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燃用天然气合成油发动机燃烧特性与可靠性研究

武涛  
【摘要】: 面对石油资源短缺和环境污染的两大挑战,发动机燃用清洁的代用燃料是解决此挑战的有效途径。作为一种新型的代用燃料,天然气合成油(GTL)具有高十六烷值、无硫及低芳烃含量等独特性质,具有降低排放的潜力。然而,要将GTL用于现有的发动机上,并使GTL发动机性能和排放优于柴油机,以及与橡胶相容性和燃料润滑性等方面需要进行大量深入的研究。本文针对GTL燃料特点,系统开展了GTL发动机燃烧排放以及可靠性的研究工作。 掺混了多种GTL体积分数的GTL-柴油混合燃料,研究了混合燃料理化参数特性,并给出了这些参数与GTL体积分数的函数关系。混合燃料绝大多数理化参数与GTL的比例呈线性关系。 采用高速摄影的方法研究了GTL喷雾特性,并与常规柴油进行了比较。GTL与柴油喷雾锥角相差不大,GTL喷雾锥角随喷射压力增大而增大;在相同的喷雾时间历程,GTL的贯穿距离小于柴油;GTL离开喷嘴时刻较柴油略有延迟。在油泵实验台上,测试了多个工况下GTL燃料的喷油速率和油管压力等参数,计算了音速,并与柴油进行了对比,首次对GTL的喷射过程进行了研究。结果显示,当转速不变,随负荷增大,喷油速率、泵端和嘴端压力都逐渐增大,峰值出现的相位后移;循环喷油量明显增加,喷油持续期延长。当负荷不变,随转速升高,喷油速率逐渐增大,最大喷油速率出现的相位滞后,循环喷油量增大,喷油持续期延长;泵端和嘴端压力上升点位置前移,压力峰值逐渐增大,但出现的相位几乎相同。GTL与柴油对比研究发现,GTL的喷油速率、泵端和嘴端压力峰值均较小;GTL的循环喷油量较少;GTL的喷油始点均比柴油略有延迟,喷油持续期较短;GTL的音速小于柴油。 在燃烧器中燃烧GTL和柴油,用高像素数码相机进行拍摄,比较了GTL与柴油的火焰烟度和高度,并采用三基色法研究了GTL与柴油火焰温度特点。GTL的火焰烟度小于柴油,火焰高度比柴油短5.3%,平均温度与柴油相当。 分别在非增压CA498柴油机和增压D6114柴油机上燃用GTL以及GTL-柴油混合燃料,在不同工况和供油提前角下,测试了油耗、缸压和排放等数据,试验研究了转速、负荷、供油提前角、ECE R49 13工况和美国13工况对发动机的动力性、经济性、燃烧和排放影响。结果显示GTL的油耗、热效率和排放都优于柴油,燃烧噪声较小,特别是能同时降低CO、HC、NOx、碳烟和CO2排放。 结合醇类燃料高含氧、易挥发和GTL低排放的优点,在一台压燃式发动机进气道上加装了喷嘴预喷甲醇、乙醇和异丙醇,同时缸内直喷GTL,研究了GTL发动机复合燃烧模式下的燃烧和排放特性。相对于纯GTL发动机,GTL复合燃烧虽然导致CO和HC排放大幅度升高,但是,预喷醇燃料后能同时降低NOx和碳烟排放,特别是预混合率较大的情况降低幅度更大。 测试了发动机上常用的丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶和氯化聚乙烯四种橡胶材料试样在GTL燃料中浸泡504小时前后的质量、体积、硬度、拉伸强度、扯断伸长率和撕裂强度等参数。比较了这些参数的变化率,研究了这些橡胶材料与GTL的相容性。三元乙丙橡胶完全不适合在GTL发动机上使用,而丁腈橡胶、氟橡胶和氯化聚乙烯橡胶可以选用,其中氟橡胶的性能最优。 采用四球机和专门搭建的油泵试验台,测试了金属小球和柱塞偶件的反映磨损情况的参数,研究了添加了润滑改进剂的GTL润滑性能。结果显示添加了润滑剂的GTL磨损值在标准限值范围内,能够满足润滑要求。本文研究表明,在增压柴油机上不需进行大的改动就可以直接燃用纯GTL以及混合燃料,功率与原机相当,油耗和排放都降低,如果延迟喷油时刻,可以大幅度降低NOx排放,而不会恶化碳烟排放。采用进气道预喷醇类燃料,直喷GTL的复合燃烧模式,可以同时降低NOx和碳烟排放,预混合率愈大,降低排放幅度愈大。氟橡胶与GTL相容性很好,可以用于GTL发动机油路系统,添加润滑剂的GTL能够克服供油系统磨损问题,完全达到润滑标准。


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