燃料特性和喷射策略对部分预混燃烧影响的试验研究

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部分预混压燃燃烧(PPC)具有实现高效清洁燃烧的潜力,是当前的研究热点之一。但是在大负荷工况,PPC预混燃烧比例大,会导致较高的压升率,同时仍不可避免的存在扩散燃烧过程,导致碳烟排放。因此,大负荷工况压升率、热效率和排放之间的矛盾,是PPC模式面临的主要挑战。近年来,国内外研究人员围绕燃料特性与发动机的协同优化实现PPC高效清洁燃烧开展了大量研究。研究人员发现,燃料辛烷值及其敏感性会通过燃料活性、燃料组分以及低温中温放热等对PPC燃烧和排放产生重要影响;喷射策略是实现缸内混合气分布调控的主要手段,对PPC燃烧和排放控制也有重要作用。因此,为解决PPC大负荷燃烧和排放问题,本文系统开展了燃料辛烷值和辛烷值敏感性耦合喷油策略对PPC燃烧和排放特性影响的试验研究。首先,基于台架试验,系统研究了燃料辛烷值及其敏感性对PPC燃烧和排放的影响。结果表明,燃料辛烷值越高,预混燃烧比例越大,碳烟排放降低,但最大压升率升高,NOx排放增加;高敏感性燃料的滞燃期较长,预混燃烧比例较大,指示热效率增加,碳烟排放和积聚态颗粒比例降低。含有甲苯的高敏感性燃料TRF95的NOx排放最高,含有乙醇的高敏感性燃料ERF95的NOx和碳烟排放最低,并且随着EGR增加,碳烟增幅较小,但是最大压升率较高。市售95号汽油较低的粘度和较高的挥发性会对PPC燃烧产生显著影响,其最大压升率和碳烟均高于ERF95燃料。为解决高敏感性燃料压升率高的问题,进一步研究了两次喷射对不同辛烷值和敏感性燃料PPC的影响。结果表明,对于RON90燃料,预主喷间隔较小时,喷射间隔对压升率和气体排放影响较大,但对颗粒物排放影响较小。适当的预主喷间隔可有效降低最大压升率,同时保持较低排放。随着预喷比例增加,最大压升率先降低后上升,NOx和颗粒物排放均降低,积聚态颗粒比例降低,且预喷比例为30%时不同燃料的压升率最小,其中ERF90敏感性为4燃料(ERF90S4)的最大压升率较小,同时NOx和颗粒物排放较低,指示热效率较高。对于RON70燃料,敏感性对燃烧和排放的影响较小。两次喷射策略下RON70燃料低压升率对应的预喷比例和主喷正时范围更宽,且与单次喷射相比,RON70采用两次喷射可降低颗粒物和NOx排放;其中,虽然ERF70S4燃料的压升率略高,但NOx和颗粒物排放更低,指示热效率更高。通过燃料特性和喷油策略优化,ERF90S4燃料在30%预喷比例下,最大压升率、NOx排放和颗粒物数量浓度分别为0.65MPa/°CA、1.1g/(k W·h)、2.31×10~7#/cm~3,同时保持46.1%的指示热效率。
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