排放法规逐渐严格,传统内燃机产业面临巨大挑战的大背景下,本课题组为了探索能提升内燃机热效率同时能够降低有害物排放的方法,从燃烧源头切入提出了“反应控制的均质混合气梯级自燃燃烧模式”的新思路。为此开发了内部加热式的定容燃烧弹用于新型燃烧模式的探索试验。已开发的定容燃烧弹内部温度梯度过大,通过计算燃烧弹表面的散热量,加工了保温装置对其进行了改进,减少了弹体表面的散热损失,用乙醇、汽油、柴油、十二烷等燃料在改进后的定容燃烧弹试验台架上进行燃烧和改进后的验证试验,对比改进前后混合气燃烧的改善程度,从而验证温度场的改进对混合气燃烧的改善。首先对现有燃烧弹的特点进行了分析,针对燃烧弹的散热问题利用经验公式计算出其表面的散热量,由散热量大小设计了保温件的加热功率,根据燃烧弹的形状尺寸和燃烧弹弹体上的部件位置设计并加工了燃烧弹的上下盖保温件和弹体四周的保温件,完成了对保温件的安装和调试工作。根据试验需要对保温件的加热功率进行调节,在保温件和220V电源之间安装了电压调节器,可以实现对保温件的输入电压在0-220V范围内连续可调。其次通过调节内部加热丝的供电电压,分别在输入电压为30V、40V、50V、60V四种加热功率下对保温后的燃烧弹温度场进行了测量,得出在燃烧弹内部轴向高度为30-50mm、径向上在半径为30-45mm的区域内是弹体内的温度场的温度最高区域,在该区域内温度差不超过40K。并将保温后测量的温度场和保温之前的温度场做了对比分析,得出对燃烧弹保温后温度场的均匀性得到很大的改善,在30V加热电压时弹体内部的温度梯度减30K,保温后弹内的平均温度提高20K以上,温度氛围得到改善。然后用几种不同燃料通过调节燃料供给时刻在保温后的定容燃烧弹上研究了不同燃烧模式下混合气燃烧的瞬时放热率,缸内压力的压力升高率等,通过缸内的压力变化计算保温前后混合气燃烧效率,通过试验数据对比分析得出混合气在保温后的定容燃烧弹内试验的燃烧热效率和保温之前的燃烧热效率相比最大提高了30%。用AVL的DICOM 400型五气分析仪对燃烧弹内混合气的燃烧废气进行采样检测,在增加保温装置后减小了定容燃烧弹的散热损失,燃烧弹内的温度场更加均匀,有利于燃料的完全燃烧。增加保温后可以在一定程度上减少淬熄层厚度,减少HC排放量,通过以上试验数据分析发现,保温后对于当量比为0.6的汽油混合气碳氢排放量的减小幅度最大,对癸烷和乙醇混合燃料保温前后的有害物排放量有一定改善。保温后燃烧弹内混合气燃烧产生的有害物排放量有很大改善。试验过程中利用DMS 500对燃烧后的废气进行采样,检测燃烧后排放的废气中微粒的排放量和粒径分布状况。对试验用的几种燃料在燃烧弹内燃烧的废气分析可知,对于纯质燃料癸烷和十二烷两种燃料燃烧废气中微粒以核模态微粒为主,占比达95%以上,而柴油和正庚烷乙醇混合燃料的燃烧废气中微粒主要以积聚态微粒为主,核模态微粒的占比小于10%。从微粒的排放数量来看,柴油微粒排放比其他几种纯质燃料高。总体来看改进之后的定容燃烧弹由于温度场更加均匀对于改善混合气的燃烧,减少微粒生成及排放方面效果明显。