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PODE掺混比对柴油机性能及DOC+CDPF+SCR后处理系统的影响研究

廖凭皓  
【摘要】:出于对能源安全、能源多样性以及可持续发展的共同要求,生物质燃料比以往更多地受到公众和学者们的关注。然而对于聚甲氧基二甲醚(polymethoxy dimethyl ether,PODE)这种新型燃料在柴油机中的应用,及其对柴油机后处理系统的影响,研究并不像甲醇、正丁醇、二甲醚或生物柴油那样广泛。DOC+CDPF+SCR是满足国VI法规的柴油机机外净化技术之一,研究PODE掺混比对DOC、CDPF、SCR等后处理系统性能的影响和作用机理,对该生物质含氧燃料的推广应用具有重要的现实意义。此外,随着未来排放法规的进一步加严,采用清洁的生物质含氧燃料耦合后处理技术是可行的内燃机净化策略之一。本文以D30型高压共轨增压中冷柴油机为研究机型,加装了DOC+CDPF后处理装置,搭建了试验台架,并且配制了不同PODE掺混比的PODE/柴油混合燃料(按PODE的体积分数由0%~30%分别记为P0、P10、P20、P30),通过发动机台架试验和一维数值仿真的技术手段,研究了PODE掺混比对柴油机动力性、燃油经济性、排放特性以及DOC+CDPF+SCR后处理系统的转化效率、温度和压降特性的影响。对柴油机使用PODE/柴油混合燃料时动力性、燃油经济性、排放特性的研究表明:PODE的掺混能够提高柴油机在低转速大负荷工况下的有效热效率,如外特性1000 r/min工况下燃用P30时有效热效率比P0高约2.1%,但是由于PODE的低热值较低,在相同转矩输出的条件下,PODE掺混比越高,有效燃油消耗率越高。此外,在柴油中掺混PODE,低转速时能够明显改善CO排放,但是在高转速时会明显恶化CO排放。在中、低转速大负荷工况,当PODE掺混比较高时,NOx和HC比排放会显著恶化,如外特性1800 r/min,燃用P10、P20、P30时NOx比排放分别比P0高约13.3%、22.2%和40.0%。对柴油机使用PODE/柴油混合燃料时DOC+CDPF转化效率以及温升、压降特性的研究表明:在外特性工况下,DOC+CDPF整体对CO的转化效率均接近100%,然而使用P30时在低转速区间,DOC对CO的转化效率较低,约为54.5%。在低转速区间,燃用P0时DOC和CDPF升温不明显,而燃用P10和P20时DOC和CDPF有较明显的升温,P30的DOC和CDPF升温则介于P20和P0之间。负荷特性试验表明,低负荷工况下,燃用P0和P10时DOC后端NO_2浓度较高,DOC和CDPF有明显升温,而燃用P20和P30时,CDPF载体中碳烟累积较少,故升温幅度较小。燃用P30时,CDPF前端排气压力平均比P0低0.3~0.5 k Pa,表明PODE的掺混有效降低了柴油机的碳烟排放。对柴油机使用PODE/柴油混合燃料时SCR转化效率的一维仿真研究表明:燃用P10时,多数工况下SCR转化效率可与P0相近,仅在2400 r/min低负荷,由于排气温度较低,P10的SCR转化效率不到燃用P0时的38%。P20和P30在低负荷及高转速中负荷排气温度较低,且NO_2/NOx比值不足7%,因此SCR转化效率不及40%。在高转速低负荷,通过增加SCR载体的孔格密度和载体总长度,P0和P10的SCR转化效率分别从60.8%和22.9%提高到了81.9%和40.9%。然而当燃用P20和P30时,受制于较低的排气温度,优化SCR载体的结构参数对SCR转化效率的改善作用有限。


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