趨嚴格，排放性能的要求對于汽車的研發(fā)環(huán)節(jié)的影響也同樣占據(jù)了越來越重的比例。相比于汽油機，柴油機的良好的熱效率和經(jīng)濟性，以及很低的CO和HC排放，受到廠商和研發(fā)機構(gòu)的青睞。然而，傳統(tǒng)CDC柴油機存在一個難以解決的問題——NOx和soot碳煙的排放無法降低。原因在于，高溫富氧促進了NOx的生成，而為了減少NOx排放而降低燃燒溫度的做法，又減少了對soot的氧化，從而增加了soot的排放。因為傳統(tǒng)CDC柴油機缸內(nèi)燃燒以擴散燃燒為主，這種矛盾很難解決，只能通過改變?nèi)紵龣C理，利用新的燃燒方式來嘗試解決。1.2國內(nèi)排放法規(guī)現(xiàn)狀目前地方政府的措施已取得了一些成效，據(jù)統(tǒng)計，從2000年到2010年，在中國機動車保有量總量翻3倍多的情況下，污染物排放量僅增加了0.3倍，各項污染物均實現(xiàn)50%以上的消減，采取的控制措施累計減少了3800萬噸氮氧化物、4450萬噸碳氫化合物、2.387億噸一氧化碳和700萬噸顆粒物的排放。輕型柴油車國四標準于2005年公布，規(guī)定從2011年7月1日起，全部正在制造和已經(jīng)售出的輕型汽車，必須符合國四污染物排放標準。然而，由于尚未出臺國四車用燃油標準，仍然無法保證符合標準的車用燃油全國范圍內(nèi)的及時供給，決定將國四標準施行日期推延至2013年7月1日[2]。2013年7月1日，國四限定實施日期即將到來前，局部整車企業(yè)得到消息，由于SCR后處理技術(shù)所需要的尿素供給仍然無法確保供給，因此，相關(guān)國家部門將國四排放標準實施日期再次推遲。同時，自2013年7月1日起，國三排放的車型將不再允許上工信部公告。

事實上，很多大型柴油機廠商早都已經(jīng)開場基于國四標準提前進展產(chǎn)能和技術(shù)建設(shè)。其中，上柴2011年募投工程中就包括中輕型柴油機的開發(fā)制等以國四標準為目標的產(chǎn)品工程?？傮w來講，雖然輕型柴油機的國四標準一再推遲，但由于國家對于輕型汽車的排放管理十分嚴格，多數(shù)市場上的產(chǎn)品都已經(jīng)到達甚至超出國四標準。因此，生產(chǎn)輕型柴油機的廠商受到標準推遲的影響微乎其微。另外，從環(huán)保的角度來說，柴油機的未來市場前景依舊良好，在各大廠商的充分準備下，其市場占有率提升的態(tài)勢很難受到影響，其改良技術(shù)的開展會保持其地位在相當長一段時間內(nèi)不被動搖。2、論點2.1RCCI技術(shù)背景近年來研究的低溫預(yù)混合燃燒包括：均質(zhì)充量壓縮著火燃燒(HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI)、傘型噴霧燃燒、MK燃燒(ModulatedKinetics)、三噴油器多段燃燒(multiplestagedieselcombustion，MULDIC)、均質(zhì)充量—噴霧復合燃燒(HomogeneousChargeDieselCombustion，HCDC)、多脈沖噴射HCCI燃燒、以及低溫燃燒(LowTemperatureCombustion，LTC)。然而，這些新技術(shù)的提出與實驗，依舊無法大規(guī)模投入市場的使用，原因在于基于壓燃技術(shù)特點的低溫預(yù)混合無法控制燃燒相位，同時還有著負荷適應(yīng)性較差、HC和CO排放較高等等問題。其中，燃燒相位的控制是較為重要的，因為如果燃燒相位失控，工作粗暴、效率下降等一系列問題會接踵而至。RCCI〔ReactivityControlCompressionIgnition〕應(yīng)運而生，成為現(xiàn)有方案中較為有效的可以實現(xiàn)可控低溫預(yù)混合燃燒的技術(shù)。2.2RCCI與其他燃燒方式特點的比照圖2.1不同燃燒方式所處區(qū)域示意圖由于傳統(tǒng)CDC柴油機為壓燃的點火方式，在噴油過程中，混合氣濃度在燃燒室內(nèi)分布極不均勻，混合氣濃度大的地方在噴油完畢前已經(jīng)到達著火點并開場燃燒。因此，盡管總體上柴油機燃燒室內(nèi)過量空氣系數(shù)較高，但是局部混合氣濃度往往非常高，理論當量比的混合氣也非常多，導致混合氣濃度范疇橫跨了NOx和soot排放的高發(fā)區(qū)域。汽油機缸內(nèi)燃燒混合氣當量比為1左右的燃燒方式?jīng)Q定了它只穿過NOx的高發(fā)區(qū)，但是soot排放相對較低。均質(zhì)充量Y(HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI)HCCI燃燒是低當量比、均勻混合氣(稀薄均質(zhì)混合氣)的燃燒，既防止了NOx高發(fā)區(qū)，又不在soot的高發(fā)區(qū)，因此這兩種排放物均到達極低的水平。但是，HCCI燃燒相位不可控，并且燃燒范圍非常窄的缺陷對于其應(yīng)用前景有著較大影響。預(yù)混合壓燃〔PremixedCharge\o"compression"CompressionIgnition，PCCI〕PCCI燃燒的混合氣濃度略高于HCCI，均勻程度低于HCCI，但也能夠同時避開兩種排放的高發(fā)區(qū)，因此其排放相對于傳統(tǒng)方式同樣要好得多，但略高于HCCI燃燒。從燃燒根本特征來看，RCCI屬于低溫預(yù)混合燃燒的類型。研究說明，RCCI燃燒可以實現(xiàn)排放性能大幅度提升，而且除了氧化催化器外，不需要任何其他后處理設(shè)施的條件下，就能實現(xiàn)美國EPA2010排放標準，同時具有高達53％的熱效率?？梢钥闯錾鲜銎渌T如HCCI，PCCI等低溫預(yù)混合燃燒雖然可以同時將NO，與soot排放降低到非常低的值，但是期望到達產(chǎn)品能夠運用的程度，還遠遠不夠。表2.1RCCI燃燒與其他低溫預(yù)混合燃燒特點的比照RCCI燃燒其他低溫預(yù)混合燃燒可以實現(xiàn)燃燒相位的控制無法實現(xiàn)燃燒相位控制預(yù)混合氣制備快而且均勻較難實現(xiàn)著火前形成相對均勻混合氣負荷適應(yīng)性相對較好負荷適應(yīng)性差HC和CO排放偏高低溫預(yù)混假設(shè)要成為成熟的能夠運用到市場上的技術(shù)，仍需解決一些問題。其一，由于預(yù)混燃燒采用壓燃，對于混合氣著火時刻提前和燃燒起始的控制是重中之重，稍不注意，會導致缸內(nèi)壓力過高，工作粗暴等問題；其二，當發(fā)動機處于高負荷工況時，對于工作粗暴的傾向會更加嚴重，而低負荷時又有熄火的傾向的問題；其三，預(yù)混合氣的均勻而快速的制備，是對于較為優(yōu)秀的燃燒的一個重要條件；其四，混合氣無法防止地進入縫隙區(qū)域而導致的CO、HC排放較高的問題同樣亟待解決。上述問題，是基于缸內(nèi)燃燒優(yōu)化排放思路的重點，亦是難點所在，是翻開這扇大門的鑰匙，值得科研人員投入力量去解決的。這四個問題中，燃燒相位的控制以及混合氣制備是較為重要的。眾所周知，柴油機的燃燒相位依靠噴油時刻來控制，汽油機的燃燒相位依靠火花塞點火時刻來控制，而低溫預(yù)混合燃燒的燃燒相位則由混合氣性質(zhì)、溫度和壓力共同決定。研究說明，汽油的良好的揮發(fā)性決定了其預(yù)混合氣可以通過進氣道噴射得到很好的制備，但是由于其低十六烷值的較差的著火性能，因此低負荷時的燃燒性能很差，有熄火的傾向。而正相反的是，柴油的高十六烷值決定了其良好的著火性能，但也導致了隨著負荷增加隨之帶來的對于燃燒相位的失控。對于柴油機的PCCI燃燒，使用EGR來控制高負荷下的燃燒相位，但是，高EGR對于氧氣濃度的限制同樣影響了高負荷工況的燃燒情況，因此，這種方法只能說是個暫時的思路，卻無法徹底解決燃燒相位的問題。研究說明，當使用十六烷值27、壓縮比12的燃油燃燒時，均質(zhì)充量壓縮著火燃燒可以運行1.6MPa的BMEP，比傳統(tǒng)柴油高出60%的運行負荷。因此，理想的低溫預(yù)混合燃燒對于不同工況適用不同性質(zhì)的燃油：低負荷需要大扭矩，此時燃油需要高十六烷值的良好著火性能，高負荷需要低爆震，此時燃油需要低十六烷值的燃燒平穩(wěn)。基于這一特點，為了擴展低溫預(yù)混合燃燒對于不同工況的適應(yīng)性，決定采用雙燃油系統(tǒng)雙燃料的低溫預(yù)混合燃燒，RCCI技術(shù)應(yīng)運而生。

3、論據(jù)3.1實現(xiàn)方式基于傳統(tǒng)柴油機模型，我們加裝了PFI燃油系統(tǒng)，通過調(diào)整兩套燃油系統(tǒng)分別的噴油量、噴油速率、噴油提前角、噴油壓力以及進排氣的開閉時刻等參數(shù)，使得整個模型實現(xiàn)較高的排放性與燃油效率的目的?？梢钥吹?，雙燃油系統(tǒng)的RCCI燃燒，由進氣道噴射燃油系統(tǒng)PFI和缸內(nèi)直噴燃油系統(tǒng)DI構(gòu)成。PFI噴油器噴射低十六烷的易揮發(fā)性燃油：如甲醇、汽油等，可以在著火前在進氣道內(nèi)充分混合為均勻混合氣。而DI噴油器噴射高十六烷值著火性好的燃料進入缸內(nèi)，隨后對均勻混合氣進展壓燃。不同扭矩負荷的不同工況下，我們通過調(diào)節(jié)兩套燃油系統(tǒng)的噴油比例來調(diào)節(jié)缸內(nèi)混合燃料的綜合當量十六烷值，從而到達調(diào)節(jié)燃燒相位的目的。3.2RCCI技術(shù)的特點雖然RCCI燃燒為雙燃燒系統(tǒng)，但是都是采用現(xiàn)有汽油機的燃油系統(tǒng)和柴油機的燃油系統(tǒng)，從研發(fā)角度來看，不需要過多投入，只需要進展改裝和參數(shù)匹配即可。進氣道噴射的噴油壓力較低，約0.4MPa，本錢低，構(gòu)造簡單，而缸內(nèi)直噴的噴油器所需噴油壓力采用傳統(tǒng)高壓共軌的柴油機燃油系統(tǒng)常用壓力即可，100MPa就能滿足使用。研究說明，在不采用除DOC以外任何后處理的情況下，仍可以做到非常高的排放性能，因此，總的來說，即便是兩套燃油系統(tǒng)，RCCI的總體本錢并不是很高。正如上文提到的，RCCI燃燒由于其雙燃燒系統(tǒng)的設(shè)計，無法通過噴射時刻控制燃燒相位，同樣由于缺少點火裝置，無法利用點火時刻來控制。其燃燒相位由壓力、溫度以及當量比等混合氣特性綜合決定。可以看出，RCCI燃燒是一種以低溫預(yù)混燃燒相位可控為目的的新型低溫預(yù)混合燃燒。放熱率和燃燒汽缸壓力隨兩種燃料不同配比的變化而變化。隨著柴油增加，PFI噴油減少，DI噴射的配比增加導致總體反響活性增加，使燃燒初始位置時刻提前。由此可得，RCCI燃燒可以通過調(diào)節(jié)兩種燃料不同比例來控制燃燒相位，是其不同于其他預(yù)混燃燒的獨特優(yōu)勢，而正是由于其有控制燃燒相位的能力，相對于現(xiàn)有預(yù)混合燃燒的區(qū)域，RCCI的實現(xiàn)區(qū)域要寬得多，即在低負荷熄火傾向弱，高負荷爆震傾向弱。圖2.2RCCI與傳統(tǒng)柴油機燃燒的傳熱損失以及缸內(nèi)燃燒溫度比擬如以下圖，RCCI燃燒的溫度場較為均勻，最高溫度相對較低，而整體的平均溫度卻不低，而傳統(tǒng)柴油機的最高溫度很高，而且距離缸壁較近，造成較大的傳熱損失，但是整體平均溫度略低于RCCI。造成這個現(xiàn)象的原因是，RCCI燃燒有著更為均勻的工質(zhì)混合，而傳統(tǒng)柴油機的工質(zhì)混合相當不均勻，且當量比分層范圍較大。正是由于均勻的特質(zhì)，雖然RCCI燃燒效率相對略低，但是整體熱效率要略高于傳統(tǒng)柴油機。對于排放的問題，雖然RCCI解決了NOx和soot的排放問題，但是對于HC和CO的控制卻并不是那么到位。原因是，進氣道噴射的混合氣進入缸內(nèi)像是活塞與缸套的間隙之類的狹縫區(qū)域，火焰?zhèn)鞑o法觸及，進而造成這一局部的混合氣燃燒達不到完全，所以相對于傳統(tǒng)柴油機而言，RCCI的CO和HC要來的比擬高，同時還影響了RCCI的燃燒效率。由于是低溫預(yù)混合燃燒，其燃燒溫度較低，進而導致排氣溫度同樣略低于傳統(tǒng)柴油機，因此，對于后處理的氧化催化器DOC的低溫處理性能能提出了更高的要求。圖2.3RCCI燃燒與傳統(tǒng)柴油機CDC排氣溫度比照同時，RCCI存在的另一個大問題就是高負荷下的燃燒不穩(wěn)定。盡管中低負荷時的RCCI可以在缺少EGR的情況下就實現(xiàn)NOx和soot的超低排放，并且不失較高的熱效率和平穩(wěn)的工作狀況?？墒钱斬摵芍饾u增加，又要保持較好的排放性能，那么PFI噴油所占據(jù)比例勢必增加，進而導致混合氣壓縮燃燒時發(fā)生類似于汽油機爆震的狀況，壓力升高率急劇上升、壓力波動加劇，燃燒粗暴而不穩(wěn)定。3.3RCCI燃燒的噴油策略雙燃油系統(tǒng)的RCCI燃燒，其燃燒特性必然由各自的噴射策略共同決定，并且相互影響。研究說明，進氣道噴射的噴射正時對與發(fā)動機的性能影響較小，因此PFI噴射持續(xù)的區(qū)間從進氣門開啟后幾乎同時開場，在上止點前200°完畢。然而，缸內(nèi)直噴射的時刻和次數(shù)則很大程度上影響了整機的性能。RCCI燃燒的缸內(nèi)直噴的噴射時間與傳統(tǒng)柴油機不同，需要較早的噴油提前才有較好的排放性。研究說明，單次或?qū)掖螄娚涞膰娚鋮^(qū)間根本都在上止點前200°左右完畢。而對于RCCI燃燒的缸內(nèi)直噴的噴射次數(shù)來說，目前的缸內(nèi)直噴根本上采用1-3次噴射，低負荷采用一次噴射即可，高負荷則可以采用更多噴射次數(shù)以維持排放性能。對于兩套燃油系統(tǒng)的噴射量而言，PFI噴油器的噴油量通常占據(jù)總噴油量的70％左右，當負荷增加，PFI的占比會升高，以到達降低NOx與soot排放的目的。甚至比例能夠到達90％以上，但是隨之而來的問題是，壓力升高率會隨之增加，氣缸有爆燃的傾向和危險。而DI噴油器的噴射量，目的僅僅是為了兩者混合氣能夠在壓縮時得到燃燒，起到引燃混合氣的目的。但是這種考慮兩者的噴油量時，還要實現(xiàn)對于燃燒相位的控制，并保證較低的排放。而對于兩套燃油系統(tǒng)的噴射壓力，PFl噴油器只需0.5MPa的低壓噴射就能夠滿足充分混合的要求，而DI噴油器的噴射壓力則可以選用低于傳統(tǒng)柴油機高壓共軌系統(tǒng)的壓力數(shù)值，一般在50-100MPa可以滿足使用。3.4RCCI燃燒控制策略RCCI燃燒控制策略由進氣狀態(tài)參數(shù)、噴油控制策略、EGR率等控制策略構(gòu)成。低負荷時：對RCCI燃燒控制比擬容易，即便無EGR作用也可實現(xiàn)NOx與soot的超低排放，并且工況較為平穩(wěn)，低噪聲。高速、高負荷時：RCCI燃燒則容易出現(xiàn)爆燃，、進氣溫度、壓力、EGR率等參數(shù)對于發(fā)動機性能的影響較為敏感。負荷的增加要求PFI噴油器噴射量隨之增加。但是，這會引起壓力升高率暴增，從而導致工作會粗暴，有爆燃傾向，因此造成了PFI噴油器噴油量與工作粗暴的矛盾。此時，通過EGR率的匹配是解決這個矛盾的有效方法。研究說明，大負荷(IMEP大于1．7MPa)時，PFI噴油量占比80％左右，不能太高、否則燃燒粗暴。DI分3次噴射，最后一次在上止點附近，需要一定的EGR率(50％左右)?？傮w上，RCCI燃燒高負荷運行時，其噴油策略、壓力、溫度、EGR率等參數(shù)都需要精細控制，及時調(diào)整與反響，才能使RCCI燃燒到達預(yù)期燃燒效果，發(fā)動