柴油机以其良好的动力性和经济性,得到日益广泛的应用,但它特有的燃烧方式决定了燃烧与排放之间的矛盾,微粒和NOx之间的矛盾。面临日益严格的排放法规和能源危机,为实现柴油机的清洁高效燃烧,国内外科研工作者都将HCCI燃烧作为研究的重点,力图有效解决HCCI点火控制、高负荷扩展等问题,以便尽快投入实际应用。针对燃油撞壁现象,近年来出现了有意引导油束撞击在指定位置的燃烧系统,可以获得良好的油气混合,从而达到改善燃烧的作用。 本文综述了当前广泛研究或应用的柴油机燃烧方式,总结出实现喷雾撞壁燃烧方式的四种主要措施:增设壁面油束反射凸缘,形成二次射流;燃烧室中央增设油束碰撞凸台,在燃烧室中心区域形成圆盘状油雾;喷嘴挡块碰撞,在喷嘴附近形成扩散状油雾;利用燃烧室收口及底部凸台,形成强烈的挤流和涡流。 基于喷雾撞壁的TR(Three-Rapidity)燃烧系统,以“快速燃油喷射、快速混合气形成和快速燃烧”为设计思想,采用收口尖底凸台ω燃烧室,壁面具有导向圆弧,配合锥面4×Φ0.36+垂直中心喷孔1×Φ0.20喷油器。在台架实验上取得了较好的碳烟排放效果。本文采用可视化研究和数值模拟的方式,对TR燃烧系统的混合气形成机理进行研究,并对其燃烧排放性能进行预测,主要内容如下: 首先组建了数字化测试系统,采用频闪照相方法对喷雾场进行测试,探求了用数字图像处理技术自动进行浓度场、喷雾锥角和贯穿度提取的方法。从图像的拍摄到数据的获取,整个过程实现了数字化在线实时测试。采用该系统对TR燃烧室和原ω型燃烧室的对比研究表明,TR燃油撞击壁面后在导向圆弧的作用下剥离,向燃烧室中心偏转,燃烧室底部凹坑内基本没有燃油分布,而原ω型燃烧室底部存在较浓的燃油分布。 对直喷式柴油机的气流运动、燃烧排放、油膜生成进行模拟,发现收口形尖底凸台燃烧室具有较好的混合气质量和燃烧性能,碳烟排放较好。燃油撞壁后在壁面附近形成油膜和较浓的混合气,容易生成有害物质。燃油撞壁可以加强燃油颗粒的蒸发和雾化。针对以上特点,提出喷雾撞壁燃烧系统柴油机的设计思想:采用收口燃烧室和尖底凸台,加强挤流运动,增强燃油雾化与蒸发。利用燃油碰撞加速燃油粒子粉碎和蒸发。减少壁面油膜的生成量,油膜分布薄而均匀。合理控制着火时刻,尽量在着火前将燃油全部喷入缸内,减少火包油的现象。 对TR燃烧室混合气形成进行研究,并和原ω型燃烧室对比,TR燃烧系统中的导向圆弧改变了缸内流场特性,壁面附近的气流运动得到加强,旋涡分布范围合理,加速了混合气的生成。在导向圆弧和中孔喷射的作用下,燃油空间分布趋于均匀,改变壁面燃油富集的现象,提高空气利用率,减少了燃烧室凹坑内未燃混合气的数量,燃烧更加充分。并且高温区域集中分布在燃烧室中部,外围存在温度较低的未燃空气。中孔喷射形成的混合气首先着火,并向四周扩展,时间上有序着火。分析表明中心喷孔直径不能过大。 对TR燃烧系统的性能实验表明TR燃烧系统具有良好的烟度排放特性,NOx排放在中小负荷低于原机排放,在高负荷则有所增加。随着转速的降低,TR燃烧系统的滞燃期延长,缸内温度升高,NOx排放增加,碳烟排放降低。TR燃烧系统对涡流的要求不高,四气门135柴油机的涡流可以较好地满足要求,不需要对原机气道做改动。当采用EGR时,TR燃烧系统在油耗变化不大的情况下,NOx排放明显改善,但是烟度也随之上升,需要确定最佳EGR率。随着喷油提前角向后推迟,TR燃烧系统的NOx排放下降,碳烟排放增加,上止点前11°CA喷油为最佳。对TR燃烧系统应用增压和增压中冷进行预测,采用增压可使碳烟排放降低6%,但NO升高75%。采用中冷措施碳烟排放降低15%,NO升高却只有16%,缸内平均压力大幅度增加。对TR燃烧系统应用分段喷射进行