二甲醚—生物柴油混合燃料喷射及发动机燃烧研究

【摘要】：随着汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严厉,发展清洁能源成为当前能源与环境领域的一个重要课题。二甲醚和生物柴油均为柴油机清洁代用燃料,两种燃料混合后可弥补各自不足。本文针对非增压、增压发动机燃用二甲醚-生物柴油混合燃料开展了系统的研究,涉及喷油、喷雾、燃烧、性能和性能预测等。 在喷油泵试验台上试验研究了二甲醚-生物柴油混合燃料的喷射过程。研究表明,对共轨燃料系统,与生物柴油相比,纯二甲醚的喷油始点较晚,其他燃料的喷油始点差别不明显。随着燃料中二甲醚比例的增加,喷油终点延后;喷油持续期明显延长,最大喷油速率变化不大。轨压升高,所有燃料的喷油速率曲线上升段变陡,喷油速率峰值增加;各混合燃料的喷油始点、喷油终点差别均变小,喷油速率在喷油持续期的波动变大。同一燃料,喷射脉宽增大,则喷油始点一致,最大喷油速率基本不变,喷油持续期明显增加。启喷压力由17MPa升高为20MPa,喷油始点变晚,最大喷油速率略增加。对泵-管-嘴燃料系统,随着二甲醚比例的增加,喷油始点延后,喷油速率曲线上升段变平缓,最大喷油速率降低,其相位依次延后;喷油持续期增加;高压油管内声速和长管内声速降低。共轨系统与泵-管-嘴系统比,燃料中二甲醚比例对前者喷油始点、最大喷油速率、喷油速率曲线形状的影响要远远小于后者。 采用高速摄影研究了二甲醚-生物柴油混合燃料的喷雾特性。研究表明,各燃料喷雾贯穿距离随时间增加的规律是先快后慢。随着燃料中二甲醚比例的增加,喷雾贯穿距离减小;喷雾锥角变大。背压升高,各燃料的喷雾贯穿距离减小,喷雾锥角变大;各燃料喷雾贯穿距离的差别变小。轨压升高,各燃料的喷雾贯穿速度、贯穿距离、喷雾锥角变大。脉宽增加,各燃料的喷雾贯穿距离增大,喷雾锥角差别不大。 非增压发动机燃用二甲醚-生物柴油混合燃料研究表明,随着燃料中二甲醚比例的增加,缸内压力峰值降低且相位延后;预混合燃烧减弱,其放热峰值降低;扩散燃烧放热峰值升高;混合燃料的燃烧始点延后。缸内最高温度和最大压力升高率降低,其相位延后。掺混二甲醚后,混合燃料的燃油消耗率、排气温度、NOx排放和碳烟排放降低,高负荷时碳烟排放降低更显著。中低负荷时各燃料的CO排放均很低,高负荷时燃料中掺混二甲醚,CO排放显著降低。对缸内压力进行四层小波分解,提取压力时频信息,并将之与放热率、缸内压力升高率和压力升高加速度关联。结果表明,放热率峰值、压力升高率峰值、压力升高加速度峰值都在预混合燃烧阶段;缸内压力在各层的子带信号峰值也在此阶段,各层子带信号峰值反应了预混合燃烧在各频域的冲击。各混合燃料燃烧时均为第四层子带信号峰值和小波相对能量最大,不同负荷都如此。随着燃料中二甲醚比例的增加,第四层小波相对能量增加,其他层小波相对能量减少。 针对二甲醚-生物柴油混合燃料的理化特性,试验研究了喷嘴参数、混合比例等对增压发动机燃烧和性能的影响,试验的混合燃料中二甲醚占质量比例分别为0%、30%、50%、70%和100%。研究发现,采用同一喷嘴时,随着燃料中二甲醚比例的增加,发动机进气压力增加,着火延迟,缸内压力峰值、放热率峰值、最高缸内温度、压力升高率峰值降低,其相位延后。二甲醚掺混比例从30%到100%时,燃油消耗率、NOx排放和碳烟排放下降,HC排放和CO排放先降低,之后变化平缓。6×0.35mm喷嘴与6×0.40mm喷嘴比较,前者的缸内压力峰值、压力升高率峰值和放热率峰值均高于后者,峰值相位提前;随着燃料中二甲醚比例的增加,差别更明显。综合考虑燃油消耗率和NOx排放,燃用低比例二甲醚混合燃料时,宜选用6×0.35mm喷嘴;燃用高比例二甲醚混合燃料时,宜选用6×0.40mm喷嘴。建立了预测混合燃料发动机性能的神经网络,该网络采用Levenberg-Marquardt算法,收敛快速,预测精度高,并试验验证了其泛化能力。 研究了废气再循环EGR对二甲醚-生物柴油混合燃料增压发动机性能的影响。研究表明,引入冷EGR后,发动机进气压力增加;各燃料的NOx排放均大幅下降;CO排放和HC排放均升高。二甲醚比例不大于50%的混合燃料的碳烟排放随EGR的引入明显升高,二甲醚比例不小于70%的混合燃料的碳烟排放很低,变化不明显。负荷增大,EGR对排放的影响更明显。