RCCI燃燒技術(shù)研究解析

1、休I曲夬弟論文題目發(fā)動機 RCCI 燃燒技術(shù)方案研究學生姓名 _學生學號S150200369_專業(yè)班級_學院名稱_指導 老師楊小龍_2015 年 10 月 日第1頁湖南大學畢業(yè)論文摘要在環(huán)境問題日益嚴重的今天，汽車排放的凈化處理技術(shù)顯得愈加重要。以現(xiàn)有的后 處理技術(shù)，雖然可以使排放數(shù)值達到標準，但是其后續(xù)的費用、復雜的結(jié)構(gòu)、昂貴的原 料使得排放性和經(jīng)濟性無法得到平衡。本文旨在解決過分依賴后處理來提高排放所引出的問題，通過優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過程，運用RCCI 技術(shù)降低排放、減輕后處理負擔，最大限度的平衡經(jīng)濟性和排放性的國四柴 油機技術(shù)的匹配。RCCI ( Reactivity Con trolled

2、Compressio n Ign itio n)是比較新的一種低 溫預混合燃燒并且可以實現(xiàn)燃燒相位可控的均質(zhì)稀燃技術(shù)，本文通過進氣道噴射汽油進行預混合，在缸內(nèi)直噴直噴柴油后壓燃混合氣，通過兩種燃油質(zhì)量比的改變控制燃燒相 位，達到小負荷不熄火、高負荷不粗暴的目的，同時有著較高的熱效率。為了進一步凈 化 CO 和HC 的排放污染， 搭配催化氧化技術(shù)(DOC)的 RCCI 內(nèi)燃機， 可以在原有極 低的 NOx 和 soot排放的基礎(chǔ)上達到四種排放物數(shù)值同時降低到國四標準以下的程度， 并且有望實現(xiàn)對于燃燒效率和排放性能的平衡。關(guān)鍵詞：國四排放標準，RCC DOC PFI，DI第2頁湖南大學畢業(yè)論文1、

3、引言1.1 課題背景及目的和意義環(huán)境與發(fā)展是世界各國普遍關(guān)注的焦點問題，發(fā)展不僅是滿足當代人的需要，還要 考慮和不損害后代人的生存條件。因此，保護人類賴以生存的環(huán)境成為世界共同關(guān)心的 問題。汽車污染是環(huán)境污染的主要途徑，為了人類的可持續(xù)發(fā)展，防治汽車污染已經(jīng)成 了刻不容緩的全球性問題，這就需要我們共同努力在科技創(chuàng)新、節(jié)能減排等方面來防治 汽車污染。汽車作為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡牟糠郑湓斐傻呐欧艑τ诃h(huán)境的影響愈 加嚴重。世界各國對于汽車排放的法規(guī)頒布隨著技術(shù)的發(fā)展日趨嚴格，排放性能的要 求對于汽車的研發(fā)環(huán)節(jié)的影響也同樣占據(jù)了越來越重的比例。相比于汽油機，柴油機的 良好的熱效率和經(jīng)濟性，以及很

4、低的 CO 和 HC 排放，受到廠商和研發(fā)機構(gòu)的青睞。然 而，傳統(tǒng) CDC 柴油機存在一個難以解決的問題一一 NOx 和 soot 碳煙的排放無法降低。 原因在于，高溫富氧促進了 NOx 的生成， 而為了減少 NOx 排放而降低燃燒溫度的做法，又減少了對 soot 的氧化， 從而增加了 soot的排放。因為傳統(tǒng) CDC 柴油機缸內(nèi)燃燒以擴 散燃燒為主，這種矛盾很難解決，只能通過改變?nèi)紵龣C理，利用新的燃燒方式來嘗試解 決。1.2 國內(nèi)排放法規(guī)現(xiàn)狀目前地方政府的措施已取得了一些成效，據(jù)統(tǒng)計，從 2000 年到 2010 年，在中國機 動車保有量總量翻 3 倍多的情況下，污染物排放量僅增加了 0.3

5、 倍，各項污染物均實現(xiàn) 50%以上的消減，采取的控制措施累計減少了 3800 萬噸氮氧化物、4450 萬噸碳氫化合 物、2.387億噸一氧化碳和 700 萬噸顆粒物的排放。輕型柴油車國四標準于 2005 年頒布，規(guī)定從 2011 年 7 月 1 日起，全部正在制造和 已經(jīng)售出的輕型汽車，必須符合國四污染物排放標準。然而，由于尚未出臺國四車用燃 油標準，仍然無法保證符合標準的車用燃油全國范圍內(nèi)的及時供應(yīng)，決定將國四標準施 行日期推延至2013 年 7 月 1 日2。2013 年 7 月 1 日，國四限定實施日期即將到來前，部分整車企業(yè)得到消息，由于 SCR后處理技術(shù)所需要的尿素供應(yīng)仍然無法確保供

6、應(yīng)，因此，相關(guān)國家部門將國四排放標準實施日期再次推遲。同時，自 2013 年 7 月 1 日起，國三排放的車型將不再允許上 工信部公告。事實上，很多大型柴油機廠商早都已經(jīng)開始基于國四標準提前進行產(chǎn)能和技術(shù)建 設(shè)。其第3頁湖南大學畢業(yè)論文中，上柴 2011 年募投項目中就包括中輕型柴油機的開發(fā)制等以國四標準為目標 的產(chǎn)品項目。總體來講，雖然輕型柴油機的國四標準一再推遲，但由于國家對于輕型汽車的排放 管理十分嚴格，多數(shù)市場上的產(chǎn)品都已經(jīng)達到甚至超出國四標準。因此，生產(chǎn)輕型柴油 機的廠商受到標準推遲的影響微乎其微。另外，從環(huán)保的角度來說，柴油機的未來市場 前景依舊良好，在各大廠商的充分準備下，其市場

7、占有率提升的態(tài)勢很難受到影響，其 改進技術(shù)的發(fā)展會保持其地位在相當長一段時間內(nèi)不被動搖。第4頁湖南大學畢業(yè)論文2、論點2.1 RCCI 技術(shù)背景近年來研究的低溫預混合燃燒包括：均質(zhì)充量壓縮著火燃燒(Homoge neousChargeCompression Ignition, HCCI)、傘型噴霧燃燒、MK 燃燒(Modulated Kinetics)、三噴油器 多段燃燒(multiple stage diesel combustion, MULDIC)、均質(zhì)充量一噴霧復合燃燒(Homogeneous Charge Diesel Combustion HCDC)、多脈沖噴射 HCCI 燃燒、以

8、及低溫燃 燒(Low Temperature Combustion, LTC)。然而，這些新技術(shù)的提出與實驗，依舊無法大 規(guī)模投入市場的使用，原因在于基于壓燃技術(shù)特點的低溫預混合無法控制燃燒相位，同 時還有著負荷適應(yīng)性較差、HC 和 CO 排放較高等等問題。其中，燃燒相位的控制是較 為重要的，因為如果燃燒相位失控，工作粗暴、效率下降等一系列問題會接踵而至。RCCI ( Reactivity Control Compression Ignition)應(yīng)運而生，成為現(xiàn)有方案中較為有 效的可以實現(xiàn)可控低溫預混合燃燒的技術(shù)。2.2 RCCI 與其他燃燒方式特點的對比憊悅視度/K圖 2.12.1 不同燃

9、燒方式所處區(qū)域示意圖由于傳統(tǒng) CDC 柴油機為壓燃的點火方式，在噴油過程中，混合氣濃度在燃燒室內(nèi) 分布極不均勻，混合氣濃度大的地方在噴油結(jié)束前已經(jīng)達到著火點并開始燃燒。因此， 盡管總體上柴油機燃燒室內(nèi)過量空氣系數(shù)較高，但是局部混合氣濃度往往非常高，理論 當量比的混合氣也非常多，導致混合氣濃度范疇橫跨了NOx 和 soot 排放的高發(fā)區(qū)域。汽油機缸內(nèi)燃燒混合氣當量比為 1 左右的燃燒方式?jīng)Q定了它只穿過 NOx 的高發(fā)區(qū), 但是soot 排放相對較低。第5頁湖南大學畢業(yè)論文均質(zhì)充量丫(Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI)HCCI 燃燒是低當量比

10、、 均勻混合氣(稀薄均質(zhì)混合氣)的燃燒， 既避免了 NOx 高發(fā)區(qū)，又不在 soot 的高發(fā)區(qū)，因此這兩種排放物均達到極低的水平。但是， HCCI 燃燒相位不可 控，并且燃燒范圍非常窄的缺陷對于其應(yīng)用前景有著較大影響。預混合壓燃(Premixed Charge Compression Ignition PCCI)PCCI 燃燒的混合氣濃度略高于 HCCI，均勻程度低于 HCCI，但也能夠同時避開兩種 排放的高發(fā)區(qū)，因此其排放相對于傳統(tǒng)方式同樣要好得多，但略高于HCCI 燃燒。從燃燒基本特征來看，RCCI 屬于低溫預混合燃燒的類型。研究表明，RCCI 燃燒可以實現(xiàn)排放性能大幅度提升，而且除了氧化

11、催化器外，不需要任何其他后處理設(shè)施的條 件下，就能實現(xiàn)美國 EPA2010 排放標準，同時具有高達 53%的熱效率?？梢钥闯錾鲜銎渌T如 HCCI，PCCI 等低溫預混合燃燒雖然可以同時將 NO,與 soot 排放降低到非常低的值，但是期望達到產(chǎn)品能夠運用的程度，還遠遠不夠。表 2.12.1 RCCIRCCI 燃燒與其他低溫預混合燃燒特點的對比RCCI 燃燒其他低溫預混合燃燒可以實現(xiàn)燃燒相位的控制無法實現(xiàn)燃燒相位控制預混合氣制備快而且均勻較難實現(xiàn)著火前形成相對均勻混合氣負荷適應(yīng)性相對較好負荷適應(yīng)性差HCHC 和 COCO 排放偏高低溫預混若要成為成熟的能夠運用到市場上的技術(shù)，仍需解決一些問題。

12、其一，由于預混燃燒采用壓燃，對于混合氣著火時刻提前和燃燒起始的控制是重中 之重，稍不注意，會導致缸內(nèi)壓力過高，工作粗暴等問題；其二，當發(fā)動機處于高負荷 工況時，對于工作粗暴的傾向會更加嚴重，而低負荷時又有熄火的傾向的問題；其三， 預混合氣的均勻而快速的制備，是對于較為優(yōu)秀的燃燒的一個重要條件；其四，混合氣 無法避免地進入縫隙區(qū)域而導致的 CO、HC 排放較高的問題同樣亟待解決。上述問題, 是基于缸內(nèi)燃燒優(yōu)化排放思路的重點，亦是難點所在，是打開這扇大門的鑰匙，值得科 研人員投入力量去解決的。第6頁湖南大學畢業(yè)論文這四個問題中，燃燒相位的控制以及混合氣制備是較為重要的。眾所周知，柴油機 的燃燒相位

13、依靠噴油時刻來控制，汽油機的燃燒相位依靠火花塞點火時刻來控制，而低 溫預混合燃燒的燃燒相位則由混合氣性質(zhì)、溫度和壓力共同決定。研究表明， 汽油的良好的揮發(fā)性決定了其預混合氣可以通過進氣道噴射得到很好的 制備，但是由于其低十六烷值的較差的著火性能，因此低負荷時的燃燒性能很差，有熄 火的傾向。而正相反的是，柴油的高十六烷值決定了其良好的著火性能，但也導致了隨 著負荷增加隨之帶來的對于燃燒相位的失控。對于柴油機的 PCCI 燃燒，使用 EGR 來控制 高負荷下的燃燒相位，但是，高 EGR 對于氧氣濃度的限制同樣影響了高負荷工況的燃燒 情況，因此，這種方法只能說是個暫時的思路，卻無法徹底解決燃燒相位的

14、問題。研究表明，當使用十六烷值 27、壓縮比 12 的燃油燃燒時，均質(zhì)充量壓縮著火燃燒可 以運行 1.6MPa 的 BMEP，比傳統(tǒng)柴油高出 60%的運行負荷。因此，理想的低溫預混合燃 燒對于不同工況適用不同性質(zhì)的燃油：低負荷需要大扭矩，此時燃油需要高十六烷值的 良好著火性能，高負荷需要低爆震，此時燃油需要低十六烷值的燃燒平穩(wěn)?；谶@一特點，為了擴展低溫預混合燃燒對于不同工況的適應(yīng)性，決定采用雙燃油 系統(tǒng)雙燃料的低溫預混合燃燒，RCCI 技術(shù)應(yīng)運而生。第7頁湖南大學畢業(yè)論文3、論據(jù)3.1 實現(xiàn)方式基于傳統(tǒng)柴油機模型， 我們加裝了 PFI 燃油系統(tǒng)，通過調(diào)整兩套燃油系統(tǒng)分別的噴 油量、噴油速率、

15、噴油提前角、噴油壓力以及進排氣的開閉時刻等參數(shù)，使得整個模型 實現(xiàn)較高的排放性與燃油效率的目的?？梢钥吹剑p燃油系統(tǒng)的 RCCI 燃燒，由進氣道噴射燃油系統(tǒng) PFI 和缸內(nèi)直噴燃油系 統(tǒng)DI 構(gòu)成。PFI 噴油器噴射低十六烷的易揮發(fā)性燃油：如甲醇、汽油等，可以在著火前 在進氣道內(nèi)充分混合為均勻混合氣。而 DI 噴油器噴射高十六烷值著火性好的燃料進入缸 內(nèi)，隨后對均勻混合氣進行壓燃。不同扭矩負荷的不同工況下，我們通過調(diào)節(jié)兩套燃油 系統(tǒng)的噴油比例來調(diào)節(jié)缸內(nèi)混合燃料的綜合當量十六烷值，從而達到調(diào)節(jié)燃燒相位的目的。3.2 RCCI 技術(shù)的特點雖然 RCCI 燃燒為雙燃燒系統(tǒng)，但是都是采用現(xiàn)有汽油機的燃

16、油系統(tǒng)和柴油機的燃 油系統(tǒng)，從研發(fā)角度來看，不需要過多投入，只需要進行改裝和參數(shù)匹配即可。進氣道 噴射的噴油壓力較低，約 0.4MPa,成本低，結(jié)構(gòu)簡單，而缸內(nèi)直噴的噴油器所需噴油壓 力采用傳統(tǒng)高壓共軌的柴油機燃油系統(tǒng)常用壓力即可，100MPa 就能滿足使用。研究表明，在不采用除 DOC 以外任何后處理的情況下，仍可以做到非常高的排放性能，因此， 總的來說，即便是兩套燃油系統(tǒng)，RCCI 的總體成本并不是很高。正如上文提到的，RCCI 燃燒由于其雙燃燒系統(tǒng)的設(shè)計，無法通過噴射時刻控制燃 燒相位，同樣由于缺少點火裝置，無法利用點火時刻來控制。其燃燒相位由壓力、溫度 以及當量比等混合氣特性綜合決定。

17、可以看出，RCCI 燃燒是一種以低溫預混燃燒相位可控為目的的新型低溫預混合燃燒。放熱率和燃燒汽缸壓力隨兩種燃料不同配比的變化而變化。隨著柴油增加，PFI 噴油減少，DI 噴射的配比增加導致總體反應(yīng)活性增加，使燃燒初始位置時刻提前。由此可 得，RCCI 燃燒可以通過調(diào)節(jié)兩種燃料不同比例來控制燃燒相位，是其不同于其他預混 燃燒的獨特優(yōu)勢，而正是由于其有控制燃燒相位的能力，相對于現(xiàn)有預混合燃燒的區(qū)域， RCCI 的實現(xiàn)區(qū)域要寬得多，即在低負荷熄火傾向弱，高負荷爆震傾向弱。第8頁湖南大學畢業(yè)論文圖22RCCIRCCI 與傳統(tǒng)柴油機燃燒的傳熱損失以及缸內(nèi)燃燒溫度比較如圖所示，RCCI 燃燒的溫度場較為均

18、勻，最高溫度相對較低，而整體的平均溫度 卻不低，而傳統(tǒng)柴油機的最高溫度很高，而且距離缸壁較近，造成較大的傳熱損失，但 是整體平均溫度略低于 RCCI。造成這個現(xiàn)象的原因是，RCCI 燃燒有著更為均勻的工質(zhì) 混合，而傳統(tǒng)柴油機的工質(zhì)混合相當不均勻，且當量比分層范圍較大。正是由于均勻的 特質(zhì)，雖然 RCCI燃燒效率相對略低，但是整體熱效率要略高于傳統(tǒng)柴油機。對于排放的問題，雖然 RCCI 解決了 NOx 和 soot 的排放問題，但是對于 HC 和 CO 的控制卻并不是那么到位。原因是，進氣道噴射的混合氣進入缸內(nèi)像是活塞與缸套的間隙之 類的狹縫區(qū)域，火焰?zhèn)鞑o法觸及，進而造成這一部分的混合氣燃燒達

19、不到完全，所以 相對于傳統(tǒng)柴油機而言，RCCI 的 CO 和 HC 要來的比較高，同時還影響了 RCCI 的燃燒效 率。由于是低溫預混合燃燒，其燃燒溫度較低，進而導致排氣溫度同樣略低于傳統(tǒng)柴油 機，因此，對于后處理的氧化催化器 DOC 的低溫處理性能能提出了更高的要求。-I.,-21Ou叩alooKt曲柚轉(zhuǎn)審(iWO /(degree)a僦脫Q鶴柴油師髙盤度；WXI平劃賊”ECC厲高服窿-10OIII2ti3n 4iitttHA ilDO / (degree)第9頁湖南大學畢業(yè)論文圖 2.32.3 RCCIRCCI 燃燒與傳統(tǒng)柴油機 CDCCDC 排氣溫度對比450：IM10050nCXECC

20、IE851 500 r/min I 500 r/nin 2 000 r/min 2 300 r/min 2 6D0 r/min0. in MPa 02 MPa O.ZQ0.42 MPa n.Hfl MP1第10頁湖南大學畢業(yè)論文同時，RCCI 存在的另一個大問題就是高負荷下的燃燒不穩(wěn)定。盡管中低負荷時的RCCI 可以在缺少 EGR的情況下就實現(xiàn) NOx和 soot 的超低排放， 并且不失較高的熱效率和 平穩(wěn)的工作狀況?？墒钱斬摵芍饾u增加，又要保持較好的排放性能，那么PFI 噴油所占據(jù)比例勢必增加，進而導致混合氣壓縮燃燒時發(fā)生類似于汽油機爆震的狀況，壓力升高 率急劇上升、壓力波動加劇，燃燒粗暴而

21、不穩(wěn)定。3.3 RCCI 燃燒的噴油策略雙燃油系統(tǒng)的 RCCI 燃燒，其燃燒特性必然由各自的噴射策略共同決定，并且相互 影響。研究表明，進氣道噴射的噴射正時對與發(fā)動機的性能影響較小，因此 PFI 噴射持續(xù) 的區(qū)間從進氣門開啟后幾乎同時開始，在上止點前 200結(jié)束。然而，缸內(nèi)直噴射的時刻 和次數(shù)則很大程度上影響了整機的性能。RCCI 燃燒的缸內(nèi)直噴的噴射時間與傳統(tǒng)柴油機不同，需要較早的噴油提前才有較好的排放性。研究表明，單次或多次噴射的噴射區(qū)間基本都在上止點前200左右結(jié)束。而對于 RCCI 燃燒的缸內(nèi)直噴的噴射次數(shù)來說，目前的缸內(nèi)直噴基本上采用1-3 次噴射，低負荷采用一次噴射即可，高負荷則可

22、以采用更多噴射次數(shù)以維持排放性能。對于兩套燃油系統(tǒng)的噴射量而言，PFI 噴油器的噴油量通常占據(jù)總噴油量的 70%左 右，當負荷增加，PFI 的占比會升高，以達到降低 NOx 與 soot 排放的目的。甚至比例能夠 達到90%以上，但是隨之而來的問題是，壓力升高率會隨之增加，氣缸有爆燃的傾向和 危險。而 DI 噴油器的噴射量，目的僅僅是為了兩者混合氣能夠在壓縮時得到燃燒，起到引燃混合氣的目的。但是這種考慮兩者的噴油量時，還要實現(xiàn)對于燃燒相位的控制，并保 證較低的排放。而對于兩套燃油系統(tǒng)的噴射壓力，PFI 噴油器只需 0.5MPa 的低壓噴射就能夠滿足充 分混合的要求，而 DI 噴油器的噴射壓力則

23、可以選用低于傳統(tǒng)柴油機高壓共軌系統(tǒng)的壓力 數(shù)值，一般在 50-100MPa 可以滿足使用。3.4 RCCI 燃燒控制策略RCCI 燃燒控制策略由進氣狀態(tài)參數(shù)、噴油控制策略、EGR 率等控制策略構(gòu)成。低負荷時： 對 RCCI 燃燒控制比較容易， 即便無 EGR 作用也可實現(xiàn) NOx 與 soot 的超低 排放，并且工況較為平穩(wěn)，低噪聲。第11頁湖南大學畢業(yè)論文高速、高負荷時：RCCI 燃燒則容易出現(xiàn)爆燃，、進氣溫度、壓力、EGR 率等參數(shù)對 于發(fā)動機性能的影響較為敏感。負荷的增加要求 PFI 噴油器噴射量隨之增加。但是，這會引起壓力升高率暴增，從 而導致工作會粗暴，有爆燃傾向，因此造成了 PFI

24、 噴油器噴油量與工作粗暴的矛盾。此 時，通過EGR 率的匹配是解決這個矛盾的有效方法。研究表明，大負荷（IMEP 大于 1. 7MPa）時，PFI 噴油量占比 80%左右，不能太高、否則燃燒粗暴。DI 分 3 次噴射，最后一次 在上止點附近，需要一定的 EGR 率（50%左右）。總體上，RCCI 燃燒高負荷運行時，其噴油策略、壓力、溫度、EGR 率等參數(shù)都需要精細控制，及時調(diào)整與反饋，才能使 RCCI 燃燒達到預期燃燒效果，發(fā)動機性能與排 放更加優(yōu)秀。第12頁湖南大學畢業(yè)論文4、結(jié)論對于不同工況下，該匹配模型燃燒與排放的主要特點是：A、 低速低負荷（小于 0.6MPa）且無 EGR 情況下，NOx 與 soot 可以實現(xiàn)超低排放，而且可以平穩(wěn)運行，噪音很低，同時在加裝 DOC 后處理的情況下，CO 和 HC 的凈化 效果顯著；B、 中負荷（0.61.1MPa），燃燒壓力升高率較高，噪聲較大，四種排放物均能達到很好的凈化效果；C、高負荷 （大于 1.1MPa） ， RCCI 燃燒不穩(wěn)定， 工作較為粗暴， 工作峰值溫度較 高，NOx 升高，而其他排放物的排放數(shù)值變化不大；D、 RCCI 有著較高的燃燒效率：基于其工質(zhì)的均質(zhì)特點，燃燒的溫度場同樣均勻，使得有著較低的最高溫度，不低的平均溫度。因此，雖