使用滞后单次喷射策略在小口径直喷光学柴油发动机中燃烧空气——燃油混合气.docx

1、使用滞后单次喷射策略在小口径直喷光学柴油发动机中燃烧空气燃油混合气摘要空气-燃料混合和燃烧在小口径直喷光学柴油机单一注射延迟策略的研究。注射压力的影响和时间分析基于 in-cylinder 放热分析、液体燃料和燃料蒸汽成像激光诱导激态络合物荧光技术,和燃烧过程可视化。排气管氮氧化物排放测量。结果表明，增加注射压力有利于烟尘的减少而增加氮氧化物的排放。注入时机导致同时减少碳烟和氮氧化物的排放与预混均匀压缩着火(HCCI)燃烧模式。气缸的蒸汽分布相对均匀,这证实了预混燃烧在当前研究的观察。这些燃烧的假设路径模式进行了分析和讨论了等价 ratio-temperature 图。关键字 高速直接喷射(H

2、SDI)柴油发动机; 激光诱导荧光激发复合体(自燃)技术; 均匀压缩着火(HCCI) 燃烧; 自然火焰光度1、介绍直喷(GDI)柴油发动机比汽油发动机间接注入提供更高的热效率和可靠性。例如，然而，废气排放氮氧化物(NOx)和可吸入颗粒物(PM)减少，以满足更严格的排放标准1 。由于氮氧化物和 PM 排放权衡法规，传统柴油燃烧很难同时减少这两个排放。必须开发新技术来解决这个问题。均匀电荷压缩点火(HCCI)概念是这样一个新技术以满足这些需求。HCCI燃烧第一次喷入2和3 在二冲程 SI 发动机。结果表明，这是一个不同于传统的 SI 和 CI 燃烧新的燃烧方式。HCCI 燃烧最初冷火焰燃烧化学反应

3、发生在较低温度，其次是热的火焰燃烧4。然而，HCCI 燃烧的点火过程极大地取决于燃料属性。许多调查，柴油 HCCI 燃烧5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12和13 已经出版,但只有一些实际的技术实现了在商业柴油发动机。其中 ,调制动力学燃烧是一个滞后注入策略14, 15, 16, 17, 18和19。这个新的燃烧方式减少氮氧化物和烟雾，同时由于低温和预混燃烧减少了燃料消耗。可燃烧的操作范围扩大在后面的学习15和第二代可燃烧系统开发。另一篇论文讨论了低温和预混燃烧实验和数值16。漩涡运动对燃烧过程的影响进行了分析通过 KIVA 热流测量和模拟。漩涡影响燃烧室的燃料分布与抑制 HC

4、形成由于更少的燃料蒸汽接触缸壁, 减少火焰熄灭效果,并提高了热效率阻止火焰接触，活塞壁传热损失较小。这是显示增加进气压力，EGR 率高，最高燃烧温度较低的注射时间和更彻底的预混燃烧。可燃烧的参数研究是由崔 et al18。解决可燃烧可能被视为“high-EGR，滞后注入校准常规柴油燃烧,而不是 pre-dominantly 预混，HCCI-like 燃烧过程” 19针对单一注射策略。早期注入和晚期注入 HCCI 燃烧模式，特别分析和假设路径等价比率和温度两种燃烧模式定性说明。等价比率和温度与烟尘和氮氧化物形成地图是非常有用的工具来分析低温燃烧机理20和21 。降低火焰温度有助于减少积灰20和2

5、1 。注射压力也扮演重要的角色在实现改善混合烟雾排放所示降低了先前的研究22, 23, 24, 25, 26和(27)。注射压力的增加导致最高功率的增加,减少燃料消耗,增加燃烧噪声,减少烟雾排放22。预混燃烧的水平显示减少增加注射压力和燃烧室中看到更多的均匀燃烧较高的注射压力23。注入压力越高24，烟尘的平均体积分数在整个室被发现显著降低。注射压力的增加导致了快速燃烧,严重降低烟尘特别是在部分负荷和低发动机转速没有排放的增加26。从这些研究中 ,它通常被认为, 增加注射压力导致更好的混合燃料,降低烟尘排放,但 NOx 排放增加。为了实现在柴油机 HCCI 燃烧,燃料混合过程中扮演着关键角色。激

6、光诱导荧光激发复合体( 自愿) 技术是一种独特的技术,允许同时非侵入性的液相、气相分布的可视化滴或喷雾。这项技术最初是由梅尔顿28,它被许多研究人员应用于发动机气缸空气-燃料混合过程进行调查。早期研究应用强度技术在发动机气缸是由巴兹利等。29。二维的图像取得了液相和汽相分布。调查发现在高压环境环境中非常强大。因此,所有获得的结果在氮气环境中 ,由其他研究人员使用强度采用后喷雾技术研究。可视化应用液体和蒸气燃料分布在一个 HSDI 柴油机是由崔 et al 发现的30 。结果显示漩涡运动汽相分布的影响, 同时影响小的液相。刚形成的汽相是燃油喷射喷雾的外围。HSDI 光学引擎和现实中的强度测量活塞

7、的几何形状是由马修斯等。(31)。同时液相与气相分布可视化为单个注入和多个注入策略。因为有很多文献对强度技术,这种技术的细节将不会讨论在当前工作。一些很好的描述关于这个技术参中可以找到。28, 29, 30和(31)。燃烧可视化提供了定性的不同的喷射策略的影响。燃烧火焰光度成像通过使用光学引擎技术,已获得广泛使用32, (33), (34), (35), (36), 37, 38, (39),40, (41), (42), (43)和(44)。这些研究发现点火位置、火焰温度、火焰锋面相互作用和后期的证据,如烟尘氧化。事实证明,自然火焰光度 in-cylinder 燃烧研究可视化是一种强大的工具

8、,当火焰的温度/氧化过程是相当低的。在目前的调查,光的预混燃烧 HCCI-like 实施，访问小口径 HSDI 柴油机和影响因素如注射压力和滞后注入时间进行了研究。燃料混合和燃烧过程进行利用强度技术和高速可视化自然火焰光度。In-cylinder 压力测量采用压电压力传感器安装在汽缸和放热在排气管氮氧化物排放进行了测试。2。光学引擎和设施单缸 DIATA(直接注入 Through-bolt 组装)研究发动机由福特汽车公司提供修改到光学引擎用于当前的实验。DIATA 引擎中列出的关键方面 表 1。使用的设计类似于 drop-liner 设计在利弗莫尔的桑迪亚国家实验室,CA, 如图 1。光从下面

9、通过熔融石英活塞顶附加到 Bowditch-type 活塞扩展进入燃烧室。用于本研究的光学发动机的完整描述可以在以前的出版物中找到(31)。CP1 博世高压共轨喷射系统利用一个高压泵，并能注入压力达到 1350MPa。这个燃油喷射系统属于第一代高压共轨系统。喷油器是由电磁铁控制阀控制的 valve-covered-orifice 喷射器 ,它有六个 0.124 毫米的喷孔喷，雾锥角为 150。表 1规范的单缸 DIATA 研究引擎直径 70 毫米行程 78 毫米行程/缸 300 cc压缩比 19.5:1涡流比 2.5阀门/缸 4进气门直径 24 毫米排气阀直径 21 毫米最大气门升程 7.30

10、/7.67 毫米(进气/排气)进气阀打开 13 CAD ATDC(在 1 毫米气门升程)进气阀关闭 20 CAD ABDC(在 1 毫米气门升程)排气阀打开 33 CAD 进行检查(在 1 毫米气门升程)排气阀关闭 18 CAD BTDC(在 1 毫米气门升程)图 1光柴油发动机的示意图光学成型材料被用来生成激光表。两个工业所用 CCD 摄像机安装在汽缸内，使用封闭的微通道板图像增强器。分辨率为 8 位的相机。镜片是用特殊的紫外线传输，尼克尔镜头的最大光圈 f4.5。这些相机都配备适当的带通滤波器与 10 nm full-width-at-half-maximum(半最大值)带宽。v7.1 高

11、速数码摄像机是用来捕捉自燃火焰发射。国家仪器虚拟仪器使用 6.0 版本的数据采集和计时软件。光学轴角编码器与 0.25 曲柄角分辨率提供数据采集基础。发动机温度和压力由一个多功能数据采集板监视。运行引擎和相机的时间参与了通过使用 32位 16 位计数器/定时器。3。引擎操作条件从操作条件方面，这台发动机在低负载的地区提出实验结果。进气压力为1.4MPa 和进气温度为 60C。发动机转速保持在 1500 RPM 和 EGR 率保持在25%。喷射压力从 600MPa 到 1000MPa。平均通过调整注入持续时间。操作条件总结如 表 2。欧洲低硫柴油燃料 ,选择所示的属性如 表 3。表 2。发动机操

12、作条件总结情况下铁路压力(bar)主要 SOI(CAD BTDC)主要时间(s)燃料量(毫米 3)燃料质量(毫克)IMEP(bar)1 600 0 165 7.7 6.4 2.982 1000 0 94 6.7 5.6 3.043 600 2 165 7.7 6.4 2.754 1000 2 94 6.7 5.6 2.98表 3欧洲低硫柴油选择属性实验比重 0.8352十六烷值 52.9硫(ppm) 27.5中期沸点(C) 260进行强度试验时,使用一个激发复合体系统组成的基础燃料十四烷 (90%按重量),与萘 (9%按重量)和 TMPD 重量(1%)掺杂。蒸汽信号峰值在 380 nm 和液体

13、信号的峰值在 470 海里。照射激光能量在 200 mJ /脉冲。相机是封闭的 200 ns。此技术可以在以前的出版物(31) 和38 中找到。由广泛的光学 DIATA 引擎提供的访问,图像燃烧三维成像是适用的(39), 40,(41), (42)和(43) 。使用高速摄像机和图像帧率为 12000 帧每秒 512256 的分辨率从发动机底部和侧面来捕获燃烧图像。这个帧速率对应于 0.75 CAD 之间间隔两个连续的图像在 1500 rpm。在所有的情况下, 光圈和曝光时间是我们2。mexa - 720 从 Horiba 氮氧化物分析仪用于测量氮氧化物浓度稀释的排气管skip-fire 模式下

14、光学引擎,这意味着三个喷射周期减少光学零件的热负荷。安装在排气管后氮氧化物传感器连接到信号分析仪对氮氧化物浓度读数。non-sampling 氮氧化物分析仪提供了更快的响应。传感器响应时间约为 0.7 秒。根据操作手册之前排放测量对分析器进行校准。发动机在 skip-fire 模式下运行，一定时间后氮氧化物达到稳态状态。氮氧化物浓度被记录。然后发动机关闭。每个条件下收集数据。最后的氮氧化物排放值修正频宽比的基础上操作的模式。4。结果和讨论4.1。In-cylinder 压力、热释放速率和火焰光度In-cylinder 压力、热释放率和空间集成火焰光度(SIFL)4 例所示 如图 2。相比之下,

15、汽车的压力也被绘制。增加喷射压力导致更快的燃烧速度 ,压力的增加使燃油喷雾雾化和混合更好。喷油迟后期对燃烧过程有很大的影响。例 3 和 4 有很多点火延迟相关案例 1 和 2。结果热释放率与观测一致 in-cylinder 压力的情节。高压喷射情况下，燃烧曲线范围更小和最高点更高，更快速的燃烧速度和集中放热过程,放热率曲线形状对于降低注射压力情况。更低的放热率峰值导致较低的燃烧速度,延迟喷射时间也会导致放热率曲线峰值较低。图 2in-cylinder 压力，放热率曲线和空间集成火焰光度(SIFL)曲线作为曲轴转角的函数 4 例利用空间集成火焰光度(SIFL)得到的四个案例总结 bottom-v

16、iewed 燃烧图像的像素值。见 SIFL 曲线 如图 2,由图像可以看出更高的火焰光度较低的喷射压力峰值。增加喷射压力可以显著减少火焰光度。延迟喷射时期导致更低的火焰光度。超低火焰光度表示延迟喷射时间的无烟燃烧情况。在某种程度上,火焰光度作为燃烧的烟尘浓度和燃烧温度的标志(44)。由火焰光度和放热率之间的比较也可以看出，火焰光度开始出现时,放热率峰值通过例 2,3,4,表明预混燃烧HCCI-like 在这些条件下,大部分的热量释放依据 flame-less 燃烧模式。放热率曲线峰值出现早于火焰光度最高值出现。这些结果表明,烟尘的形成需要一定的温度, 放热量和一定的停留时间。放热速率峰值和火焰

17、光度峰值，烟尘形成出现在燃料浓度较高以及高温区域。火焰光度达到最高值后,烟灰氧化主导和火焰光度下降。碳烟氧化过程慢于烟尘的形成过程。为了显示喷射参数对烟尘和氮氧化物的生成影响，形成的时间集成 SIFL数据绘制(TISIFL)和氮氧化物的排放量 如图 3。TISIFL 参数反映，氮氧化物排放，碳烟排放特征代表排气管中的浓度。如图所示, 先前的研究人员(45)“空间综合自然光度(SINL)被发现与烟尘体积分数变化线性反应燃料喷射数燃料和一系列 charge-gas 温度” 。从结果看出,在同样的条件下增加喷射压力，增加氮氧化物排放和延迟喷射时间导致降低氮氧化物的排放。然而,烟尘排放, 通过增加喷射

18、压力和延迟喷射时机可以使 TISIFL 参数显著减少。这表明 ,同时减少烟尘和氮氧化物排放是可能阻碍喷射时机。基于燃料大规模条件,例 4 与例 2 相比, 在高压喷射，由于延迟注入时机的改变引起燃烧效率的改变，可以忽略不计。如图 3。氮氧化物排放和的时间集成 SIFL 4 例。4.2。燃料混合强度的技术为了进一步验证滞后喷射，燃料混合过程策略,激光诱导荧光激发复合体(自愿)技术用于可视化液体和蒸汽分布。液体分布为例 1 和例 2 与 600MPa 和1000MPa 的喷射压力棒在第一和第三行 如图 4。各自的蒸汽分布的第二和第四行所示 如图 4。第一个液体信号是在大约 1.25 CAD 开始后的注射压力;然而, 液体的变化在较高的喷射压力下更明显。因为这与更高的喷射速度相关,较高的喷射压力的液体燃料略高于那些在较低的喷射压力的喷射期间。整体液体结构方面，不同的喷射压力，早期喷射期间非常相似。发生在液体燃料的喷射率与燃料蒸发的速度平衡。喷射燃油的穿透距离受到当前喷射压力的影响,尽管这种液