二甲醚尋發(fā)動機燃燒與排放特性及其性能優(yōu)化.pdf

1、我國汽車工業(yè)的發(fā)展正面臨著日益嚴峻的能源供應和環(huán)境保護雙重壓力,因此尋找新的發(fā)動機代用燃料就成了人們的當務之急。二甲醚(DME)是一種非常適合柴油機使用的優(yōu)質代用燃料,其應用可以有效緩解我國對石油基燃料的依賴。本文對二甲醚發(fā)動機進行了燃燒排放特性及其性能優(yōu)化的研究。
　　 本文對一臺車用增壓柴油機進行改造,根據二甲醚的理化特性,設計了適合二甲醚的燃油系統(tǒng),進行了燃用二甲醚的試驗研究。結果表明,二甲醚發(fā)動機在中低轉速時,燃油消耗率

2、比柴油低,在中高轉速時比柴油機高。在發(fā)動機的所有工況范圍內,二甲醚發(fā)動機的NOx排放比柴油機有明顯下降,HC和CO排放處于很低水平,碳煙排放為零,能實現(xiàn)無煙燃燒。
　　 燃料供給溫度升高會造成二甲醚發(fā)動機功率下降。結合燃料供給溫度變化,對發(fā)動機燃料系統(tǒng)結構參數(shù)優(yōu)化的試驗結果表明,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)動機的功率輸出。相同功率下,采用相同規(guī)格噴油泵,當噴油器噴孔孔徑減小時,NOx排放升高

3、,燃料經濟性較好。綜合考慮二甲醚發(fā)動機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。采用這兩種技術方案,不需廢氣再循環(huán)和氧化后處理,二甲醚發(fā)動機的ESC試驗循環(huán)測試結果均能滿足歐Ⅲ排放標準限值。
　　 采用KIVA-3V對增壓二甲醚發(fā)動機和柴油機額定功率點的

4、缸內燃燒過程與NOx排放進行了數(shù)值模擬研究。耦合到KIVA-3V中的二甲醚化學反應機理包括78個化學組份和336步基元反;選用正庚烷化學反應機理模擬柴油燃燒,包括65個化學組份,248步基元反應。結果表明,計算所得的缸內壓力和放熱率與實測值吻合較好。對缸內燃燒的溫度計算表明,柴油滯燃期較二甲醚的長,柴油燃燒初期,其高溫區(qū)分布于噴霧濃側,且在缸內氣流作用下沿垂直于噴霧方向擴散；二甲醚的著火點位于噴嘴附近,在燃燒初始時刻,其噴霧稀薄側溫度明

5、顯高于柴油,隨噴霧的進行,其燃燒高溫區(qū)從噴嘴附近延伸到燃燒室壁面,呈現(xiàn)狹長的高溫帶。與柴油相比,二甲醚發(fā)動機缸內燃燒最高溫度顯著降低,且其溫度梯度較小。選用的9步NOx生成機理可較好地預測發(fā)動機實際運行中所產的NOx排放水平。
　　 為了降低二甲醚發(fā)動機的排放,本文建立了渦前壓后高壓引流廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng),進行了EGR和氧化后處理(DOC)降低排放的試驗研究。渦前壓后高壓引流EGR使得進、排氣溫度和燃油消耗率均升高,進氣流

6、量降低。EGR縮短了燃料滯燃期,延長了燃燒持續(xù)期,燃燒終點被延遲。EGR降低了NOx排放,但引起CO排放升高,對HC排放影響不明顯。通過氧化后處理裝置,HC和CO排放大幅度降低。燃油正時優(yōu)化試驗結果表明,在3°CA BTDC供油提前角下,二甲醚發(fā)動機ESC試驗循環(huán)測試結果可滿足歐Ⅳ排放標準限值,同時其燃料經濟性較原柴油機有優(yōu)勢。
　　 為了進一步降低NOx排放,搭建了適合增壓二甲醚發(fā)動機的渦前壓前高壓引流廢氣再循環(huán)系統(tǒng),研究了E

7、GR率對燃燒和性能的影響。試驗結果表明,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)動機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)動機ESC試驗循環(huán)測試結果可滿足歐Ⅴ排放標準限值。在5°CABTDC下采用兩級冷卻EGR技術,與3°CABTDC時相比,在降低二甲醚發(fā)動機NOx排放的同時改善了燃料經濟性。
　　 結合柴油機燃用二

8、甲醚HCCI燃燒與缸內直噴燃燒各自的優(yōu)點,提出了柴油機燃用二甲醚氣道-氣缸噴射復合燃燒方式。在一臺改造過的2-135直列泵柴油機上,考察了預混合率、直噴供油提前角、進氣燃料設計以及進氣添加CO2對復合燃燒的影響。結果表明,二甲醚氣道-氣缸噴射復合燃燒過程包括HCCI燃燒和缸內直噴燃料的預混及擴散燃燒多階段放熱,主要受預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?shù)念A混合率和直噴供油提前角,與HCCI燃燒比,復合燃燒在保持NOx