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甲醇高效清洁燃烧过程的基础理论研究

陈征  
【摘要】: 内燃机高效清洁燃烧技术一直是国际内燃机界研究的热点课题。针对未来超低排放、甚至零排放的排放法规,人们提出了不同的内燃机新型燃烧方式。同时,开发新型清洁代用燃料也成为当前各国研究的热点。本文对甲醇代用燃料新型高效清洁燃烧方式进行了探索性研究,即部分甲醇合成二甲醚,实现二甲醚与甲醇双燃料方式,创新性地提出了采用甲醇/DME气道喷射双燃料均质压燃(HCCI)燃烧方式和DME气道喷射与甲醇缸内直喷双燃料复合燃烧方式,以在全负荷范围内实现甲醇的高效清洁燃烧。 采用甲醇/DME气道喷射双燃料HCCI燃烧方式,能拓宽发动机运行工况范围到原非增压柴油机中高负荷水平,并能保持极低的NOX排放,但低负荷燃烧效率和热效率低,HC和CO排放高;中高负荷甲醇/DME浓度可调范围窄,控制难度增大。采用EGR后中高负荷工况的可控范围得以拓宽,但其最大负荷范围难以扩展。在低负荷工况,采用纯DME加大比例EGR的HCCI燃烧方案能改善热效率;在中高负荷工况,采用高EGR率高DME比例方案可以提高热效率,降低HC和CO排放。 采用DME气道喷射和甲醇缸内直喷双燃料复合燃烧方式,通过控制甲醇的喷射时刻可以实现不同燃烧模式,不同燃烧模式表现出不同的燃烧特性和排放特性。低甲醇浓度下采用高温扩散燃烧模式可以实现低负荷较高的热效率。随甲醇浓度增大,高温扩散燃烧模式出现的时刻提前,早喷燃烧可控范围变窄。采用晚喷方式,燃烧过程能得到较好的控制,高甲醇浓度大负荷下不容易出现爆震燃烧,能进一步扩展发动机负荷工况范围。CFD模拟表明,晚喷在燃烧室壁面附近有较强烈的浓度分层,高温燃烧区范围较窄,主要分布在压缩余隙和燃烧室壁面附近。变参数模拟研究表明,增大喷油速率可以缩短高甲醇浓度晚喷的燃烧持续期。 在不同燃烧方式研究的基础上,本文提出了全负荷范围甲醇高效清洁燃烧的控制策略。即在低负荷工况,采用纯DME加大比例EGR的HCCI燃烧或二甲醚气道喷射与甲醇缸内直喷双燃料复合燃烧的甲醇高温扩散燃烧模式以获得相对高的热效率;在中高负荷工况,采用甲醇/二甲醚气道喷射双燃料HCCI燃烧方式实现高效低NOX排放的清洁燃烧;在大负荷工况,采用甲醇晚喷实现DME气道喷射与甲醇缸内直喷复合燃烧方式以保证高的功率输出。这一控制策略为甲醇燃料在内燃机上实现高效清洁利用提供了理论基础和试验依据,具有一定的参考价值。


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