二甲醚发动机燃烧与排放特性及其性能优化

论文摘要

我国汽车工业的发展正面临着日益严峻的能源供应和环境保护双重压力,因此寻找新的发动机代用燃料就成了人们的当务之急。二甲醚（DME）是一种非常适合柴油机使用的优质代用燃料,其应用可以有效缓解我国对石油基燃料的依赖。本文对二甲醚发动机进行了燃烧排放特性及其性能优化的研究。本文对一台车用增压柴油机进行改造,根据二甲醚的理化特性,设计了适合二甲醚的燃油系统,进行了燃用二甲醚的试验研究。结果表明,二甲醚发动机在中低转速时,燃油消耗率比柴油低,在中高转速时比柴油机高。在发动机的所有工况范围内,二甲醚发动机的NOx排放比柴油机有明显下降,HC和CO排放处于很低水平,碳烟排放为零,能实现无烟燃烧。燃料供给温度升高会造成二甲醚发动机功率下降。结合燃料供给温度变化,对发动机燃料系统结构参数优化的试验结果表明,加大柱塞直径和柱塞有效行程可提高循环供油量,可确保不同燃料状态下发动机的功率输出。相同功率下,采用相同规格喷油泵,当喷油器喷孔孔径减小时,NOx排放升高,燃料经济性较好。综合考虑二甲醚发动机的燃油消耗率与排放,得到两种较为理想的燃料喷射系统技术方案:柱塞直径为13mm、升程为12mm的P7100喷油泵匹配6×0.40mm喷油器和柱塞直径为12mm、升程为14mm的P8500喷油泵匹配6×0.43mm喷油器。采用这两种技术方案,不需废气再循环和氧化后处理,二甲醚发动机的ESC试验循环测试结果均能满足欧Ⅲ排放标准限值。采用KIVA-3V对增压二甲醚发动机和柴油机额定功率点的缸内燃烧过程与NOx排放进行了数值模拟研究。耦合到KIVA-3V中的二甲醚化学反应机理包括78个化学组份和336步基元反应;选用正庚烷化学反应机理模拟柴油燃烧,包括65个化学组份,248步基元反应。结果表明,计算所得的缸内压力和放热率与实测值吻合较好。对缸内燃烧的温度计算表明,柴油滞燃期较二甲醚的长,柴油燃烧初期,其高温区分布于喷雾浓侧,且在缸内气流作用下沿垂直于喷雾方向扩散;二甲醚的着火点位于喷嘴附近,在燃烧初始时刻,其喷雾稀薄侧温度明显高于柴油,随喷雾的进行,其燃烧高温区从喷嘴附近延伸到燃烧室壁面,呈现狭长的高温带。与柴油相比,二甲醚发动机缸内燃烧最高温度显著降低,且其温度梯度较小。选用的9步NOx生成机理可较好地预测发动机实际运行中所产的NOx排放水平。为了降低二甲醚发动机的排放,本文建立了涡前压后高压引流废气再循环（EGR）系统,进行了EGR和氧化后处理（DOC）降低排放的试验研究。涡前压后高压引流EGR使得进、排气温度和燃油消耗率均升高,进气流量降低。EGR缩短了燃料滞燃期,延长了燃烧持续期,燃烧终点被延迟。EGR降低了NOx排放,但引起CO排放升高,对HC排放影响不明显。通过氧化后处理装置,HC和CO排放大幅度降低。燃油正时优化试验结果表明,在3°CA BTDC供油提前角下,二甲醚发动机ESC试验循环测试结果可满足欧Ⅳ排放标准限值,同时其燃料经济性较原柴油机有优势。为了进一步降低NOx排放,搭建了适合增压二甲醚发动机的涡前压前高压引流废气再循环系统,研究了EGR率对燃烧和性能的影响。试验结果表明,与涡前压后高压引流EGR相比,采用涡前压前方式组织废气再循环可获得较大的EGR率,发动机NOx排放下降的幅度更为显著。3°CA BTDC供油提前角下,采用涡前压前高压引流EGR和氧化后处理,二甲醚发动机ESC试验循环测试结果可满足欧Ⅴ排放标准限值。在5°CA BTDC下采用两级冷却EGR技术,与3°CA BTDC时相比,在降低二甲醚发动机NOx排放的同时改善了燃料经济性。结合柴油机燃用二甲醚HCCI燃烧与缸内直喷燃烧各自的优点,提出了柴油机燃用二甲醚气道-气缸喷射复合燃烧方式。在一台改造过的2-135直列泵柴油机上,考察了预混合率、直喷供油提前角、进气燃料设计以及进气添加CO2对复合燃烧的影响。结果表明,二甲醚气道-气缸喷射复合燃烧过程包括HCCI燃烧和缸内直喷燃料的预混及扩散燃烧多阶段放热,主要受预混合率和供油提前角的影响而呈现不同的放热特征。采用适当的预混合率和直喷供油提前角,与HCCI燃烧比,复合燃烧在保持NOx基本不变的条件下有效地拓宽了发动机工况范围,同时降低了HC和CO排放。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 能源危机与排放法规
• 1.2 代用燃料二甲醚及其在发动机上的应用
• 1.3 二甲醚发动机燃烧存在的问题
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 增压二甲醚发动机燃料系统结构参数优化
• 2.1 试验装置
• 2.2 二甲醚发动机性能
• 2.3 二甲醚发动机排放
• 2.4 二甲醚发动机燃料系统结构参数优化
• 2.5 本章小结
• 第三章 增压二甲醚发动机燃烧数值研究
• 3.1 主要模型与反应机理
• 3.2 计算网格与初边界条件
• 3.3 缸内压力和放热率模拟计算结果和实测值比较
• 3.4 缸内燃烧与NO 排放模拟结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 涡前压后高压引流EGR 二甲醚发动机燃烧与排放研究
• 4.1 试验装置
• 4.2 试验方法
• 4.3 涡前压后高压引流EGR 二甲醚发动机燃油正时优化
• 4.4 EGR 率对二甲醚发动机进气的影响
• 4.5 EGR 率对二甲醚发动机燃烧过程的影响
• 4.6 EGR 率对二甲醚发动机性能的影响
• 4.7 EGR 率对二甲醚发动机排放的影响
• 4.8 DOC 对二甲醚发动机HC 和CO 排放的影响
• 4.9 本章小结
• 第五章 涡前压前高压引流EGR 二甲醚发动机燃烧和排放研究
• 5.1 试验装置及方法
• 5.2 EGR 率对二甲醚发动机进气的影响
• 5.3 EGR 率对二甲醚发动机燃烧过程的影响
• 5.4 EGR 率对二甲醚发动机性能的影响
• 5.5 EGR 率对二甲醚发动机NOx 排放的影响
• 5.6 二甲醚发动机采用涡前压前高压引流EGR 时ESC 测试结果
• 5.7 二甲醚发动机采用两种不同EGR 技术路线时燃油消耗率对比
• 5.8 涡前压前高压引流EGR 二甲醚发动机性能与排放优化
• 5.9 二甲醚发动机采用EGR 技术实现高效清洁燃烧途径的探讨
• 5.10 本章小结
• 第六章 燃用二甲醚柴油机气道－气缸喷射复合燃烧研究
• 6.1 概述
• 6.2 试验装置与条件
• 6.3 研究方法
• 6.4 预混合率对CCCI 发动机燃烧过程的影响
• 6.5 供油提前角对CCCI 发动机燃烧过程的影响
• 6.6 预混合率和供油提前角对CCCI 发动机排放和DME 消耗率影响
• 6.7 进气添加DME/LPG 混合燃料CCCI 发动机燃烧与排放特性分析
• 6.8 进气添加 CO2时 CCCI 发动机燃烧与排放特性分析
• 6.9 本章小结
• 第七章 全文总结与工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 创新点说明
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的专利
• 发表的论文
• 公开的发明专利
• 参加的科研项目与获得的奖励
• 参考文献
• 致谢