醇醚雙燃料壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒機(jī)理與排放特性研究.pdf

1、在能源和環(huán)境問(wèn)題的雙重壓力下，開(kāi)發(fā)、應(yīng)用各種代用燃料和新型燃燒方式已經(jīng)成為當(dāng)下內(nèi)燃機(jī)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題?？紤]到甲醇和二甲醚作為石油的替代燃料，除了可由煤或天然氣制取外，也可由可再生生物質(zhì)制取，從而有利于減少全球CO2總排放量。本項(xiàng)研究工作針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在醇醚燃料均質(zhì)充量壓燃（HCCI）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與污染物排放研究方面存在的薄弱環(huán)節(jié)，以二甲醚/甲醇雙燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的非常規(guī)排放物為主要研究對(duì)象，進(jìn)行替代燃料燃燒和排放特性的研究，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)

2、算與試驗(yàn)研究相結(jié)合，開(kāi)展醇醚燃料非常規(guī)排放物排放特性、生成和控制機(jī)理的基礎(chǔ)研究，發(fā)展了適合醇醚燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下非常規(guī)排放物的分析模型和檢測(cè)技術(shù)，以探索全面改善醇醚燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放特性的新途徑，為豐富新一代內(nèi)燃機(jī)燃燒理論，為國(guó)家石油替代能源的決策和未來(lái)超低排放標(biāo)準(zhǔn)的制定提供科學(xué)依據(jù)。本文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：
　　 ⑴對(duì)二甲醚（DME）和甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，全面分析

3、了兩種燃料的理化性質(zhì)，闡明了醇醚燃料在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用的各種技術(shù)問(wèn)題及其在新型燃燒模式開(kāi)發(fā)中的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　 ⑵開(kāi)展了醇醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放物的檢測(cè)技術(shù)與分析方法研究，以先進(jìn)的氣相色譜（GC）和傅立葉紅外（FTIR）光譜檢測(cè)儀為基本測(cè)試手段，構(gòu)建了醇醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放物的科學(xué)檢測(cè)方法與系統(tǒng)。在原有工作的基礎(chǔ)上，建立了更加有效的非常規(guī)排放物檢測(cè)技術(shù)，在氣相色譜中采用毛細(xì)管聚乙二醇（FFAP）柱取代原有填充柱，增大柱容量，提高排

4、放物分離度，優(yōu)化了色譜工作條件。針對(duì)GC對(duì)酸類物質(zhì)反應(yīng)度不靈敏的問(wèn)題，采用FTIR對(duì)尾氣中的甲酸進(jìn)行了準(zhǔn)確的定量測(cè)量。通過(guò)醇醚雙燃料燃燒及其排放物的測(cè)試分析，獲得了排氣中甲醛、甲酸、甲酸甲酯，以及未燃二甲醚、甲醇的排放濃度等一系列較為精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為污染物排放控制策略的制定以及后續(xù)綜合治理技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。
　　 ⑶以ZS195型直噴式柴油機(jī)為原型機(jī)，構(gòu)建了醇醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)專用試驗(yàn)臺(tái)架，開(kāi)展了進(jìn)氣道噴射醇醚混合燃料HCC

5、I燃燒與排放特性試驗(yàn)研究。通過(guò)改變醇醚雙燃料混合比、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷以及進(jìn)氣加熱等多種技術(shù)措施，探討了實(shí)現(xiàn)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)著火正時(shí)控制和發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作范圍拓寬，以及改善HCCI燃燒和污染物排放的有效技術(shù)途徑。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，甲醇的添加能夠抑制二甲醚低溫反應(yīng)，降低缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和燃燒溫度，推后主燃燒反應(yīng)時(shí)刻，從而解決二甲醚的過(guò)快和過(guò)早燃燒。通過(guò)調(diào)節(jié)甲醇噴油量，可實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒優(yōu)化控制，還能明顯擴(kuò)展HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷范圍。雙燃料H

6、CCI發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率最高可以達(dá)到49％左右，且具有較低的Nox排放，但其HC和CO的排放量明顯高于原機(jī)柴油排放水平。進(jìn)氣溫度提升到90度時(shí)，HC排放會(huì)有5％~20％左右的降幅，而CO的降低則非常明顯。對(duì)HC排放影響最大的還是二甲醚/甲醇的噴射比例，精確的電子控制能夠有效地降低HC排放。HC排放中二甲醚大約占據(jù)了60％，甲醇30％，甲醛，乙醛和甲酸甲酯等物質(zhì)約為10％左右。
　　 ⑷在醇醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)專用試驗(yàn)臺(tái)架上就缸內(nèi)直噴甲醇

7、、進(jìn)氣道電控噴射二甲醚的復(fù)合燃燒模式分層充量壓燃（PCCI）燃燒模式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷、供油提前角、二甲醚/甲醇噴射比、以及在進(jìn)氣中添加不同比例CO2等變參數(shù)試驗(yàn)，探討了PCCI燃燒模式下不同燃燒邊界條件和燃料組配對(duì)PCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性的影響規(guī)律。研究表明，PCCI燃燒主要包括二甲醚低溫放熱反應(yīng)、二甲醚高溫放熱反應(yīng)和甲醇擴(kuò)散燃燒等三個(gè)階段。二甲醚作為輔助點(diǎn)燃劑，應(yīng)維持相對(duì)較低的濃度，并應(yīng)隨著混合氣中甲醇濃度

8、的降低而降低。在進(jìn)氣中添加一定量的CO2氣體，可將受試發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩提高至原機(jī)最大輸出扭矩的80％以上。通過(guò)優(yōu)選供油提前角，可明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率，使Nox排放量在全工況范圍內(nèi)不大于400ppm，該值僅為燃用柴油的原機(jī)Nox排放量的30％。通過(guò)精確控制二甲醚/甲醇噴油比例，PCCI燃燒能實(shí)現(xiàn)全工況下Nox排放量均低于燃用柴油的原機(jī)，且在較低負(fù)荷工況下優(yōu)勢(shì)更加明顯。醇醚燃料PCCI燃燒模式所排放的HC明顯低于均質(zhì)壓燃方式，其中甲醇

9、和甲醛是未燃HC的主要組成部分，其體積分?jǐn)?shù)約為70％左右；甲酸的排放量很低，不超過(guò)20ppm；甲酸甲酯在低負(fù)荷時(shí)排放濃度較高，功率上升和進(jìn)氣道二甲醚噴油量的降低都能顯著減少甲酸甲酯的排放。
　　 ⑸基于二甲醚和甲醇的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，開(kāi)展了二甲醚/甲醇混合燃料詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型的研究。該機(jī)理模型包括97種組分和508個(gè)基元反應(yīng)步驟。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了零維HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算方法。借助于CHEMKIN軟件，

10、對(duì)二甲醚/甲醇混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放特性進(jìn)行了計(jì)算研究。研究表明，混合燃料反應(yīng)特性的改變主要發(fā)生在低溫氧化階段。由于甲醇汽化潛熱大、十六烷值低，添加甲醇后，缸內(nèi)溫度降低，低溫反應(yīng)速率減緩，高溫氧化反應(yīng)延遲。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與CFD多維模型的耦合計(jì)算，還開(kāi)展了醇醚燃料簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的研究。通過(guò)CHEMKIN軟件的敏感度分析程序和基于計(jì)算機(jī)程序的自動(dòng)機(jī)理簡(jiǎn)化方法，得到了二甲醚/甲醇混合燃料HCCI燃燒的簡(jiǎn)化機(jī)理

11、，簡(jiǎn)化機(jī)理包括38種組分和99個(gè)基元反應(yīng)。通過(guò)算例對(duì)比分析，發(fā)展的簡(jiǎn)化模型能正確揭示HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程和主要生成物組分的變化規(guī)律，能準(zhǔn)確計(jì)算低溫和高溫階段的放熱特征時(shí)刻，且其計(jì)算結(jié)果與詳細(xì)機(jī)理計(jì)算結(jié)果較為吻合。
　　 ⑹建立了二甲醚/甲醇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的多維數(shù)學(xué)模型：⑴帶有進(jìn)排氣道的3D模型；⑵忽略氣道及內(nèi)部不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的2D旋轉(zhuǎn)模型。利用CFD軟件FLUENT耦合簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)二甲醚/甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的HCC

12、I燃燒過(guò)程和排放物生成機(jī)理進(jìn)行了模擬計(jì)算，并研究了進(jìn)氣溫度和頂岸間隙容積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，2D和3D模型計(jì)算得到的示功圖要比零維模型更接近于實(shí)測(cè)示功圖，吻合度更高。3D模型能夠較好地預(yù)測(cè)缸內(nèi)壓力，溫度，物質(zhì)濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化歷程和著火時(shí)刻，但是由于忽略了縫隙效應(yīng)，3D模型對(duì)于未燃HC的模擬精度較差。在2D模型的計(jì)算中，由于添加了頂岸間隙，使得HC排放的模擬精度有所提升，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。同時(shí)在2D模型中研究了進(jìn)氣