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增压二甲醚发动机燃烧和排放控制试验研究

吴君华  
【摘要】: 我国汽车工业的发展正面临着日益严峻的能源供应和环境保护双重压力。发展新的清洁能源,尤其是符合我国能源资源特点的汽车代用燃料已迫在眉睫。二甲醚由于其特殊物化特性,能够实现高效低污染燃烧,并改善我国的能源结构,近年来日益受到人们的重视。本文在国家科技部“十五”科技攻关专项“清洁汽车行动计划”的资助下,深入研究了增压二甲醚发动机的燃烧特性和排放特点,并重点研究了二甲醚发动机的排放控制策略。 本文对D6114ZLQB柴油机进行改造,根据二甲醚的物性特点,专门设计了适合二甲醚的燃料供给和喷射系统。系统研究了燃油系统参数和运转参数对二甲醚发动机性能和排放的影响。试验发现二甲醚燃料温度对发动机动力性能影响显著,温度升高,功率下降明显,应用中必须控制二甲醚燃料的温度。 比较了二甲醚发动机和柴油机的燃烧、性能和排放特性。和柴油相比,二甲醚的最高爆发压力、最大压力升高率、燃烧噪声均比柴油低。二甲醚扩散燃烧速度比柴油快,燃烧持续期比柴油短。和柴油机相比,二甲醚发动机低速扭矩显著提高, NOX排放显著下降,HC排放下降,CO排放略有升高。在各运转工况下,二甲醚发动机碳烟排放为零。二甲醚发动机排放全面达到欧Ⅲ排放标准,并有较大余量。 研究了二甲醚中甲醇含量对发动机性能和排放的影响,并测试了非常规排放HCHO。研究表明:随着甲醇比例的增加,发动机油耗率、排温升高,NOX排放降低,HC和CO排放增加,HCHO排放基本呈依次上升的规律,但总体来说,HCHO排放处于很低水平,浓度排放低于15×10-6。试验发现,当甲醇含量高于1.5%时,油耗率增加明显,HC和CO排放显著增大。从性能、排放方面考虑车用二甲醚燃料成分,建议甲醇含量不高于1.5%。为今后车用二甲醚标准的制定奠定了基础。 为了进一步降低二甲醚发动机的NOX排放,本文研发了适合增压二甲醚发动机的“低压回路”废气再循环系统,研究了EGR率对燃烧和排放性能的影响。研究表明:在所有运转工况下,随着EGR率增大,缸内燃烧压力峰值降低,压力峰值出现的位置延后,着火点延后,预混合燃烧峰值增大,扩散燃烧峰值降低,燃烧持续期增大。随着EGR率增大,发动机排温升高。EGR对油耗率影响比较复杂,低负荷下,适当的EGR量会降低发动机的油耗率。在中高负荷下,EGR的加入会使油耗率增大,经济性恶化。随着EGR率的增加,发动机的NOX排放大幅度下降,高负荷下降幅度更大。HC排放随EGR率增加而上升。EGR率在一定范围内时,EGR率对CO排放影响不大,但当EGR率超过一定范围时,EGR率的增大会引起CO排放急剧升高。EGR率对碳烟排放影响不大,二甲醚发动机碳烟排放保持为零。 针对采用EGR后二甲醚发动机HC和CO排放升高的问题,本文采用氧化后处理技术,成功的解决了EGR引起HC和CO排放升高的问题。研究表明,经过氧化后处理器,发动机HC和CO排放显著下降,CO排放下降幅度达到90%。在此基础上,本文提出了二甲醚发动机实现超低排放的控制策略,即采用废气再循环技术降低NOX排放,氧化后处理技术降低HC和CO排放。 研究了掺混LPG对二甲醚发动机燃烧和排放的影响。研究表明:随着LPG含量的增加,滞燃期延长,着火点延后,燃烧持续期缩短。油耗率随LPG含量增大有一个低谷,LPG含量过高或过低都会导致油耗率升高。试验表明,在二甲醚中掺混30%LPG时油耗率最低。LPG对NOX排放影响较复杂,低负荷时,LPG含量增大,NOX排放上升。中高负荷时,随LPG含量增大,NOX排放先增大后减小。LPG含量增大使HC排放略有升高,而导致CO排放迅速增加。 提出了二甲醚发动机预混合燃烧的实现策略。利用二甲醚蒸汽压高、易于汽化的特点,采取增大柱塞直径以及添加高热值LPG燃料等措施缩短喷射持续期,通过大的废气再循环和推迟喷油技术以及添加低十六烷值的LPG延长滞燃期,使尽可能多的燃料在滞燃期内喷入气缸,着火前形成准均质混合气,扩大预混合燃烧的范围,实现发动机的高效和低排放。试验表明,采用预混合燃烧,二甲醚发动机的油耗率略有改善,NOX排放大幅度下降,800r/min时各负荷下NOX排放下降幅度接近90%。


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