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重型柴油机实现甲醇高比例替代和高效清洁燃烧试验研究

魏立江  
【摘要】:我国重型商用车虽只占汽车总量的13.9%,但却消耗了我国汽车油耗的49.2%;同时重型柴油机国IV排放法规的实施也因尿素和燃油品质无法在全国范围内得到保障而屡遭推迟;节约重型柴油机的燃油消耗和寻求实现高效清洁燃烧的新途径具有重大意义。柴油/甲醇组合燃烧技术(Diesel/Methanol Compound Combustion,DMCC)可以替代部分柴油,同时减少NOX和PM的排放,能够很好的满足这两方面的需求。然而如何在DMCC重型柴油机上用甲醇更高比例的替代柴油,同时如何采用柴油甲醇双燃料(Diesel Methanol Dual Fuel,DMDF)燃烧方式实现国IV及以上的高效清洁燃烧是摆在我们面前迫切需要研究的课题。本研究着眼于DMCC重型柴油机使用DMDF燃烧方式,以甲醇高比例替代柴油和高效清洁燃烧为研究目标,以2台DMCC重型电控柴油机为平台,系统的研究了DMDF燃烧醇油比、柴油主喷时刻、预喷策略对燃烧、性能和排放特性的影响,并在此基础上进一步对DMDF燃烧时最优甲醇替代率(Substitution ratio of methanol,SRm)的选取策略、制约SRm增加的限制因素、进一步提高SRm的措施以及实现高效清洁燃烧的策略进行了探讨。同时本研究针对预混甲醇自燃的现象和原因、DMDF燃烧方式的气体排放特别是非常规气体排放的特点以及耦合简单后处理的综合排放水平也进行了详细的研究。通过对醇油比增加对DMDF燃烧、性能和排放特性影响的研究,结果表明:随着醇油比的增加各负荷下的滞燃期都逐渐延长,THC和CO排放快速增加。高负荷时,随着醇油比的增加,有效热效率先增加而后减小,振动强度变化不大。低负荷时,随着醇油比的增加,有效热效率和振动强度都持续下降。而中等负荷时振动强度对醇油比比较敏感,表现出了先小幅增加,然后快速增加再快速减小的趋势。高负荷和低负荷时NOX与soot之间的trade-off关系被彻底打破,醇油比越高对降低NOX和soot排放越有利,而中等负荷时则宜采用中等醇油比。通过对柴油主喷时刻对DMDF燃烧、性能和排放特性影响的研究,结果表明:在从-8到4°CA ATDC的常用主喷时刻范围内,各负荷下的最大SRm随主喷时刻的变化都呈抛物线形式,主喷时刻靠前时最大SRm受压升率限制,靠后时受失火限制。存在DMDF燃烧的经济性分区,中高负荷时基本在整个主喷时刻和SRm运行范围内都能进行经济燃烧,节约燃油成本;而小负荷时必须采用相对靠前的主喷时刻和相对不高的SRm(低于30%)才能保证经济燃烧。高负荷时,通过选取上止点附近的主喷时刻,采用高SRm能够得到最优的NOX和soot排放;中等负荷时,需要将主喷时刻固定在上止点附近,标定选取中高替代率范围内的SRm得到最优的NOX和soot排放;小负荷时,则通过纯柴油燃烧推迟主喷时刻的方式能够得到更优的NOX和soot排放。这为DMCC重型柴油机的标定提供了指导。通过对预喷策略对DMDF燃烧、性能和排放特性影响的研究,结果表明:预喷策略能够增加缸内燃烧稳定性,大幅度提高SRm,各主喷角度下的最大SRm都超过了80%。同时预喷策略能够扩大经济燃烧区的范围,使无预喷时不能运行的区域变成经济燃烧区和高效燃烧区,但是预喷策略对降低NOX和soot排放的效果不明显,甚至会增加它们的排放量,需要通过调整主喷时刻和增加SRm进一步对NOX和soot排放进行优化。采用预喷下高SRm(70%)策略,能够使各主喷时刻的NOX和soot排放同时达到较低的水平,并且同时保持较高的有效热效率;与无预喷时相比,该策略对于实现DMDF的高效清洁燃烧具有巨大优势。预混甲醇自燃对DMDF燃烧和发动机性能影响的研究结果表明:预混甲醇的自燃可能是由于缸内着火前的高温持续时间长于甲醇在此温度下的滞燃期引起的。预混甲醇发生自燃后,烟度排放有较大增加,缸内燃烧最高爆发压力、最大压力升高率和振动强度都主要受SRm的影响;高SRm时,最高爆发压力和最大压力升高率以及振动强度都急剧升高。通过对DMDF燃烧的常规和非常规气体排放物以及耦合简单后处理的综合排放水平的研究,结果表明:DMDF燃烧会产生较高的THC、CO、HCHO、NO2和芳香族碳氢化合物排放。DOC不仅能够将常规的排气污染物THC和CO基本消除干净,而且对于非常规的NO2、HCHO和芳香族碳氢化合物也有极好的消除效果,特别是对芳香族碳氢化合物能够实现完全消除。采用DMDF燃烧耦合简单后处理DOCPOC的情况下,能够使重型柴油机的排放从国Ⅲ提升到国Ⅳ水平。


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