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柴油機(jī)新型低排放燃油噴射技術(shù)的研究與應(yīng)用

文檔作者：鄒明，李本劼文檔來源：鎮(zhèn)江市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月07日
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柴油機(jī)新型低排放燃油噴射技術(shù)
的研究與應(yīng)用
鄒明，李本劼
（鎮(zhèn)江市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，江蘇鎮(zhèn)江212003）
摘要：介紹了柴油機(jī)低排放技術(shù)下燃油噴射研究的進(jìn)展，并著重介紹了燃油二次射流技術(shù)，燃油多次噴射技術(shù)以
及閃急沸騰噴射技術(shù)在柴油機(jī)降低排放中的應(yīng)用與實(shí)踐。分析與總結(jié)了不同燃油噴射技術(shù)的特點(diǎn)，展望了未來柴油機(jī)
低排放燃油噴射技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；排放；燃油噴射；研究現(xiàn)狀
中圖分類號：TK 42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
文章編號：1001-5523（2012）06-0031-03
柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的污染物是導(dǎo)致環(huán)境惡化的主要
因素之一。能源短缺的突出化，社會發(fā)展的快速
化以及商業(yè)競爭的激烈化使得超低排放技術(shù)成
為柴油機(jī)燃燒技術(shù)的重要研究方向， 如何獲得高質(zhì)量的空/
燃混合氣成為了新型低排放燃油噴射技術(shù)的主要課題。本文
介紹了國內(nèi)外先進(jìn)的柴油機(jī)燃油噴射技術(shù)，包括缸內(nèi)二次射
流、多次噴射及閃急沸騰噴射等，并對柴油機(jī)燃油噴射技術(shù)
的發(fā)展進(jìn)行了展望。
1 燃油二次射流
柴油機(jī)缸內(nèi)二次射流技術(shù)主要是利用燃油噴射碰壁后
形成的反射油束來擴(kuò)展油束與空氣的接觸范圍及相互作用
的時(shí)間， 為燃油霧化并與空氣混合贏得更多的時(shí)間與空間。
國內(nèi)研究二次射流燃油噴射技術(shù)有代表性的是天津大學(xué)提
出的BUMP 噴射技術(shù)與大連理工大學(xué)提出的TR 噴射技
術(shù)。
BUMP 噴射概念由天津大學(xué)蘇萬華等人[1]提出，通過在
燃燒室壁面設(shè)置限流沿（BUMP 環(huán)），使壁面射流遇到限流沿
后，從壁面剝離，迅速擴(kuò)散形成空間二次射流，其噴射模型見
圖1。蘇萬華等人[2～3]利用激光誘導(dǎo)熒光法及數(shù)值模擬方法研
究了BUMP 燃燒室內(nèi)的噴霧場， 發(fā)現(xiàn)BUMP 燃燒室內(nèi)燃油
堆積量少、BUMP 附近的“雙渦結(jié)構(gòu)”、二次射流對周圍空氣
的卷吸是形成均勻混合氣的原因。研究還發(fā)現(xiàn)BUMP 的位
置、高度、形狀和角度的差異對混合氣二次射流的效果影響
較大，這對實(shí)際應(yīng)用有很大的指導(dǎo)意義。
TR（Three-Rapidity）是大連理工大學(xué)提出，以“快速燃
油噴射、快速混合氣形成和快速燃燒”為設(shè)計(jì)思想，在燃燒室
壁面設(shè)置導(dǎo)向圓弧，使燃油向中心偏轉(zhuǎn)，充分利用燃燒室的
混合空間，在燃燒室底部設(shè)置平頂凸臺，使噴射到凸臺上的
燃油形成圓盤狀的噴注，以此來加強(qiáng)空/ 燃混合作用。其結(jié)
圖1 燃油Bump 平板撞壁過程的噴射模型
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·2012年第6期
構(gòu)見圖2[4]。
TR 燃燒系統(tǒng)可使燃油與空氣混合質(zhì)量大大提高， 但在
中高負(fù)荷工況下系統(tǒng)的NOX排放較高， 這主要是因?yàn)轭A(yù)混
合燃燒的比重在中高負(fù)荷工況下比較大，熱效率比較高[5]。
2 燃油多次噴射
燃油多次噴射技術(shù)主要根據(jù)不同柴油機(jī)的燃燒特點(diǎn)，通
過不同階段的燃油噴射霧化獲得高質(zhì)量的可燃混合氣。有代
表性的多次噴射方案有豐田公司提出的UNIBUS 噴射模式
和Wisconsin 大學(xué)提出的PCCI 噴射模式。
日本豐田開發(fā)的UNIBUS 柴油機(jī)已開始正式投產(chǎn)使用，
其主要思路是在著火前使燃油與空氣混合充分，形成冷焰反
應(yīng)，使隨后的主燃燒反應(yīng)能被較好地控制。采用二次噴射策
略，提高噴油壓力及使用EGR 來形成均質(zhì)混合氣。第一次噴
射為預(yù)噴，通過控制噴射時(shí)刻、噴油量使第一次預(yù)噴燃油在
二次噴射前一直處于低溫反應(yīng)狀態(tài)，第二次噴射發(fā)生在上止
點(diǎn)附近，作用是引發(fā)燃燒，二次噴射后NOX，PM 幾乎為零[6]。
PCCI（Premixed Charge Compression Ignition） 由Wisconsin
大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心（ERC）提出，其概念與HCCI 模
式類似，是在著火前形成全局預(yù)混合氣，避免局部過濃混合
區(qū)。PCCI 主要通過極為提前的預(yù)噴和大EGR 率延長混合氣
的混合時(shí)間， 其NOX 和Soot 排放效果好于HCCI。雖然
PCCI 系統(tǒng)的油耗和HC、CO 的排放高，Sangsuk Lee 等[7]研究
表明燃油噴射到燃燒室壁面的時(shí)候，CO 排放可大大降低。為
了擴(kuò)大PCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍，Horibe 等[8]在共軌噴油系
統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，說明采用一級噴射和二級噴射的方法發(fā)現(xiàn)
二級噴射能更有效的降低NOx排放。
3 閃急沸騰噴射
目前利用閃急沸騰原理獲得較好地燃油霧化效果的燃
油噴射類型主要有溶氣式燃油閃急沸騰噴射與過熱式燃油
閃急沸騰噴射兩種。
制備溶氣燃油是為了獲得閃急沸騰噴霧效果，即當(dāng)溶氣
燃油噴入高溫高壓燃燒室后， 經(jīng)歷了圖3 所示的兩個(gè)過程。
在A-B 過程中，溶氣燃油的壓力下降，噴嘴狀態(tài)從液相區(qū)經(jīng)
過飽和液相區(qū)過渡到兩相區(qū)，形成了油包氣液滴；在B-C 過
程中，溶氣燃油的溫度急劇上升，油包氣油滴內(nèi)的氣泡核長
大，導(dǎo)致了高壓氣泡的產(chǎn)生，這些高壓氣泡克服油滴表面張
力，產(chǎn)生微爆效應(yīng)，加強(qiáng)了油滴的破碎，進(jìn)而提高了霧化質(zhì)
量。在從兩相區(qū)到達(dá)氣相區(qū)過程中，通過飽和蒸氣線，會產(chǎn)生
閃急沸騰現(xiàn)象，使油滴迅速汽化[9]。
上海交通大學(xué)黃震等人[9～12]在20 世紀(jì)90 年代初就開始
了溶氣燃油閃急沸騰噴射過程的相關(guān)研究。黃震教授等人通
過在定容彈上進(jìn)行溶氣燃油實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在135 柴油機(jī)上進(jìn)行
圖2 TR 燃燒系統(tǒng)的混合氣形成示意圖
圖3 溶氣燃油閃急沸騰噴射與傳統(tǒng)液體噴射對比示意圖
圖4 過熱燃油閃急沸騰噴射與傳統(tǒng)液體噴射對比示
意圖
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了實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果顯示，利用溶氣燃油產(chǎn)生的閃急沸騰現(xiàn)象
噴射燃油，可提高燃油的霧化效果，從而改善燃燒狀況，減少
PM 的排放。同時(shí)研究還指出，在燃燒過程中，燃油中溶解的
CO2可在內(nèi)部起到EGR 的效果， 從而減少NOx的排放量。
研究還特別針對溶有CO2的正十二烷噴射霧化的相變過程，
進(jìn)行了特性分析，并指出燃油噴射過程的相變對閃急沸騰的
發(fā)生具有至關(guān)重要的作用。
過熱燃油是為了獲得閃急沸騰噴霧效果，主要過程是把
燃油加熱至飽和溫度之上，在噴射燃油時(shí)，由于燃油壓
力的迅速降低，造成噴油壓力小于燃油的飽和壓力，因此
會出現(xiàn)閃急沸騰噴霧現(xiàn)象。圖4 展示了閃急沸騰的噴射
(1-2-3-4 過程)與傳統(tǒng)液體噴射(a-b 過程)的壓力—溫度的
分布區(qū)域[9]。
Kim 等人[13]分別在常壓定容室和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)對過熱乙醇
進(jìn)行了閃急沸騰的噴霧試驗(yàn)，結(jié)果表明過熱燃油引發(fā)的閃急
沸騰噴霧能夠增大初始噴霧錐角， 減小噴霧貫穿距長度，提
高霧化質(zhì)量。張煜盛等人[14]基于燃油熱強(qiáng)化產(chǎn)生的閃急沸
騰噴霧效應(yīng)， 對渦流室柴油機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究， 結(jié)果表
明， 在一定的強(qiáng)化溫度范圍內(nèi)， 柴油機(jī)燃油消耗有所降低，
PM、CO 和NOx 排放量大幅下降， 排氣溫度和整機(jī)噪聲也
有所降低。
4 總結(jié)
柴油機(jī)缸內(nèi)二次射流通過撞壁擴(kuò)展射流的時(shí)間與空間
的霧化作用，能提高燃油與空氣的混合率，但噴油定時(shí)提前
使稀混合氣在撞壁前參與燃燒，造成撞壁燃油減少，二次射
流混合作用降低。因此加快油束運(yùn)動(dòng)速度，減少撞壁距離，使
噴霧在著火前達(dá)到燃燒室壁面， 是實(shí)現(xiàn)二次射流技術(shù)的關(guān)
鍵，也是未來二次射流技術(shù)發(fā)展的主要方向。
多次噴射存在的問題是在高負(fù)荷下，氣缸內(nèi)很快形成了
均質(zhì)混合氣，造成燃燒速度過快，因此很難對著火時(shí)刻和燃
燒速度進(jìn)行控制，易產(chǎn)生爆震。這些問題極大地限制了多次
噴射技術(shù)在柴油機(jī)中的運(yùn)行范圍，是當(dāng)前多次噴射技術(shù)進(jìn)一
步推廣的主要技術(shù)障礙。
閃急沸騰噴射技術(shù)能在柴油機(jī)中具有較好的霧化效果，
能獲得較高的混合氣質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的均質(zhì)燃燒，應(yīng)用前
景廣闊。但溶氣式閃急沸騰噴射還需進(jìn)行深入研究解決溶氣
燃油制作成本高、長期儲存困難等問題。對于過熱式閃急沸
騰噴射，燃油加熱后燃油粘度會降低引起油泵失效，目前還
沒有出現(xiàn)一種能在柴油機(jī)上能實(shí)際應(yīng)用提供燃油閃急沸騰
噴射連續(xù)供給的方案。
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收稿日期：2012－09-05
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