【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。能源短缺與環(huán)境問題已成為當(dāng)今世界各國所面臨的兩大重要難題。發(fā)展，汽車保有量的不斷上升，這兩大問題凸顯的尤為嚴重?？毯腿紵磻?yīng)速率以及擴展運行工況范圍等，始終是發(fā)動機實現(xiàn)HCCI燃燒的關(guān)鍵和難點。本次試驗的目的是在增程式汽車上實現(xiàn)均質(zhì)壓燃。這次試驗的成功，將會是兩大新興技術(shù)的融合與發(fā)展，幫助中國的汽車事。目前為止最新的成就。該款發(fā)動機是上汽自主研發(fā)發(fā)動機的精心力作。統(tǒng)大部分是由湖南長沙湘儀動力測試儀器有限公司生產(chǎn)。外特性試驗以及萬有特性的測試。通過分析以進行發(fā)動機的各特性

　　

【正文】 熱效率，并探討了發(fā)動機全工況范圍內(nèi)的熱效率最優(yōu)化途徑。 本文的主要研究內(nèi)容如下： （主要內(nèi)容是指你所做的主要工作部分） 第一章：介紹內(nèi)燃機新型動力系統(tǒng)以及新型燃燒技術(shù)，以及該試驗項目的 內(nèi)容和 意義。 第二章：介紹 HCCI 燃燒方式以及特征，并著重說明了汽油機 HCCI燃燒的控制方式，最后 對汽油機 HCCI 燃燒所面臨的問題進行討論。 第三章：介紹該實驗的研究平臺，并對發(fā)動機 和 測試系統(tǒng) 等 進行逐一介紹。 再說明了本次試驗的方法。 第四章 ：通過 特性測試的數(shù)據(jù)分析，從而得出結(jié)論 。 第五章：總結(jié)試驗研究， 以及個人收獲 。 并提出了以后的工作展望。 本課題 主要內(nèi)容是 針對 Plugin 串聯(lián)油電混合動力 所用的 榮威 350的 16DOHC（ Double Overhead Camshaft， 雙頂置凸輪軸） 發(fā)動機 ， 設(shè)計了 HCCI發(fā)動機進氣加熱系統(tǒng) ；制定了發(fā)動機臺架試驗規(guī)范， 參與了 原型機性能摸底的全過程 臺架 試驗 ， 如實驗臺架的搭建，發(fā)動機的磨合，外特性及萬有特性測試 等； 通過測定發(fā)動機各工況下的 缸內(nèi)壓力 ，進行了缸內(nèi)燃燒放熱規(guī)律的定量分析，為今后改制成 HCCI發(fā)動機，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計提供大量原始詳盡的數(shù)據(jù)。 Plugin 串聯(lián)油電混合動力發(fā)動機試驗研究 第 7 頁 共 35 頁 第二章 HCCI 燃燒及其控制 HCCI燃燒是內(nèi)燃機的一種新型燃燒方式。它既不同于傳統(tǒng)汽油機的火花塞點火、火焰?zhèn)鞑サ娜紵绞剑膊煌趥鹘y(tǒng)柴油機的燃油噴射、擴散燃燒方式。同時，它又兼有傳統(tǒng)點燃式和傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機的優(yōu)點。通過提高壓縮比、進氣加熱和增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)等手段來提高和控制缸內(nèi)工質(zhì)混合氣的溫度和壓力，使缸內(nèi)混合氣到達自燃點，在缸內(nèi)形成多點著火。 HCCI燃燒減少了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期，提高了熱效率。與傳 統(tǒng)的點燃式汽油發(fā)動機相比，由于 HCCI發(fā)動機取消了節(jié)氣門，泵吸損失小，同時混合氣多點同時著火，燃燒持續(xù)期短，可以得到與壓燃式發(fā)動機相當(dāng)?shù)母邿嵝剩加徒?jīng)濟性好；與傳統(tǒng)柴油機相比，HCCI采用均質(zhì)混合氣，燃燒反應(yīng)幾乎是同步進行，沒有火焰前鋒面，燃燒火焰溫度低， NOx排放很低，幾乎沒有微粒捧放。且 HCCI發(fā)動機對燃油噴射系統(tǒng)的要求不高，噴射壓力較低的燃油噴射系統(tǒng)即可滿足 HCCI發(fā)動機的要求，降低了噴油系統(tǒng)的技術(shù)難度，節(jié)省成本 [9]。 HCCI 燃燒在理論上可以達到全部混合氣的自燃，燃燒放熱速率快，缸內(nèi)循環(huán)的定容度高。因而具有相當(dāng)高的熱效率。但是， HCCI 主要受到了化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的控制，難以在全部轉(zhuǎn)速和負荷下控制著火時間與相位， 所以就現(xiàn)在的限制而言， HCCI 發(fā)動機還不能實現(xiàn)完全的壓燃稀燃模式進行，它只在中低轉(zhuǎn)速的時候介入工作，提高效率，降低油耗 [10]。 HCCI 燃燒 HCCI 燃燒方式 均質(zhì)充量壓縮燃燒（ HCCI）指的是在進氣過程中，將大量燃料和稀釋物（空氣、排放廢氣、水等）預(yù)先混合形成均質(zhì)混合氣，當(dāng)活塞運行到壓縮上止點附近時，均質(zhì)被壓縮而自燃著火、燃燒做功的一種發(fā)動機工作過程。如圖 2 1所示為 HCCI燃燒方式的工作過程。 圖 2 2 HCCI 燃燒方式示意圖 Plugin 串聯(lián)油電混合動力發(fā)動機試驗研究 第 8 頁 共 35 頁 HCCI燃燒方式與傳統(tǒng)的發(fā)動機燃燒方式相比，有許多的不同。與傳統(tǒng)的火花點火汽油機相比， HCCI采用均質(zhì)混合氣，用壓燃代替火花塞點火；與傳統(tǒng)的柴油機相比， HCCI采用壓燃著火，但混合氣是均質(zhì)的，如圖 22所示。這種燃燒方式具有較高熱效率、低 NOx和 PM排放等優(yōu)點。傳統(tǒng)的火花點火燃燒，均質(zhì)混合氣被火花塞點燃，火焰前鋒在均質(zhì)混合氣中傳播，火焰前鋒及其燃燒產(chǎn) 物的局部溫度遠遠高于其他未燃混合氣，因此燃燒過程中的溫度分布極不均勻，局部的高溫易導(dǎo)致已燃區(qū)內(nèi) NOx的生成。傳統(tǒng)的柴油機采用擴散燃燒，化學(xué)反應(yīng)速率遠高于燃料和空氣的混合與擴散速率，燃燒快慢由混合擴散速率決定 。在這種類型的燃燒中，混合氣濃度和溫度分布都極不均勻，擴散火焰外緣的高溫區(qū)產(chǎn)生 NOx，內(nèi)部高溫缺氧區(qū)產(chǎn)生 PM。上述兩種傳統(tǒng)的燃燒方式存在著溫度分布不均勻的問題，即局部高溫和整體平均低溫 [11]。但是， HCCI的混合氣燃燒有著自己的特點。 HCCI的燃燒起始點和燃燒速率受缸內(nèi)的溫度和壓力和工質(zhì)組分控制。在著火 以前可燃混合氣已經(jīng)均勻混合，在發(fā)生著火時，多點同時著火，沒有明顯的火焰?zhèn)鞑?，它的燃燒時刻和燃燒速率與缸內(nèi)可燃混合氣的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)有關(guān)。 圖 2 3 CI、 SI 和 HCCI 發(fā)動機燃燒形式的區(qū)別 柴油機、汽油機和 HCCI發(fā)動機缸內(nèi)燃燒形式的比較 HCCI 燃燒方式的出現(xiàn)，有效地克服了傳統(tǒng)均質(zhì)稀混合氣燃燒速度慢的缺點，是有別于傳統(tǒng)的汽油機均質(zhì)點燃預(yù)混合燃燒、柴油機非均質(zhì)壓燃擴散燃燒和 GDI 發(fā)動機分層稀薄燃燒方式的第四種燃燒方式。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比， HCCI 發(fā)動機有如下的 優(yōu)點： [9,11] （ 1）低 NOx和 PM排放。這是 HCCI 燃燒方式的發(fā)動機的無可比擬的優(yōu)勢。 HCCI 以自燃和低溫燃燒為特點，這樣的燃燒方式可以同時降低 NOx和碳煙的排放。 HCCI 燃燒的空燃比控制在 l左右，且用 EGR 降低缸內(nèi)溫度，使其保持在 1800K 以下，極為有效的控制了 NOx的生成，并幾乎做到了無煙燃燒。 （ 2）高燃油經(jīng)濟性。 HCCI燃燒方式可在保持較高的動力性的前提下保證非常好的燃油經(jīng)濟性。首先它取消了節(jié)氣門，消除了節(jié)氣門的節(jié)流損失，使泵氣損失降低。進入氣缸的混合氣與汽油機一樣，是經(jīng)預(yù)混的均質(zhì)混合氣，避免 了柴油機顆粒（ PM）的排放，同時它壓燃的工作方式，又像柴油機一樣可以采用高壓縮比和稀燃，并采用多點同時著火的燃燒方式使得能量釋放率較高，接近于理想的等容燃燒，具有很高的熱效率。與傳統(tǒng)的汽油機相比較，HCCI發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)部分負荷條件下的燃油消耗要低 30％以上，即使在車用的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)測試工況下，其經(jīng)濟性也能提高 5～ 10％。 （ 3）易于簡化發(fā)動機燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計。 HCCI燃燒與缸內(nèi)混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它的著火和燃燒速率只受燃油氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制，受缸內(nèi)流場影響Plugin 串聯(lián)油電混合動力發(fā)動機試驗研究 第 9 頁 共 35 頁 較小，且均質(zhì)預(yù)混的可燃混合氣氣流 的組織比較簡單。這些特點使以 HCCI為燃燒模式的發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計得以簡化。 （ 4）廣泛的燃料適應(yīng)性和靈活性。只要能燃燒的液體和氣體燃料都可以作為 HCCI發(fā)動機的燃料。除汽油和柴油外，各種燃料如甲醇、乙醇、天然氣、沼氣、氫、二甲醚（ DME）和他們的混合物已經(jīng)在二沖程和四沖程的發(fā)動機上被證實是 HCCI發(fā)動機的可能燃料，其燃燒性能很大程度上取決于燃料本身的特性和它們的自燃品質(zhì)。 HCCI 燃燒特點 HCCI發(fā)動機主要具有以下幾個特點 [12]： （ 1）采用均質(zhì)混合氣。空氣和燃油在 HCCI發(fā)動機的進氣系統(tǒng)中預(yù)混合，形成均質(zhì)的可燃混合氣，然后吸入氣缸進行壓縮。也有燃油直接噴入氣缸、在氣缸內(nèi)與空氣進行預(yù)混合的。 （ 2）由于均質(zhì)混合氣是自燃的，所以燃燒大體上是在整個氣缸內(nèi)同時開始的?？梢圆捎幂^大的過量空氣或者殘余廢氣達到高度稀釋的混合氣。 （ 3）采用壓縮點燃。使用比火花點燃式發(fā)動機高得多的壓縮比，且允許壓縮比在一個廣闊的范圍內(nèi)變動。在壓縮過程中，混合氣溫度升高，達到自燃溫度而自燃，不需要任何點火系統(tǒng)。 （ 4）由于壓縮點燃的緣故，可以采用相當(dāng)稀薄的混合氣，因 此可以按照變質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，直接通過調(diào)節(jié)噴油量來調(diào)節(jié)扭矩，不需要節(jié)氣門。 （ 5）超低的 NOx和 PM排放。 HCCI發(fā)動機在部分工況下的 NOx排放相對直噴式柴油機（ DI）可降低 95%～ 98%，燃燒熱效率高，其熱效率甚至超過了直噴式柴油機。 （ 6） HCCI燃燒過程主要受燃燒化學(xué)動力學(xué)控制。 （ 7） HCCI發(fā)動機運行范圍較窄。其燃燒受到失火（混合氣過?。┖捅迹ɑ旌蠚膺^濃）的限制，使發(fā)動機運行范圍變窄。對于高十六烷值燃料，由于 HCCI發(fā)動機燃燒非常迅速，在高負荷工況下（混合氣濃度大）易發(fā)生爆震；對于高辛烷值的燃料，由 于 HCCI燃燒為稀薄燃燒，發(fā)動機在小負荷工況下容易失火。 HCCI發(fā)動機采用的燃油辛烷值允許在一個廣闊的范圍內(nèi)變動，可以采用汽油、天然氣、二甲醚等辛烷值較高的燃油作為主要燃料，也可以采用多種燃料混合燃燒，還可以將對高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的調(diào)整。 HCCI燃燒主要受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制，受燃燒室內(nèi)流動的影響非常小。許多學(xué)者對其機理做了大量研究，普遍認為 HCCI燃燒的能量釋放過程是受多種化學(xué)動力學(xué)因素支配的，因為缸內(nèi)的混合氣受到壓縮，溫度和壓力上升，溫度和壓力的時問歷程、壓縮過程結(jié)束時的缸內(nèi)溫度和壓力、燃油 的自燃特性和殘余廢氣量，連同 O2的濃度、不同的燃油含量和燃燒產(chǎn)物，共同支配著燃燒開始的方式。因此， HCCI燃燒具有很小的循環(huán)偏差，而且不存在火焰?zhèn)鞑ミ^程。 對 HCCI燃燒放熱規(guī)律的研究表明， HCCI燃燒方式具有明顯的兩階段放熱的特征，其中第一階段為 HCCI燃燒的預(yù)放熱階段，與低溫化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)有關(guān)（冷焰或藍焰），開始于上止點前較大的曲軸轉(zhuǎn)角處，主要受低溫化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)的影響。預(yù)放熱階段放出的熱量加熱了余下的充量，同時余下的充量也繼續(xù)被壓縮。在一個很短的時間延遲之后，余下的充量便基本達到了著火條件。第二階段為 HCCI燃燒的主放熱階段，燃燒是多點同時進行的，一旦著火，混合氣迅速燃燒，因此沒有明顯的火焰?zhèn)鞑?，并且燃燒持續(xù)期很短，放熱率在這段時期迅速升高。預(yù)放熱階段是主放熱階段的焰前反應(yīng)。整個放熱階段基本上在上止點前結(jié)束。HCCI燃燒放熱率曲線如圖 23所示，可以發(fā)現(xiàn)，低溫冷焰反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)過一極短的滯后期f后開始主燃燒階段。 Plugin 串聯(lián)油電混合動力發(fā)動機試驗研究 第 10 頁 共 35 頁 圖 2 4 HCCI 燃燒放熱率 表 21所示為采用 HCCI燃燒方式的發(fā)動機與傳統(tǒng)點燃式（ SI）發(fā)動機、傳統(tǒng)壓燃式（ CI）發(fā)動機的各性能整體比較。 從表中可以直觀地看出 HCCI發(fā)動機具有的特點。 HCCI燃燒方式綜合了傳統(tǒng)火花塞點火燃燒方式和壓縮著火燃燒方式的許多優(yōu)點，同時避免了它們的缺陷，具有降低燃油消耗率 15%～ 20%、降低 NOx排放 90%99%、無碳煙排放、效率高達 47%的潛力。 表 2 1 三種燃燒方式發(fā)動機的比較 比較量 點燃式發(fā)動機 壓燃式發(fā)動機 HCCI發(fā)動機 燃料 汽油等 柴油、天然氣、乙醇 范圍較前兩者廣 混合氣形成 均質(zhì)、噴射 非均質(zhì)、噴射 均質(zhì) 著火方式 點燃 壓燃 壓燃 燃燒方 式 預(yù)混合燃燒 擴散燃燒為主 多點同時著火 火焰 有 有 無明顯火焰前鋒面 燃燒溫度 高溫 局部高溫、分布不均 相對低溫 過量空氣系數(shù) 1左右 范圍更廣 理論循環(huán) 等容加熱 混合加熱 等容加熱 熱效率 低 高 高 燃油經(jīng)濟性 差 好 好 NOx排放 較高 高 低 PM排放 低 高 低 HC排放 高 低 較高 CO排放 高 低 較高 汽油機 HCCI 燃燒的控制 HCCI燃燒的燃燒過程主要是由缸內(nèi)可燃混合氣本身的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)所影響，而其受到的負荷及轉(zhuǎn)速的影響較小。因 此在 HCCI發(fā)動機上很難實現(xiàn)常規(guī)地通過負荷、轉(zhuǎn)速等反饋Plugin 串聯(lián)油電混合動力發(fā)動機試驗研究 第 11 頁 共 35 頁 信號來加以控制的方法，而只能通過間接手段來控制缸內(nèi)組分，溫度壓力等參數(shù)，從而控制HCCI的燃燒。同時還要注意兩個方面的要求，一方面是控制著火時刻發(fā)生在上止點附近；另一方面是控制好燃燒的放熱速率，避免粗暴燃燒而引起敲缸。目前研究較多的控制著火時刻的方法都是用間接控制 HCCI的燃燒過程的方法?？刂迫紵^程的實質(zhì)是控制燃燒的反應(yīng)速率。影響缸內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素包括：燃料的自燃特性、燃料的濃度、殘余廢氣率和殘余廢氣的可反應(yīng)性、混合物的均勻性、壓縮比、進氣溫度 及燃料的汽化潛熱和缸內(nèi)溫度、氣缸周圍壁面的傳熱以及其它與發(fā)動機有關(guān)的參數(shù)等。這些影響因素往往不是孤立的，而是互相關(guān)聯(lián)的。 目前主要通過以下幾種方式實現(xiàn) HCCI燃燒：直接進氣加熱、高壓縮比、使用更容易自燃著火的燃料、使用 EGR或內(nèi)部殘余廢氣。以上研究方法主要從兩個方面入手，一是改變混合氣溫度歷程，二是改變混合氣的自燃特性，從而達到實現(xiàn)汽油機 HCCI燃燒控制的目的。 改變?nèi)剂咸匦? 燃料的成分、分子大小和結(jié)構(gòu)影響燃料的自燃反應(yīng)特性。 HCCI燃燒是均勻混合氣壓縮自燃，要形成均勻的混合氣，要求燃料有較低的 沸點。為實現(xiàn)壓縮著火，要求燃料有好的著火性，即高的十六烷值。結(jié)合這兩方面的要求，預(yù)先制備出適合 HCCI燃燒的專用燃料，有助于控制燃燒過程。 另外，一些燃料添加劑具有延緩或提高放熱的能力。不同過氧化物添加劑均能提高燃燒反應(yīng)速度，促進著火時刻提前，改善發(fā)動機低負荷失火，擴大 HCCI燃燒的低負荷范圍，其中尤以 DTBP最強 [13]。但過氧化物添加劑會使發(fā)動機高負荷范圍縮小，易產(chǎn)生爆震，不 同過氧化物對高負荷燃燒的