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氢助燃点燃式甲醇发动机燃烧与排放特性研究

李朝晖  
【摘要】:甲醇具有高辛烷值和高氧含量等特性,可从煤炭、天然气和生物质中大量生产,因此甲醇被认为是中国目前最有希望获得广泛应用的车用发动机替代燃料之一。但由于甲醇是单一组份燃料,较低的蒸气压和高汽化潜热又使得甲醇发动机混合气形成比汽油机困难,导致甲醇发动机冷启动困难、循环变动大、以及未燃甲醇和甲醛排放高等问题。而氢具有扩散能力强、点火能量低和燃烧速度快等特点,是改善甲醇发动机燃烧特性的良好助燃剂。本文针对甲醇气道喷射和甲醇缸内喷射两种喷射模式,通过发动机台架试验和三维CFD数值模拟,研究了气道喷氢助燃对两种喷射模式下点燃式甲醇发动机燃烧和排放的影响规律,探讨了稀燃下氢助燃甲醇发动机改善燃烧和排放性能的潜力。本文主要研究工作与结论如下:(1)研究了氢气道喷射+甲醇气道喷射(HPI+MPI)/氢气道喷射+甲醇缸内喷射(HPI+MDI)两种不同复合喷射模式下氢助燃点燃式甲醇发动机的燃烧特性,对比分析了稀燃下不同复合喷射模式对发动机燃烧特性的影响规律。受不同复合喷射模式的影响,HPI+MPI喷射模式下的发动机进气充量稍有降低,导致HPI+MPI喷射模式的发动机燃烧性能略有降低,均质混合气条件下掺氢助燃对燃烧稳定性提升不大;掺氢助燃将使HPI+MDI喷射模式的发动机燃烧过程加快,气缸压力、指示平均有效压力与放热率均比纯甲醇燃烧增大。掺氢助燃对HPI+MDI喷射模式的发动机燃烧稳定性的提升明显,6%的掺氢比可使稀燃极限从甲醇气道喷射的过量空气系数1.6提升到2.2。掺氢助燃恶化了HPI+MPI发动机燃烧性能,而掺氢助燃能使HPI+MDI喷射模式的发动机获得更好的燃烧特性与燃烧稳定性。(2)研究了HPI+MPI/HPI+MDI两种喷射模式下甲醇发动机的排放特性。CO、NO_x与HC排放主要取决于燃气过量空气系数,与喷射模式无明显关系。掺氢助燃降低了CO与HC排放,促进了NO_x排放,但是在过稀混合气条件下,会导致CO与HC排放轻微增大,掺氢对Soot生成影响不明显。(3)研究了HPI+MDI喷射模式发动机的稀燃特性。通过甲醇晚喷在缸内形成分层充量,配合氢气辅助燃烧的特性,提高发动机稀燃能力。燃烧特性取决于过量空气系数、点火正时与掺氢比例的耦合影响。随混合气变稀,最佳点火正时提前,点火角可用范围变窄。掺氢助燃缩短了甲醇起燃时间,加快了燃烧进程,导致最佳点火提前角推迟,并增大了点火角可用范围,扩展了稀燃运行条件。在掺氢比例与点火正时协同控制下,缸内直喷甲醇发动机的稀燃极限可以有效提升到过量空气系数3.0。过量空气系数和掺氢比例对CO、HC和Soot排放影响大,而点火正时对NO_x排放影响更大。(4)进行了HPI+MDI喷射模式发动机燃烧相位控制策略研究,通过最大缸压角(θ_(Pmax))和燃烧放热中心角度(θ_(CA50))不同燃烧相位控制模式的对比分析,针对氢助燃甲醇发动机采用θ_(Pmax)点火正时控制方式,对发动机动力输出影响较小,CO、HC、NO_x和Soot排放更低。尤其是在稀混合气条件下采用θ_(Pmax)点火正时控制方式更能获得好的性能。采用θ_(Pmax)点火正时控制方式在同时兼顾动力输出与排放控制的前提下,发动机最佳工作区域运行在掺氢比例β=3%~6%,过量空气系数λ=1.2~1.8之间。(5)对HPI+MDI发动机缸内燃烧开展三维CFD数值模拟,探寻了氢气掺烧助燃机理和非常规排放生成特性。研究发现:掺氢对促进点火时刻缸内自由基池增长有极其重要的影响,能先导触发甲醇氧化“链反应”启动,使甲醇氧化提前并更加剧烈,火焰传播速度更快,HPI+MDI喷射模式发动机燃烧初始阶段的火核生长率与掺氢比例呈线性相关;HPI+MDI喷射模式发动机能有效实现发动机缸内充量分层,点火正时对未燃甲醇与甲醛生成的影响相对较弱。掺氢比例是影响OH自由基、未燃甲醇与甲醛质量分数的最主要因素,HPI+MDI喷射模式发动机在过量空气系数1.4时具有较低的未燃甲醇与甲醛,增大掺氢比例能够在更稀的混合气范围内保持低的未燃甲醇与甲醛生成。采用θ_(Pmax)进行燃烧相位控制的最佳点火正时条件下,甲醇最优喷射正时为635°CA(85°CA BTDC)。


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