含氧混合燃料對柴油機燃燒、氣體排放和微粒分布影響研究.pdf

1、本研究從燃料含氧量、與柴油互溶性、物性參數以及燃料分子結構等角度出發(fā),選擇了二甲氧基甲烷(DMM)、碳酸二甲酯(DMC)、己二酸二乙酯(DEA)、生物柴油和乙醇等五種有代表性的含氧化合物作為柴油含氧添加劑。系統(tǒng)地開展了柴油/二甲氧基甲烷、柴油/碳酸二甲酯、柴油/己二酸二乙酯、柴油/生物柴油、柴油/生物柴油/乙醇等多種柴油/含氧化合物混合燃料的燃燒、氣體和微粒排放研究。此外,對柴油/二甲氧基甲烷混合燃料結合廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)以及柴油

2、摻混不同種類含氧燃料結合柴油氧化催化轉化器(DOC)的燃燒、氣體和微粒排放進行了研究,力圖闡明具有相同含氧量的不同種類含氧燃料燃燒與排放的個性和共性特征,特別是對降低發(fā)動機排氣微粒質量和數量濃度的作用。為優(yōu)化柴油機摻混合適種類和比例的含氧燃料提供理論和實驗基礎。
　　本研究的主要結論和創(chuàng)新點有:
　　1.開展了柴油摻混不同比例二甲氧基甲烷(DMM)結合廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)和柴油催化氧化器(DOC)的燃燒和排放特性研究。結

3、果表明,柴油摻混DMM后可有效降低CO排放、碳煙及微粒數量濃度,NOx無明顯的上升,HC排放隨著DMM的增加有所上升。與純柴油相比,柴油/DMM混合燃料的缸內峰值壓力和放熱率增加、峰值壓力和放熱率出現的曲軸轉角滯后;與此同時,預混燃燒量增加,擴散燃燒量減小,預混燃燒放熱率曲線峰值增大,擴散燃燒速度加快,發(fā)動機燃用含氧燃料后的累積放熱率曲線斜率更大,燃燒等容度較好;柴油機摻混 DMM使燃燒得到改善,熱效率有所提高,當量柴油有效燃油消耗率降

4、低。采用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)可以顯著降低 NOx排放,但同時會引起CO、HC、碳煙和微粒排放的上升。隨著EGR率的增加,柴油機的最大爆發(fā)壓力和峰值放熱率下降,最大爆發(fā)壓力出現的位置略微后移。EGR的使用必須綜合考慮以上因素,在低、中負荷時可以使用較大的EGR率以減少NOx排放,而在大負荷時考慮使用較小的EGR率來達到氣體和微粒排放水平一個較好的折中。柴油催化轉化器(DOC)在較為寬廣的工況范圍內可以顯著降低CO和THC排放,特別是在

5、高負荷下效果明顯。在部分負荷下采用大比例EGR率,高負荷下采用較小比例EGR率,試驗用自然吸氣式小型直噴柴油機燃用50％DMM并結合DOC是一種可以滿足較為嚴格排放標準的可行方式。
　　2.開展了柴油機摻燒碳酸二甲脂混合燃料后的燃燒、氣體及微粒排放特性研究。試驗結果表明:DMC可以導致較長的滯燃期,從而使得預混燃燒期內的缸內燃燒壓力和燃燒放熱率明顯增加,與此同時擴散燃燒期和總燃燒期明顯縮短。隨著DMC添加比的增加,油耗升高,有效熱

6、效率在高負荷時略有增加;CO、NO2、甲醛以及SOF在微粒中的質量比增加,NOx和NO排放出現波動,而HC、乙醛、乙烯、乙炔、丙烯和1,3-丁二烯等氣體排放呈現下降的趨勢;苯、甲苯和二甲苯在低負荷時波動,在中高負荷時呈現下降的趨勢。尾氣中的碳煙排放、微粒質量和數量濃度隨著DMC的添加明顯降低,顆粒物幾何平均直徑向小粒徑方向移動;雖然粒徑小于50和100nm的顆粒物數量隨著DMC的增加而減少,但是這些顆粒物在總的微粒數量中的比例逐漸增加。

7、柴油氧化催化轉化器可以有效降低各種氣體的排放。微粒經過DOC后,微粒的質量和數量濃度可以進一步降低,而幾何平均直徑向大尺寸方向移動,說明DOC對降低小微粒的作用更明顯。
　　3.研究了柴油摻燒己二酸二乙酯混合燃料后的燃燒、氣體及微粒排放特性。結果表明:DEA導致了較長的滯燃期,使得滯燃期內可燃混合氣增加,造成預混燃燒放熱率和壓力升高率峰值增加,燃燒速率增加使得擴散燃燒期和總燃燒期明顯縮短。隨著DEA摻混量的增加,有效燃油消耗率增加

8、,熱效率在發(fā)動機高負荷時略有升高;CO、HC、NO2、甲醛、乙醛以及SOF在微粒中的質量比增加,NOx和NO排放出現波動,而乙烯、乙炔、丙烯、1,3-丁二烯、微粒質量和總數量濃度等呈現下降的趨勢;苯、甲苯和二甲苯隨著DEA摻混比的增加在低負荷時波動,在中高負荷時呈現下降的趨勢。顆粒物粒徑小于50和100nm的顆粒物數量隨著DEA的增加而減少,但它們在總的微粒數量中的比例逐漸增加,此外,顆粒物尺寸向小粒徑方向移動。柴油氧化催化轉化器可以有

9、效降低常規(guī)和非法規(guī)氣體的排放。微粒經過DOC后質量和數量濃度可以進一步降低,而幾何平均直徑向大尺寸方向移動。
　　4.通過研究柴油摻燒生物混合燃料后的燃燒、氣體及微粒排放,發(fā)現生物柴油導致燃燒始點提前。隨著生物柴油摻混量的增加,混合燃料的缸內峰值燃燒壓力逐漸升高,瞬時放熱率和壓力升高率除了柴油在中高負荷時出現峰值外,混合燃料的瞬時放熱率和壓力升高率逐漸上升。隨著生物柴油的添加,滯燃期略有縮短,預混燃燒期、擴散燃燒期以及總燃燒期在中

10、低負荷時略有增加,而在高負荷時基本不變。隨著生物柴油摻混量的增加,有效燃油消耗率增加,熱效率在發(fā)動機中高負荷時逐漸上升;CO、NO2、甲醛、乙醛、乙烯、乙炔、丙烯和1,3-丁二烯等氣體排放增加;NOx排放出現波動;HC、甲苯、二甲苯和微粒質量濃度隨著生物柴油摻混比的增加明顯降低;苯排放在發(fā)動機中高負荷時呈現下降的趨勢,而在較低負荷區(qū)則呈現波動的現象。微粒數量濃度在發(fā)動機中低負荷時隨著生物柴油的添加逐漸升高,而隨著發(fā)動機負荷的進一步增大呈

11、現降低的趨勢。同柴油相比,生物柴油摻混比較小的兩種混合燃料的幾何平均直徑變化不大,而摻混比較大的混合燃料和純生物柴油的幾何平均直徑明顯減小。在所有發(fā)動機工況下,混合燃料的PN<50nm和PN<100nm顆粒物總數占總微粒數的百分比都呈現上升的趨勢。柴油氧化催化轉化器可以有效降低大多數常規(guī)和非常規(guī)氣體的排放。
　　5.通過開展對柴油摻燒生物柴油和乙醇混合燃料后的燃燒和排放特性研究發(fā)現,隨著燃料中乙醇含量的增加,燃燒滯燃期逐漸延長,其

12、中DBE5的滯燃期略小于柴油,其余兩種混合燃料的滯燃期大于柴油。滯燃期的延長使得滯燃期內可燃混合氣增加,造成預混燃燒放熱率和壓力升高率峰值增加,擴散燃燒期和總燃燒期明顯縮短。隨著乙醇摻混量的增加,有效燃油消耗率增加,有效熱效率在發(fā)動機中、高負荷時略有升高;CO、HC、NO2、甲醛、乙醛和二甲苯的排放增加,而乙烯、乙炔、丙烯、1,3-丁二烯、苯、微粒質量濃度和數量濃度呈現下降的趨勢;甲苯隨著乙醇含量的增加在低負荷時略有升高,在中高負荷時有

13、所下降,NOx排放在發(fā)動機高負荷時略有下降。顆粒物粒徑小于50和100nm的顆粒物數量隨著乙醇含量的增加而減少,但它們在總的微粒數量中的比例逐漸增加,顆粒物尺寸向小粒徑方向移動;。柴油氧化催化轉化器可以有效降低常規(guī)和非法規(guī)氣體的排放。微粒經過 DOC后質量和數量濃度可以進一步降低,而幾何平均直徑向大尺寸方向移動。
　　6.通過對相同含氧量下不同種類含氧燃料的燃燒、氣體及微粒排放特性對比,發(fā)現相同含氧量下,由于四種含氧燃料的十六烷值

14、不同導致了燃燒始點有較大的不同。缸內燃燒壓力、瞬時放熱率和壓力升高率峰值基本上隨著滯燃期的延長而增大,依次為DB、DMC、DEA和DBE。由于混合燃料滯燃期、低熱值和汽化潛熱的綜合影響,同柴油相比,含氧燃料的BSFC增加、BTE在發(fā)動機高負荷時有所提高。相同含氧量下,DBE的CO和HC排放最高而DB的CO和HC排放最低。中高負荷時,NOx排放最高的為DMC,最低的為DBE。不同種類的含氧燃料由于分子結構和物性參數的不同,從而對應著不同的

15、顆粒物排放降低效果,其中含有羥基(醇類)的分子對顆粒物排放降低效果最高,DEA的降低效果最差,DMC和DB介于二者之間。選用不同種類的含氧燃料時要綜合考慮與柴油的互溶性、燃料本身的氧含量高低以及物性參數等因素,從而確定合適的含氧燃料種類和添加比例。
　　7.應用Fire軟件對柴油機的燃燒過程進行了多維數值模擬,模擬結果顯示柴油機缸內壓力計算結果與試驗數據有較好的一致性。通過對缸內溫度場的分析,發(fā)現隨著燃燒的進行,缸內溫度不斷升高直