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高压燃油喷射空化喷雾理论与关键技术及应用

发布时间:2021-01-29 阅读量:591

  发动机属于《中国制造 2025》的重点领域,节能减排是该战略的核心支撑点,打造高效清洁的“中国芯”发动机,对提升核心竞争力和应对严苛的油耗和排放法规至关重要。以现代发动机的“心脏”——高压共轨式燃油喷射系统为核心的喷雾强化技术是研发新一代近零排放发动机及清洁替代燃料发动机的关键,进而也是国际研究热点。但高压喷射引起喷油嘴内部流动复杂多变,为喷雾精准控制及喷雾强化带来极大的研发挑战,存在小负荷喷雾差、喷油规律波动大、燃烧匹配不理想、替代燃料喷射适应性差等技术瓶颈,显著影响发动机油耗和排放性能,当前主要面临三大国际难题:高压喷嘴内流机理与控制、喷雾强化及燃烧匹配、替代燃料喷射适应性。 

  针对上述难题,经过十多年攻关,取得如下创新性成果:

  (1)空化喷雾理论创新:发明了高压燃油喷射空化内流可视化测试技术,攻克了小尺度喷嘴高雷诺数强瞬态内流空化测试国际难题;首次发现并揭示了漩涡诱导气核析出稳定汇聚漩涡中心低压区的涡线空化发生新机制,提出了燃油喷射涡线空化诱导中空喷雾新理论,构建了引入气核汇聚效应的新型涡线空化模型;发明了基于消光法的喷雾燃烧与排放联合测量技术,建立了高压燃油喷射内流、喷雾与燃烧的全耦合模型,奠定了高压燃油喷射喷嘴内流喷雾控制与喷雾燃烧技术的重要基石。 

  (2)强化喷雾技术突破:基于内流空化喷雾新理论,提出了耦合针阀升程的喷油嘴结构设计新方法,发明了燃油喷射涡线空化诱导中空喷雾技术,实现了喷嘴内流空化控制与喷雾强化,小负荷喷雾锥角达40~50°,提高 2 倍以上;发明了新型增压式共轨喷射系统,创新了高压燃油喷嘴结构,喷射压力达到 180 MPa 以上,额定点喷油量偏差±2%,解决了喷油规律波动大、匹配性差的难题;发明了柴油微引燃/天然气双燃料喷射系统,开发了生物柴油/汽油混合喷射涡线空化强化技术,有效解决了替代燃料替代率低与喷射适应性问题。 

  (3)工程应用效果显著:与合作单位联合研发了国内首台满足 TierⅢ排放标准的柴油引燃/天然气双燃料发动机,额定工况天然气替代率从 75%提升至 95%;在国内率先研制了增压式高压共轨喷射系统,使国四非道路柴油机 NOx 排放 1.70 g/(kW·h)、PM 排放 0.25 g/(kW·h),显著低于 排放限值 5.5 g/(kW·h)和 0.6 g/(kW·h);研发的国内首台二代生物柴油/汽油发动机,其热效率与国内汽油机相比提高了 32%。

  基于以上创新成果,形成了高压燃油喷射空化喷雾理论与关键技术,获得专利 30 件,出版专著 1 部,发表主要论文 60 余篇,完成的 1 项国家自然科学基金项目结题被评为“优+”。项目完成人受邀在喷雾领域国际顶级学术会议上作大会报告 10 余次,经同行专家鉴定:“高压燃油喷射涡线空化强化喷雾技术达到了国际领先水平”、“喷嘴内部空穴流动特性和 CAV-ELSA 喷雾模型方面的研究达到国际先进水平”、“双燃料发动机领域的研究总体达到国际先进水平”。 

  成果应用于中国一汽等多家发动机龙头企业,新增总产值达 74.967 亿元,利润 7.371 亿元,取得了显著的经济、社会和环境效益,引领了我国发动机燃油喷射技术的进步,大幅提升了国际竞争力。

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