基于伞喷的直喷式柴油机涡流室燃烧系统的燃烧机理研究

为满足更严格的EPA非道路用发动机排放法规要求，尽快开发面向"三农"的经济适用、环保节能的新型单缸高速柴油机已成为内燃机工作者的迫切任务。而以较低成本加速混合气形成、提高燃烧效率成为这项工作的关键。本项目提出的基于伞喷的直喷式柴油机涡流室燃烧系统，结合了直喷式和涡流室式柴油机的优点，利用伞状喷雾扩散性强、喷油速率快、贯穿距短的优点加速混合气形成，提高混合气的均匀度，控制着火时刻，实现快速燃烧。通过喷雾、燃烧过程数值模拟和缸内喷雾燃烧火焰结构分析的研究手段来揭示新型燃烧系统涡流、挤流和湍流演变规律及时间和空间分布规律；揭示喷雾、混合气形成、燃烧过程和污染物生成的特点和规律及燃烧过程火焰与温度在时间和空间上的演变历程，明确颗粒物在燃烧过程中生成区域和温度场之间的关系，提炼出表征其燃烧特性及着火控制的关键参数，提供能降低柴油机NOx和PM排放的新途径，将有望使发动机有害排放控制技术取得新的进展。

如何同时利用伞状喷雾的优点和涡流室式柴油机低排放的优势，降低传统的涡流室式柴油机的传热损失，提高其经济性与动力性、改善起动性能；扩展伞喷的应用范围，扬长避短，从而将两者高效有机地结合起来，以满足更加严格的EPA 非道路用发动机排放法规进行技术储备就成为当前研究的关键所在。本项目提出的基于伞喷的直喷式柴油机涡流室燃烧系统，结合了直喷式和涡流室式柴油机的优点，利用伞状喷雾扩散性强、喷油速率快、贯穿距短的特点应用在单缸柴油机上以加速混合气的形成，提高混合气的均匀度，通过优化喷油定时、提高喷射速率，控制着火时间，实现快速燃烧，以达到柴油机高效清洁的目的。 . 本项目研究首先利用CFD软件对该新型燃烧系统进行了数值模拟研究。考察喷油提前角、燃烧室形状、涡流比、喷油锥角、通道宽度等因素对喷雾和燃烧过程以及有害排放物生成的影响，获得了影响新型燃烧系统的关键特征参数，揭示了缸内混合气形成、气流运动及燃烧过程和有害物生成的特点与规律。其次利用数值模拟优化的结果加工了燃烧室和喷油嘴，通过发动机台架试验对优化方案进行验证，定量分析所选参数对新型燃烧系统的影响程度。数值模拟研究结果发现：缸内的挤流强度存在极值，在压缩行程，随着活塞上行，挤流强度逐渐变大，在上止点之前约20°达到最大，而后下降，在接近上止点时，达到极小值。在喷雾之前，缸内的湍流主要受挤流的强弱所控制影响；在喷雾和燃烧情况下，缸内的湍动能大小及温度场分布受燃烧涡流和逆挤流共同作用影响。试验研究结果发现：对于新型燃烧系统较之原机，兼顾经济性及排放性能，应采用较小的供油提前角为宜，不应大于10°CA BTDC。通道宽度不宜过小，低于3mm时启动着火较困难。油嘴伸出缸盖底面的高度对喷雾和燃烧过程也有较大的影响，应使在喷油时刻，喷雾正好能在气流作用下进入通道为宜。在中小负荷情况下，发动机的氮氧化物排放较原机有所降低。应进一步提高喷射压力来改善雾化状况。. 计划下一步通过可视化激光诊断试验获取伞喷气液相浓度分布、中间产物浓度和碳烟体积分数的定量数据。本项目的研究工作丰富和发展了伞喷燃烧理论，提供了能降低柴油机NOx 与PM 排放的新途径，对认识新型燃烧系统的燃烧规律和污染物生成与降低机理有重要的学术参考价值。