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《北京工业大学》 2017年
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掺氢醇类燃料内燃机燃烧与排放特性的试验研究

张擘  
【摘要】:采用绿色可再生能源替代传统石化燃料,是未来内燃机发展的重要趋势。醇类燃料是可以通过多种方式制取的理想内燃机代用燃料之一。其自身含氧,有害排放少的优势能够在一定程度上改善传统内燃机的燃烧与排放性能。目前,乙醇燃料已在世界范围内得到广泛应用,特别是在乙醇生产成本低廉、玉米等经济作物产量较高的美国和巴西等国家,掺混乙醇的汽油已经成为这些国家重要的车用能源之一。我国在东北地区也曾推广过较低乙醇掺混比例的乙醇汽油。由于我国煤炭资源丰富,作为煤炭工业中重要的副产物,甲醇汽油燃料在山西等地的应用较为广泛。丁醇作为一种碳含量较高的燃料,其性质相比甲醇和乙醇而言更接近汽油。因此丁醇燃料也被认为是具有良好发展前景的内燃机代用燃料之一。但是,现阶段醇类燃料的应用还局限在与传统燃料混合后使用。而单一醇类燃料较高的汽化潜热和较低的燃料低热值,使其不能满足内燃机工况复杂多变的运行需求。因此需要通过优化燃料性质,掺混其他绿色可再生能源的方式进一步改善醇类燃料内燃机的性能。氢气具有点火能量低、稀燃极限宽、火焰传播及扩散速度快等特点,在进气中掺入少量氢气从理论上能够利用氢气自身优良的特性改善醇类燃料内燃机的燃烧过程。本文就不同工况下掺氢对甲醇、乙醇及丁醇内燃机燃烧与排放的影响进行了详细研究。首先,建立了适用于多工况掺氢甲醇内燃机燃烧特性模拟的准维模型,并通过试验对模型进行了验证。计算结果表明,掺氢能够有效提高甲醇-空气混合气在缸内的湍流火焰传播速率。进气掺氢体积分数3.0%、当量比0.8的甲醇-氢气混合燃料燃烧时,湍流燃烧火焰传播速率较纯甲醇燃烧时相对提高18.7%,且指示热效率提升18.0%左右。随后,在掺氢醇类燃料内燃机试验台架上,详细研究了进气掺氢体积分数、混合气过量空气系数、点火角等参数对掺氢甲醇、乙醇及丁醇内燃机冷起动、怠速及部分负荷等工况下燃烧与排放特性的影响规律。通过试验研究发现在进气中掺入少量氢气能够有效改善甲醇内燃机冷起动的稳定性,并克服甲醇内燃机在环境温度偏低时起动困难的问题。试验结果显示,进气掺混3.15 L/min氢气后甲醇内燃机冷起动时的峰值转速和缸内峰值压力有所升高,且HC、CO及颗粒物排放较原机分别下降了68.7%,75.2%和72.4%。同时,怠速条件下进气掺氢有利于提高甲醇内燃机的平均指示压力和燃料经济性。试验结果还表明,在部分负荷下,进气掺氢能够明显缩短甲醇内燃机的火焰发展期和快速燃烧持续期,降低循环变动,拓展稀燃极限,并减少HC和CO排放的产生。通过稀薄燃烧手段则能够有效地控制掺氢甲醇内燃机的NOx排放。同时,针对掺氢乙醇内燃机的研究结果表明,进气掺氢也能够改善乙醇内燃机冷起动时的稳定性并降低HC、CO及颗粒物排放,提高内燃机怠速经济性,在部分负荷工况下拓展乙醇内燃机的稀燃极限,并降低HC及CO排放。此外,提出并验证了采用掺氢、稀燃及停缸协同控制实现乙醇内燃机在节气门全开条件下通过调整混合气过量空气系数稳定控制内燃机平均有效压力的方法。结果表明,采用该控制策略能够有效降低中、小负荷条件下的泵气损失,在内燃机转速1400r/min时,采用该策略控制的掺氢乙醇内燃机在不同负荷下的有效热效率较原机平均提高10.0%以上。丁醇燃料具有较高的C/H值,因此丁醇内燃机较高的HC排放是其与甲醇和乙醇相比的最大区别。试验结果表明,进气掺氢及稀薄燃烧能够有效降低丁醇内燃机在怠速及部分负荷下的HC及CO排放。部分负荷工况下,混合气过量空气系数为1.4时,进气掺氢体积分数3.0%的丁醇内燃机CO和HC排放分别较原机降低了27.6%和81.8%。此外,由于掺氢加快了缸内可燃混合气的燃烧速度,因而掺氢后丁醇内燃机后燃程度减弱,排气损失有所降低,使掺氢丁醇内燃机的热效率得到提高。本文分别通过仿真模拟和试验研究,证明掺氢燃烧对甲醇、乙醇及丁醇内燃机的燃烧过程有明显改善作用。通过试验研究发现,掺氢对三种醇类燃料内燃机火焰发展期的改善效果较快速燃烧持续期更加明显。部分负荷工况下,掺氢3.0%及理论过量空气系数时三种醇类内燃机的火焰发展期平均缩短4.3°,快速燃烧持续期则平均缩短2.0°。试验结果还表明,由于缩短燃烧持续时间有利于提高内燃机运行稳定性,因此进气掺氢能够降低三种醇类燃料内燃机怠速时的平均指示压力循环变动系数并拓展稀燃极限。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK401

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