高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第页共NUMPAGES41页第PAGE\*MERGEFORMAT41页共NUMPAGES\*MERGEFORMAT41页高速直喷式柴油机燃烧与后处理技术的研究及发展进程柴油机是所有内燃机中效率最高的一种动力装置，由于其性能上的优越性，在未来相当长一段时间内，柴油机的保有量还会增加，发展前景仍被看好。近年来，车用柴油机中直喷式柴油机份额不断提高，国内外对高速直喷式柴油机性能与排放的研究也不断深入，应用领域大大扩大，其倍受青睐的原因在于直喷式柴油机具有燃油消耗率低，一般比同类型的分隔式燃烧系统要降低10％～15％，相应的CO2排放也较低，在燃烧室中，着火开始前燃油与空气的混合相对较好，不需采取附加的辅助起动装置就能顺利实现冷起动等优点。但与分隔式燃烧系统相比，直喷式燃烧噪声较大，NOx和PM排放较高。本文主要针对高速直喷式柴油机（HSDI）燃油喷射系统、燃烧系统及后处理技术的多种实现形式进行分析比较，并对其发展趋势作出预测。一、燃油喷射系统（一）电控泵—喷嘴喷油系统随着燃油喷射向短喷油持续期、大喷油率和高喷油压力方向的发展，穴蚀和二次喷射问题、燃油的泄漏问题等都已成为传统的泵—管—嘴喷油系统发展的主要障碍，从而为泵—喷嘴系统的发展提供了广阔的前景。在20世纪80年代后期由于排放对高喷油压力的要求及电控技术的急速发展，电控泵—喷嘴成了极有魅力的新一代喷油系统。电控泵—喷嘴由于取消了高压油管，所以容易产生高喷油压力，而喷油压力直接影响着柴油机的功率和扭矩，并能改善排放，博世公司生产的柴油轿车用电控泵—喷嘴的喷油压力已高达205MPa，由于泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵—喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这很符合发动机的要求，大众公司的TDI发动机就是使用这个技术。由于采用电控系统，使系统控制灵活，通过电磁阀的两次动作可实现可控喷射，大大降低了噪声和振动，并改善了排放，不易产生穴蚀和二次喷射等异常喷射。与其它新一代柴油喷油系统的共轨系统比较，电控泵—喷嘴最大的特点是容易实现高压喷油，而共轨系统由于其结构特点特别是需要密封的高压部位多使其能够达到的高压受到限制，但电控泵—喷嘴系统喷油压力受发动机转速和负荷（喷油量）影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题；另一方面由于电控泵—喷嘴的供油规律仍采用凸轮控制，在控制喷油压力及实现多次喷射等方面不如共轨系统的自由度大。（二）高压共轨喷油系统柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制在众多的电控系统中有最大的灵活性和自由度。相对于其他燃油喷射系统，高压共轨燃油喷射系统的特点如下[1]:在燃油定量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；对任意缸数的发动机喷油压力调节很宽泛；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化后可达180MPa的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达7次的燃油喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩；排放、噪声降低，柴油机整机性能有所提高。二、燃烧系统（一）传统柴油机燃烧传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中，混合气和温度分布都极不均匀，扩散火焰外壳的高温区产生NOx，内部高温缺氧区产生PM。由于NOx生成的主要机理是高温富氧，为减少NOx排放而采取的导致燃烧温度降低的措施，往往会减少碳烟的氧化，从而导致碳烟排放恶化，因此，无法同时有效降低NOx和PM排放。这是以扩散燃烧为主的传统柴油机所无法避免的。如上所述，NOx和PM排放及燃烧噪声是高速直喷式柴油机必须解决的主要问题，研究资料表明，减少预混合燃烧以降低NOx，强化扩散燃烧以降低颗粒和烟度，同时通过控制喷油速率等措施降低燃烧噪声是燃烧系统改进的主要思路。按此思路，应该采取的措施[2]见图1。（二）HCCI燃烧直喷式柴油机是一种效率很高的发动机，其温室气体CO2和有害气体HC、CO的排放都比汽油机低。但由于它的扩散燃烧和燃烧产生的局部高温这样一些燃烧特点，很难遏制NOX和炭烟（包括微粒物）的生成，并且还存在NOX和PM排放控制目标之间相互冲突的问题。因此，必须促进燃油和空气的混合，从这个观点出发，许多研究者研究了预混合的压缩点燃燃烧，即HCCI[3]。HCCI的技术特点:（1）放热率在一定的工况下，HCCI的