柴油机低温燃烧技术综述

总结，以期促进其发展，并使柴油机更加满足节能和环保的要求。

关键词：柴油机；低温燃烧；氮氧化物排放；碳烟排放

中图分类号：TK421

文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.04.01

节能和环保一直是影响内燃机技术发展方向的两大要素。柴油机具有比汽油机更高的压缩比，热效率较高，与同排量的汽油机相比，燃油消耗可以降低30%，二氧化碳（CO₂）的排放量亦可减少25%。为此，国内外学者在内燃机领域都非常重视先进柴油机技术的研究。

受限于柴油机的传统燃烧方式（即扩散燃烧）所固有的局限性，柴油机的主要排放物氮氧化物（NO_x）和碳烟等较难同时改善。这主要是由于NO_x生成的主要条件是高温富氧，如图l所示，NO_x易在接近火焰前锋面的区域内生成，而碳烟生成的先决条件是富油缺氧。NO_x和碳烟的生成条件互异，两者之间存在着权衡的关系，即降低NO_x排放的同时碳烟排放容易增加，反之亦然。

为了改善柴油机的排放问题，在国内外涌现出两种技术路线，一种是先通过优化柴油机燃烧过程，降低碳烟排放，再基于选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，SCR）来降低NO_x排放。另一种是先通过废气再循环（Exhaust GasRecirculation，EGR）降低NO_x排放，再利用颗粒捕集系统（Diesel Particulate Filter，DPF）来降低碳烟排放，从而达到同时降低NO_x和碳烟排放的目的。然而这两种技术路线都会带来额外成本和配套建设等问题。因此，需要一种更加节能、减排和不需要（或尽量简化）后处理的柴油机新型燃烧技术，以满足更加环保的柴油机技术发展需求。

大量的专家和学者结合柴油机燃烧过程进行研究发现，在传统柴油机燃烧过程中，缸内局部当量比（Φ）和温度（T）的变化和发展过程必然会穿过满足NO_x和碳烟生成条件的区域，从而导致在燃烧过程中会无法避免地产生NO_x和碳烟排放，如图2所示。同时基于柴油机燃烧过程分析可知，当缸内温度低于1650K时，无论缸内的Φ和T如何变化和发展，燃烧过程都可以避开满足NO_x和碳烟排放生成条件的区域，即可同时实现超低NO_x和碳烟排放。因此一些新型的燃烧方式被提出，如Ryan和Callahan 提出柴油机均质压燃（HomogeneousCharge Compression Ignition，HCCI）可有效降低NO。和碳烟排放。在柴油机实际工作过程中，绝对均质的混合气是难以制备的。后续的相关研究中，大量学者和研究人员提出了通过缸内燃油早喷方式制备准均质预混合气，即预混充量压燃（PremixedCharge Compression Ignition，PCCI），该燃烧方式在柴油机缸内局部Φ-T图如图2所示。

柴油机低温燃烧方式（Low Temperature Corn.bustion，LTC）是在HCCI和PCCI等燃烧方式的基础上进一步发展而来的。LTC方式主要是通过EGR或可变压缩比及可变进排气门正时等方法来降低缸内平均温度和延长滞燃期，同时配合较高的喷油压力，以改善燃油和空气之间的雾化和混合过程，并且使燃油处于当量比小于2的范围，达到同时减少NO，和碳烟排放的目的。LTC方式具有较为广泛的适用范围，学术界和工业界对其开展了大量的研究。

为此，本文围绕柴油机LTC研究技术特点，对其进行分类（主要体现在LTC的燃烧特性研究、LTC的燃烧优化研究、有害产物生成特征研究、燃料特性对LTC影响研究和LTC闭环控制研究等五个方面），并阐述了相关的最新研究成果。

1.LTC的燃烧特性研究

Aceves和Flowers将简化混合机理和详细化学动力学机理相耦合，研究LTC方式下燃油喷射、雾化和燃烧及排放生成过程，结果发现，碳烟前驱体随着EGR的增加形成一个二次曲线的变化特点，并且碳烟前驱体的生成量与缸内气体温度和特征混合时间成正相关。

Zheng等结合柴油和两种生物柴油进行LTC台架试验，研究结果表明，当EGR率处于较小范围时，燃烧过程与传统燃烧模式相似，为扩散燃烧，同时其燃烧温度较高，定义其为高温燃烧方式（HighTemperature Combustion，HTC）。当EGR率大到一定的程度，受EGR率的影响，滞燃期大幅增加，同时燃烧温度较低，定义为LTC方式。NO，排放随EGR的变化规律如图3所示，NO：排放随着EGR率的增大而降低。碳烟排放在HTC阶段随着EGR的增大而升高，在LTC阶段随着EGR率的增加而降低，如图4所示。该试验结果佐证了Aceves和Flowers的机理研究结论。

Alriksson和Denbratt L6～对一台单缸柴油机进行不同EGR下的低温燃烧试验研究，其研究结果表明在压缩比为14，EGR率增加到60%时，LTC模式可以拓展至50%的柴油机负荷范围。NO。和碳烟排放维持在极低水平的同时，CO、HC和燃油消耗率却显著增加，即LTC方式下存在一种新的权衡关系：（NO_x&碳烟）vs.（CO&HC）。

20LTC的燃烧优化研究

对LTC燃烧过程进行优化的主要目的是为了促进燃油与空气的混合，并改善排放性能。目前常用的优化方法有：喷油系统的改进和喷油策略的优化，进气系统的优化和可变压缩比技术等。

2.1喷油系统的改进和喷油策略优化

2.1.1喷油系统的改进

传统的喷雾试验和理论分析研究表明，提高燃油的喷射压力可以提高喷雾能量，促进燃油的破碎、蒸发和混合。但是在LTC方式中，为了促进燃油和空气的雾化和混合效果，一般采用较大的喷油提前角。而此时缸内压力较小，雾束贯穿距比传统喷油提前角状态下要大，因此部分燃油会喷射到燃烧室壁面甚至是缸壁，从而导致“湿壁”等现象。

为了避免LTC方式中“湿壁”等现象的发生，可以采用较小喷孔锥角和超多喷孔及超细喷孔直径的喷油器。如Li等通过耦合详细反应机理的二维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型进行了模拟研究，其模拟研究结果如图5和图6所示，在喷孔锥角为100°时，缸内燃油的雾化效果较好，同时可以保证较少的燃油喷射到活塞顶面和挤流区，并且HC和CO排放相对较低。

缪雪龙等采用16孔喷嘴，喷孔直径仅为0.16mm的超多和超细喷孔的喷油器，结合54%的EGR率，实现了柴油机LTC方式，并且烟度排放比原机下降了63%，NO_x比原机降低了81%，大幅改善了原机排放性能。

提高喷油压力，即可提高油束的动能，增强油束对空气的扰动效果，改善低温燃烧方式下的燃烧效果。如李鑫善等通过KIVA进行数值模拟仿真，其仿真结果表明，喷油压力从120 MPa提高到160MPa，低温燃烧下的滞燃期缩短，CO和碳烟排放降低，同时燃油消耗率降低。为此，采用较高喷油压力是实现和改善LTC的有效方式。

2.1.2喷油策略优化

为了促进燃油与空气的混合及减少“湿壁”现象的发生，多次喷油策略也是非常有效的方法。如Hotta等。基于一台光学发动机进行多次喷射方式下的低温燃烧试验研究，结果表明，采用一次较短预喷射能够很好地避免燃油在缸内壁面上的富集，在主喷之后辅以一定的后喷能够将生成的碳烟卷入到挤流区中，并进一步将其氧化，最终使碳烟排放得到改善。

天津大学的苏万华教授等提出一种基于多脉冲喷油模式的可控预混合燃烧和稀扩散燃烧结合的复合燃烧系统（Mulinbump）。采用该复合燃烧系统，柴油机的NO_x和碳烟排放非常低，同时该复合燃烧系统适用的工况最高可至指示平均有效压力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）为0.93 MPa的工况。

2.2进气系统的优化

进气系统的优化主要是指进气成分控制及冷却、进气压力的提高和进气涡流比的优化。

鉴于LTC的实现方式主要是通过大比例的EGR率，因此对进气系统的废气成分和温度进行精细控制是实现LTC的重要手段。Ehleskog等通过精密控制EGR阀，对EGR率进行准确控制，并通过发动机冷却水对EGR废气进行冷却，保证进气温度稳定在25℃。Ehleskog等的试验结果表明，在EGR率从0%增加至30%时，缸内碳烟生成和氧化过程均被削弱，但最终仍导致较多碳烟排放生成；NO_x排放随着EGR的增加而一直较少；CO和HC排放在过高EGR率时显著增加，若此时提高喷油压力则可明显减少CO和HC排放。

提高进气压力可以提高缸内气体的密度，减少喷雾贯穿距，同时降低HC和CO排放。Aoyagi等通过采用超高进气增压（进气压力最高达到了35l-3kPa）和30%的EGR率实现了LTC，并达到了降低NO_x排放而碳烟排放不恶化，同时柴油机的动力性不变，热效率不降低的试验目的。

韩志强等通过采用双级增压系统，在25%～100%负荷下实现进气增压比达1.5～4倍，并且在各种负荷工况下均能够实现LTC模式。同时耦合“主喷+后喷”的喷油模式，利用后喷油量来增加燃烧后期温度，加速燃烧后期对碳烟的氧化过程。后喷增加部分废气能量，进而提高增压器转速，增加进气压力，从而增加进气流量，降低缸内平均当量比，进一步减少碳烟排放。

进气涡流是指绕气缸轴线有组织的进气气流运动。对进气涡流进行一定的优化能够有效促进燃油和缸内空气的扩散、混合及燃烧。Choi等基于一台光学发动机，开展涡流比对LTC过程影响的研究，其结果表明涡流比的变化对燃烧过程的后期影响较大，而对燃烧初期的影响较小。另外在不同的负荷工况条件下，涡流比对碳烟排放的影响也不相同。如图7所示，在小负荷工况条件下（300kPa），随着涡流比的增大，碳烟发光度减弱，碳烟氧化速度加快，碳烟排放减少；在较大负荷工况条件下（600kPa），则存在一个最佳的涡流比，其能够保证碳烟氧化速度最快，同时碳烟排放最少。

2.3可变压缩比技术

改变柴油机的压缩比可以改变缸内气体的密度和温度等，从而可以改变燃油的滞燃期。对于LTC而言，适度降低压缩比，可以延长燃油的滞燃期，促进燃油和空气的雾化混合，并且降低压缩终了时的缸内温度，有利于减少NO_x排放，也可以降低缸内最大爆发压力和拓宽低温燃烧运行工况范围。改变压缩比的方法主要有两种：一是改变活塞行程，即改变真实的压缩比；另一种是借助可变气门驱动机构（Variable Valve Actuation，VVA）实现有效压缩比的可变。利用VVA更容易实现有效压缩比的可变。

Murata等u刮通过如图8所示的VVA机构，实现了进气门晚关（Late Intake Valve Closing，LIVC），对应的进气门和排气门的开启和关闭时刻如图9所示。Murata等还开展了不同喷油时刻（早喷、标准喷射和晚喷）及早喷耦合L1VC的试验研究，结果如图10所示。在采用早喷耦合LIVC时，压缩终了的缸内空气温度下降，避免早燃的发生，并延长了滞燃期，改善了燃油与空气的混合过程，实现了较低的NO_x和碳烟排放。

3.有害产物生成特征研究

尧命发等对不同进气氧浓度下低温燃烧生成的NOx、HC中的组分和碳烟排放及粒径特征进行试验研究，结果表明：随着进气氧浓度的降低，NO占总NO_x排放的比例会出现先降低后升高的趋势，NO，占总NO_x排放的比例呈相反趋势，N20占总NO_x排放的比例则一直保持非常低的水平，如图11所示。HC排放随着进气氧浓度的变化关系如图12所示，其中小分子HC（如甲烷和甲醛等）占总HC的质量比随着进气氧浓度的降低会呈现先升高后降低的趋势，而大分子HC所占总HC的质量比则呈相反趋势。

碳烟排放随进气氧浓度的变化关系如图13所示，随着进气氧浓度的降低，碳烟呈先增大后减小的变化趋势。碳烟排放的粒径和浓度随进气氧浓度的变化关系如图14所示，当进气氧浓度降低至一定程度时（进气氧浓度为11%到13%），碳烟排放的粒径变化不大；而在超低进气氧浓度条件下（进气氧浓度小于10%），碳烟排放较少，同时其粒径和粒子浓度都较小。

MUsculus通过激光成像诊断技术，发现LTC排放物的生成区域与传统柴油机下的生成区域不相同，即LTC中NO_x生成区域不限于火焰前锋面，而在雾束所贯穿的高温、富氧和有OH基存在的区域内均可见NO_x的分布。同时碳烟的生成区域主要集中在雾束的下游，其具体分布如图15所示。

4.燃料特性对LTC的影响研究

鉴于传统柴油在LTC模式下所表现出的不足，大量学者从燃料配制或掺混等方面开展了不同燃料特性下的LTC研究，这方面的研究主要集中在以下三个方面：改变柴油的十六烷值、掺混含氧燃料或掺混易挥发燃料。

李铁等用正链烷烃和异链烷烃配制出六种具有不同十六烷值的燃料，其燃料特性见表l。李铁等对这些燃料开展低温燃烧试验研究，结果如图16所示，采用较低十六烷值（十六烷值为42）的燃料进行LTC时综合效果最佳。对EGR率、喷油正时和压缩比进行优化，并辅以尾气催化氧化剂（Diesel Oxidation Catalyst，DOC），可实现较低NO_x、碳烟、HC和CO排放，同时热效率大于40%，并使低温燃烧方式适用的工况拓展到IMEP为0.63 MPa的工况。

尧命发等、Zheng等、Francisco等和Upamieks等分别将丁醇、生物柴油和二乙二醇二乙醚（C8H₁₈O₃）等含氧燃料与柴油掺混后进行LTC试验。试验结果均表明通过提高燃料的氧浓度可以有效降低NO_x和碳烟排放，并且低温燃烧工况得到了更大拓展，动力性和燃油经济性得到了改善。

5.LTC闭环控制研究

由于柴油机LTC方式的实现大多需要采用较大EGR率，而废气的具体成分和流动状态较易出现波动，同时大量的EGR废气与新鲜进气充量之间的互相混合过程也具有一定的不均匀性，进而会对柴油机LTC过程造成燃烧循环变动。为此若能准确地获悉每个工作循环的燃烧状态，结合相应的策略进行闭环反馈控制，则有望保证每个工作循环的燃烧及排放过程均处于较佳状态，有利于提高柴油机的动力性、燃油经济性和改善排放特性。

在柴油机LTC及闭环控制研究领域，清华大学的杨福源副教授等、上海交通大学的邓康耀教授等和加拿大温莎大学的郑明教授等都分别提出以缸压信号为基础，对燃烧放热过程进行闭环控制，以保证柴油机始终工作在较高指示热效率和较好排放性能的范围。

笔者通过搭建如图17所示的离子电流测试系统，开展了LTC下离子电流特性研究，提出了基于离子电流的燃烧放热过程特征参数估计方法，并建立了基于离子电流的柴油机LTC闭环反馈控制策略，改善了LTC时的燃烧稳定性和瞬态HC排放。

6.结论

本文分析了传统柴油机燃烧方式的不足，并依次介绍了各种新型燃烧方式的特点，它们的核心思路都是通过改善燃油与空气之间的雾化及混合过程，并尽可能地获得较为均匀的混合气，降低缸内平均温度，避免过浓混合气的出现，从而达到降低排放的目的。

LTC方式作为近年来的研究热点，目前针对这种燃烧方式所开展的技术研究主要集中在其燃烧特性研究、燃烧优化研究、有害产物生成特征研究、燃料特性对LTC的影响研究和LTC闭环控制研究等方面。总之，通过不断开展和完善LTC相关研究技术，最大限度地发挥LTC的优势，必能保证柴油机更加符合节能和环保的要求。

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