含氧混合燃料對(duì)柴油機(jī)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(shù)以及燃料分子結(jié)構(gòu)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(kāi)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(duì)柴油/二甲氧基甲烷混合燃料結(jié)合廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)以及柴油

2、摻混不同種類(lèi)含氧燃料結(jié)合柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)的燃燒、氣體和微粒排放進(jìn)行了研究,力圖闡明具有相同含氧量的不同種類(lèi)含氧燃料燃燒與排放的個(gè)性和共性特征,特別是對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒質(zhì)量和數(shù)量濃度的作用。為優(yōu)化柴油機(jī)摻混合適種類(lèi)和比例的含氧燃料提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　本研究的主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　1.開(kāi)展了柴油摻混不同比例二甲氧基甲烷(DMM)結(jié)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(jié)

3、果表明,柴油摻混DMM后可有效降低CO排放、碳煙及微粒數(shù)量濃度,NOx無(wú)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(nèi)峰值壓力和放熱率增加、峰值壓力和放熱率出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后;與此同時(shí),預(yù)混燃燒量增加,擴(kuò)散燃燒量減小,預(yù)混燃燒放熱率曲線峰值增大,擴(kuò)散燃燒速度加快,發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)摻混 DMM使燃燒得到改善,熱效率有所提高,當(dāng)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(shí)會(huì)引起CO、HC、碳煙和微粒排放的上升。隨著EGR率的增加,柴油機(jī)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(xiàn)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(fù)荷時(shí)可以使用較大的EGR率以減少NOx排放,而在大負(fù)荷時(shí)考慮使用較小的EGR率來(lái)達(dá)到氣體和微粒排放水平一個(gè)較好的折中。柴油催化轉(zhuǎn)化器(DOC)在較為寬廣的工況范圍內(nèi)可以顯著降低CO和THC排放,特別是在

5、高負(fù)荷下效果明顯。在部分負(fù)荷下采用大比例EGR率,高負(fù)荷下采用較小比例EGR率,試驗(yàn)用自然吸氣式小型直噴柴油機(jī)燃用50％DMM并結(jié)合DOC是一種可以滿(mǎn)足較為嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的可行方式。
　　2.開(kāi)展了柴油機(jī)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(yàn)結(jié)果表明:DMC可以導(dǎo)致較長(zhǎng)的滯燃期,從而使得預(yù)混燃燒期內(nèi)的缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒放熱率明顯增加,與此同時(shí)擴(kuò)散燃燒期和總?cè)紵诿黠@縮短。隨著DMC添加比的增加,油耗升高,有效熱

6、效率在高負(fù)荷時(shí)略有增加;CO、NO2、甲醛以及SOF在微粒中的質(zhì)量比增加,NOx和NO排放出現(xiàn)波動(dòng),而HC、乙醛、乙烯、乙炔、丙烯和1,3-丁二烯等氣體排放呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);苯、甲苯和二甲苯在低負(fù)荷時(shí)波動(dòng),在中高負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。尾氣中的碳煙排放、微粒質(zhì)量和數(shù)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(dòng);雖然粒徑小于50和100nm的顆粒物數(shù)量隨著DMC的增加而減少,但是這些顆粒物在總的微粒數(shù)量中的比例逐漸增加。

7、柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器可以有效降低各種氣體的排放。微粒經(jīng)過(guò)DOC后,微粒的質(zhì)量和數(shù)量濃度可以進(jìn)一步降低,而幾何平均直徑向大尺寸方向移動(dòng),說(shuō)明DOC對(duì)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(jié)果表明:DEA導(dǎo)致了較長(zhǎng)的滯燃期,使得滯燃期內(nèi)可燃混合氣增加,造成預(yù)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(kuò)散燃燒期和總?cè)紵诿黠@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(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)略有升高;CO、HC、NO2、甲醛、乙醛以及SOF在微粒中的質(zhì)量比增加,NOx和NO排放出現(xiàn)波動(dòng),而乙烯、乙炔、丙烯、1,3-丁二烯、微粒質(zhì)量和總數(shù)量濃度等呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);苯、甲苯和二甲苯隨著DEA摻混比的增加在低負(fù)荷時(shí)波動(dòng),在中高負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。顆粒物粒徑小于50和100nm的顆粒物數(shù)量隨著DEA的增加而減少,但它們?cè)诳偟奈⒘?shù)量中的比例逐漸增加,此外,顆粒物尺寸向小粒徑方向移動(dòng)。柴油氧化催化轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)DOC后質(zhì)量和數(shù)量濃度可以進(jìn)一步降低,而幾何平均直徑向大尺寸方向移動(dòng)。
　　4.通過(guò)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(xiàn)生物柴油導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)提前。隨著生物柴油摻混量的增加,混合燃料的缸內(nèi)峰值燃燒壓力逐漸升高,瞬時(shí)放熱率和壓力升高率除了柴油在中高負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)峰值外,混合燃料的瞬時(shí)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(yù)混燃燒期、擴(kuò)散燃燒期以及總?cè)紵谠谥?/p>

10、低負(fù)荷時(shí)略有增加,而在高負(fù)荷時(shí)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(dòng)機(jī)中高負(fù)荷時(shí)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(xiàn)波動(dòng);HC、甲苯、二甲苯和微粒質(zhì)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(dòng)機(jī)中高負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而在較低負(fù)荷區(qū)則呈現(xiàn)波動(dòng)的現(xiàn)象。微粒數(shù)量濃度在發(fā)動(dòng)機(jī)中低負(fù)荷時(shí)隨著生物柴油的添加逐漸升高,而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的進(jìn)一步增大呈

11、現(xiàn)降低的趨勢(shì)。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(dòng)機(jī)工況下,混合燃料的PN<50nm和PN<100nm顆粒物總數(shù)占總微粒數(shù)的百分比都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器可以有效降低大多數(shù)常規(guī)和非常規(guī)氣體的排放。
　　5.通過(guò)開(kāi)展對(duì)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(xiàn),隨著燃料中乙醇含量的增加,燃燒滯燃期逐漸延長(zhǎng),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(zhǎng)使得滯燃期內(nèi)可燃混合氣增加,造成預(yù)混燃燒放熱率和壓力升高率峰值增加,擴(kuò)散燃燒期和總?cè)紵诿黠@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(dòng)機(jī)中、高負(fù)荷時(shí)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(zhì)量濃度和數(shù)量濃度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);甲苯隨著乙醇含量的增加在低負(fù)荷時(shí)略有升高,在中高負(fù)荷時(shí)有

13、所下降,NOx排放在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)略有下降。顆粒物粒徑小于50和100nm的顆粒物數(shù)量隨著乙醇含量的增加而減少,但它們?cè)诳偟奈⒘?shù)量中的比例逐漸增加,顆粒物尺寸向小粒徑方向移動(dòng);。柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器可以有效降低常規(guī)和非法規(guī)氣體的排放。微粒經(jīng)過(guò) DOC后質(zhì)量和數(shù)量濃度可以進(jìn)一步降低,而幾何平均直徑向大尺寸方向移動(dòng)。
　　6.通過(guò)對(duì)相同含氧量下不同種類(lèi)含氧燃料的燃燒、氣體及微粒排放特性對(duì)比,發(fā)現(xiàn)相同含氧量下,由于四種含氧燃料的十六烷值

14、不同導(dǎo)致了燃燒始點(diǎn)有較大的不同。缸內(nèi)燃燒壓力、瞬時(shí)放熱率和壓力升高率峰值基本上隨著滯燃期的延長(zhǎng)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(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)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(fù)荷時(shí),NOx排放最高的為DMC,最低的為DBE。不同種類(lèi)的含氧燃料由于分子結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)的不同,從而對(duì)應(yīng)著不同的

15、顆粒物排放降低效果,其中含有羥基(醇類(lèi))的分子對(duì)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(lèi)的含氧燃料時(shí)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(shù)等因素,從而確定合適的含氧燃料種類(lèi)和添加比例。
　　7.應(yīng)用Fire軟件對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了多維數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示柴油機(jī)缸內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性。通過(guò)對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)的分析,發(fā)現(xiàn)隨著燃燒的進(jìn)行,缸內(nèi)溫度不斷升高直