醇醚雙燃料壓燃發(fā)動機的燃燒機理與排放特性研究.pdf

1、在能源和環(huán)境問題的雙重壓力下，開發(fā)、應用各種代用燃料和新型燃燒方式已經(jīng)成為當下內(nèi)燃機研究的熱點問題。考慮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制取，從而有利于減少全球CO2總排放量。本項研究工作針對當前國內(nèi)外在醇醚燃料均質充量壓燃（HCCI）發(fā)動機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)動機的非常規(guī)排放物為主要研究對象，進行替代燃料燃燒和排放特性的研究，通過數(shù)值模擬計

2、算與試驗研究相結合，開展醇醚燃料非常規(guī)排放物排放特性、生成和控制機理的基礎研究，發(fā)展了適合醇醚燃料HCCI發(fā)動機運行條件下非常規(guī)排放物的分析模型和檢測技術，以探索全面改善醇醚燃料HCCI發(fā)動機污染物排放特性的新途徑，為豐富新一代內(nèi)燃機燃燒理論，為國家石油替代能源的決策和未來超低排放標準的制定提供科學依據(jù)。本文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點主要有以下幾個方面：
　　 ⑴對二甲醚（DME）和甲醇發(fā)動機試驗與數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀進行了綜述，全面分析

3、了兩種燃料的理化性質，闡明了醇醚燃料在內(nèi)燃機上應用的各種技術問題及其在新型燃燒模式開發(fā)中的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　 ⑵開展了醇醚燃料發(fā)動機非常規(guī)排放物的檢測技術與分析方法研究，以先進的氣相色譜（GC）和傅立葉紅外（FTIR）光譜檢測儀為基本測試手段，構建了醇醚燃料發(fā)動機非常規(guī)排放物的科學檢測方法與系統(tǒng)。在原有工作的基礎上，建立了更加有效的非常規(guī)排放物檢測技術，在氣相色譜中采用毛細管聚乙二醇（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GC對酸類物質反應度不靈敏的問題，采用FTIR對尾氣中的甲酸進行了準確的定量測量。通過醇醚雙燃料燃燒及其排放物的測試分析，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)綜合治理技術的開發(fā)提供了科學依據(jù)。
　　 ⑶以ZS195型直噴式柴油機為原型機，構建了醇醚燃料發(fā)動機專用試驗臺架，開展了進氣道噴射醇醚混合燃料HCC

5、I燃燒與排放特性試驗研究。通過改變醇醚雙燃料混合比、發(fā)動機轉速和負荷以及進氣加熱等多種技術措施，探討了實現(xiàn)HCCI發(fā)動機著火正時控制和發(fā)動機穩(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途徑。試驗研究結果表明，甲醇的添加能夠抑制二甲醚低溫反應，降低缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和燃燒溫度，推后主燃燒反應時刻，從而解決二甲醚的過快和過早燃燒。通過調節(jié)甲醇噴油量，可實現(xiàn)HCCI燃燒優(yōu)化控制，還能明顯擴展HCCI發(fā)動機運行的負荷范圍。雙燃料H

6、CCI發(fā)動機的指示熱效率最高可以達到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柴油排放水平。進氣溫度提升到90度時，HC排放會有5％~20％左右的降幅，而CO的降低則非常明顯。對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約為10％左右。
　　 ⑷在醇醚燃料發(fā)動機專用試驗臺架上就缸內(nèi)直噴甲醇

7、、進氣道電控噴射二甲醚的復合燃燒模式分層充量壓燃（PCCI）燃燒模式進行了試驗研究。通過改變發(fā)動機轉速和負荷、供油提前角、二甲醚/甲醇噴射比、以及在進氣中添加不同比例CO2等變參數(shù)試驗，探討了PCCI燃燒模式下不同燃燒邊界條件和燃料組配對PCCI發(fā)動機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、二甲醚高溫放熱反應和甲醇擴散燃燒等三個階段。二甲醚作為輔助點燃劑，應維持相對較低的濃度，并應隨著混合氣中甲醇濃度

8、的降低而降低。在進氣中添加一定量的CO2氣體，可將受試發(fā)動機的輸出扭矩提高至原機最大輸出扭矩的80％以上。通過優(yōu)選供油提前角，可明顯改善發(fā)動機的指示熱效率，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Nox排放量的30％。通過精確控制二甲醚/甲醇噴油比例，PCCI燃燒能實現(xiàn)全工況下Nox排放量均低于燃用柴油的原機，且在較低負荷工況下優(yōu)勢更加明顯。醇醚燃料PCCI燃燒模式所排放的HC明顯低于均質壓燃方式，其中甲醇

9、和甲醛是未燃HC的主要組成部分，其體積分數(shù)約為70％左右；甲酸的排放量很低，不超過20ppm；甲酸甲酯在低負荷時排放濃度較高，功率上升和進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化學反應動力學機理，開展了二甲醚/甲醇混合燃料詳細反應動力學機理模型的研究。該機理模型包括97種組分和508個基元反應步驟。在此基礎上，發(fā)展了零維HCCI發(fā)動機燃燒數(shù)學模型及其計算方法。借助于CHEMKIN軟件，

10、對二甲醚/甲醇混合燃料發(fā)動機性能與排放特性進行了計算研究。研究表明，混合燃料反應特性的改變主要發(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，低溫反應速率減緩，高溫氧化反應延遲。為了節(jié)省計算時間，實現(xiàn)化學反應動力學與CFD多維模型的耦合計算，還開展了醇醚燃料簡化化學反應動力學模型的研究。通過CHEMKIN軟件的敏感度分析程序和基于計算機程序的自動機理簡化方法，得到了二甲醚/甲醇混合燃料HCCI燃燒的簡化機理

11、，簡化機理包括38種組分和99個基元反應。通過算例對比分析，發(fā)展的簡化模型能正確揭示HCCI發(fā)動機燃燒過程和主要生成物組分的變化規(guī)律，能準確計算低溫和高溫階段的放熱特征時刻，且其計算結果與詳細機理計算結果較為吻合。
　　 ⑹建立了二甲醚/甲醇HCCI發(fā)動機燃燒與排放的多維數(shù)學模型：⑴帶有進排氣道的3D模型；⑵忽略氣道及內(nèi)部不對稱結構的2D旋轉模型。利用CFD軟件FLUENT耦合簡化化學反應動力學模型，對二甲醚/甲醇發(fā)動機的HCC

12、I燃燒過程和排放物生成機理進行了模擬計算，并研究了進氣溫度和頂岸間隙容積對發(fā)動機排放特性的影響。計算結果表明，2D和3D模型計算得到的示功圖要比零維模型更接近于實測示功圖，吻合度更高。3D模型能夠較好地預測缸內(nèi)壓力，溫度，物質濃度隨曲軸轉角的變化歷程和著火時刻，但是由于忽略了縫隙效應，3D模型對于未燃HC的模擬精度較差。在2D模型的計算中，由于添加了頂岸間隙，使得HC排放的模擬精度有所提升，與試驗結果吻合較好。同時在2D模型中研究了進氣