基于排放特性的小型风冷柴油机燃烧过程研究

我国小功率非道路柴油机产量和使用量大,现行排放标准对小功率段的排放要求十分严苛。由于受单缸风冷柴油机结构限制,低排放的可用技术受限,特别是HC、CO比排放偏高,因此对其开展燃烧过程和降低排放研究具有重要的学术意义和工程价值。本文以186F风冷柴油机为研究对象,采用台架试验与模拟仿真相结合的方法,研究排放物生成和燃烧过程的关系、探索低排放燃烧条件和HC、CO的生成机理。原机试验表明,控制整机NO_X在合适的范围,HC和CO排放偏高,特别是在小负荷工况下的HC、CO分担率偏大。使用模拟分析对比了不同燃烧室结构和压缩比方案下的缸内速度场、混合气浓度场、温度场的分布情况,结合排放物生成特性,得出小负荷工况下,HC、CO排放量大小与缸内压缩终了和预混燃烧前期温度有关,当压缩终了温度达到850 K以上时能够有效减少HC、CO排放生成量;燃烧后期缸内温度升高,CO的氧化能力增加,CO排放量可减少。用增大压缩比的燃烧室结构和外部排气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)试验方案进行整机匹配,结果表明:在控制NO_X排放一定范围的同时能有效降低HC、CO和烟度排放。通过实测气缸压力和放热规律计算分析,得出研究方案能提高压缩温度和燃烧温度,缩短滞燃期,改善油气混合,有效组织燃烧,提高燃烧效率。引入EGR能进一步提高压缩温度,且抑制最高燃烧温度的发展,加速燃烧前期燃油液滴的汽化,燃烧始点提前,有效减少了后燃,最终使CO、HC和HC+NO_X的整机比排放较原机方案降低了47.7%、56.8%和20.6%;为了进一步降低风冷柴油机中小负荷下的排放,应用热管理理论,改进导风罩壳的结构,设置旁通风口,并通过设计与油门联动的机构可变旁通风口的面积,减少中小负荷工况对气缸盖的冷却来提高缸内燃烧温度,试验结果是HC和CO的初次排放分别下降了7.1%和10.0%,而NO_X小幅度增加了2.5%。研究工作通过改进设计燃烧室结构、提高压缩比、运用外部EGR、改进导风罩壳结构,结合喷油系统的匹配,改善了单缸风冷柴油机缸内燃烧过程,降低了整机排放。最终柴油机CO、HC+NO_X、PM整机比排放分别达到了4.22、6.36和0.52 g/(kW·h),相比于原机分别降低了50.6%、23.3%和16.1%,满足我国非道路柴油机排放标准(中国第三、第四阶段)的要求。研究工作对同类型的小型风冷柴油机的发展提供了理论指导和技术参考。