二甲醚尋發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性及其性能優(yōu)化.pdf

1、我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展正面臨著日益嚴(yán)峻的能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)雙重壓力,因此尋找新的發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料就成了人們的當(dāng)務(wù)之急。二甲醚(DME)是一種非常適合柴油機(jī)使用的優(yōu)質(zhì)代用燃料,其應(yīng)用可以有效緩解我國(guó)對(duì)石油基燃料的依賴。本文對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了燃燒排放特性及其性能優(yōu)化的研究。
　　 本文對(duì)一臺(tái)車用增壓柴油機(jī)進(jìn)行改造,根據(jù)二甲醚的理化特性,設(shè)計(jì)了適合二甲醚的燃油系統(tǒng),進(jìn)行了燃用二甲醚的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速時(shí),燃油消耗率

2、比柴油低,在中高轉(zhuǎn)速時(shí)比柴油機(jī)高。在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有工況范圍內(nèi),二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放比柴油機(jī)有明顯下降,HC和CO排放處于很低水平,碳煙排放為零,能實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒。
　　 燃料供給溫度升高會(huì)造成二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。結(jié)合燃料供給溫度變化,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果表明,加大柱塞直徑和柱塞有效行程可提高循環(huán)供油量,可確保不同燃料狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。相同功率下,采用相同規(guī)格噴油泵,當(dāng)噴油器噴孔孔徑減小時(shí),NOx排放升高

3、,燃料經(jīng)濟(jì)性較好。綜合考慮二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率與排放,得到兩種較為理想的燃料噴射系統(tǒng)技術(shù)方案:柱塞直徑為13mm、升程為12mm的P7100噴油泵匹配6×0.40mm噴油器和柱塞直徑為12mm、升程為14mm的P8500噴油泵匹配6×0.43mm噴油器。采用這兩種技術(shù)方案,不需廢氣再循環(huán)和氧化后處理,二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的ESC試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試結(jié)果均能滿足歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)限值。
　　 采用KIVA-3V對(duì)增壓二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)額定功率點(diǎn)的

4、缸內(nèi)燃燒過(guò)程與NOx排放進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。耦合到KIVA-3V中的二甲醚化學(xué)反應(yīng)機(jī)理包括78個(gè)化學(xué)組份和336步基元反;選用正庚烷化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬柴油燃燒,包括65個(gè)化學(xué)組份,248步基元反應(yīng)。結(jié)果表明,計(jì)算所得的缸內(nèi)壓力和放熱率與實(shí)測(cè)值吻合較好。對(duì)缸內(nèi)燃燒的溫度計(jì)算表明,柴油滯燃期較二甲醚的長(zhǎng),柴油燃燒初期,其高溫區(qū)分布于噴霧濃側(cè),且在缸內(nèi)氣流作用下沿垂直于噴霧方向擴(kuò)散；二甲醚的著火點(diǎn)位于噴嘴附近,在燃燒初始時(shí)刻,其噴霧稀薄側(cè)溫度明

5、顯高于柴油,隨噴霧的進(jìn)行,其燃燒高溫區(qū)從噴嘴附近延伸到燃燒室壁面,呈現(xiàn)狹長(zhǎng)的高溫帶。與柴油相比,二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒最高溫度顯著降低,且其溫度梯度較小。選用的9步NOx生成機(jī)理可較好地預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中所產(chǎn)的NOx排放水平。
　　 為了降低二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的排放,本文建立了渦前壓后高壓引流廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng),進(jìn)行了EGR和氧化后處理(DOC)降低排放的試驗(yàn)研究。渦前壓后高壓引流EGR使得進(jìn)、排氣溫度和燃油消耗率均升高,進(jìn)氣流

6、量降低。EGR縮短了燃料滯燃期,延長(zhǎng)了燃燒持續(xù)期,燃燒終點(diǎn)被延遲。EGR降低了NOx排放,但引起CO排放升高,對(duì)HC排放影響不明顯。通過(guò)氧化后處理裝置,HC和CO排放大幅度降低。燃油正時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明,在3°CA BTDC供油提前角下,二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)ESC試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試結(jié)果可滿足歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)限值,同時(shí)其燃料經(jīng)濟(jì)性較原柴油機(jī)有優(yōu)勢(shì)。
　　 為了進(jìn)一步降低NOx排放,搭建了適合增壓二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的渦前壓前高壓引流廢氣再循環(huán)系統(tǒng),研究了E

7、GR率對(duì)燃燒和性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,與渦前壓后高壓引流EGR相比,采用渦前壓前方式組織廢氣再循環(huán)可獲得較大的EGR率,發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放下降的幅度更為顯著。3°CABTDC供油提前角下,采用渦前壓前高壓引流EGR和氧化后處理,二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)ESC試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試結(jié)果可滿足歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)限值。在5°CABTDC下采用兩級(jí)冷卻EGR技術(shù),與3°CABTDC時(shí)相比,在降低二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的同時(shí)改善了燃料經(jīng)濟(jì)性。
　　 結(jié)合柴油機(jī)燃用二

8、甲醚HCCI燃燒與缸內(nèi)直噴燃燒各自的優(yōu)點(diǎn),提出了柴油機(jī)燃用二甲醚氣道-氣缸噴射復(fù)合燃燒方式。在一臺(tái)改造過(guò)的2-135直列泵柴油機(jī)上,考察了預(yù)混合率、直噴供油提前角、進(jìn)氣燃料設(shè)計(jì)以及進(jìn)氣添加CO2對(duì)復(fù)合燃燒的影響。結(jié)果表明,二甲醚氣道-氣缸噴射復(fù)合燃燒過(guò)程包括HCCI燃燒和缸內(nèi)直噴燃料的預(yù)混及擴(kuò)散燃燒多階段放熱,主要受預(yù)混合率和供油提前角的影響而呈現(xiàn)不同的放熱特征。采用適當(dāng)?shù)念A(yù)混合率和直噴供油提前角,與HCCI燃燒比,復(fù)合燃燒在保持NOx