DME对部分负荷下燃用高稀释混合气汽油机燃烧和排放特性影响的研究

发布时间：2020-05-24 19:51

【摘要】：燃用高稀释混合气具有提高汽油机在部分负荷下燃油经济性的潜力。但在用高稀燃释混合气时,汽油机会出现燃烧稳定性变差和放热速率减慢问题。为了改善高稀释混合气条件下的这些不利因素,提出用缸内直喷二甲醚(DME)结合进气道喷射汽油的混合气形成方案,并在一台单缸汽油机上,在1500 r/min下,研究了燃用高稀释混合气汽油机在部分负荷时的燃烧和排放特性。在发动机有效压缩比为14、固定循环燃油热值等于13.5 mg汽油热值下,在缸内残余气体质量分数约为29%,外部废气再循环(EGR)率为30%以及无火花点火条件下,DME直喷时刻在100°CA BTDC~35°CA BTDC的宽广范围内,发动机能稳定的压缩着火和燃烧,且循环变动低于3%。在DME喷射时刻为60°CA BTDC,无火花点火条件下,在EGR率为30%~45%的范围内发动机仍然能稳定地自燃着火和燃烧。燃烧过程呈现出DME主导的初期自燃着火过程、汽油燃烧为主的火焰传播过程以及后期自燃过程的多阶段放热特征。增加DME直喷比例,着火提前,初期自燃阶段累计放热量增加。随着EGR率的增加,未燃混合气自燃时刻推迟,自燃混合气比例降低,循环变动增加。增加DME喷射比例可以改善高废气稀释下混合气的燃烧稳定性。在发动机有效压缩比为11、固定循环燃油热值等于11.1 mg汽油热值和火花点火开启及空气稀释燃烧下,直喷DME可以降低汽油机稀燃下循环变动,加速初期火焰发展速度,缩短燃烧持续期,提高汽油稀燃稳定燃烧的过量空气系数上限。稀燃和直喷DME相结合可以改善发动机在稀燃下的燃油经济性。与理论空燃比混合气相比,稀燃能使发动机指示燃油消耗率最高降低11.7%。改变点火时刻和直喷DME比例能实现不同过量空气系数下的最佳燃烧相位。随着过量空气系数的增加,最佳放热中心相位提前。在发动机有效压缩比为14、固定循环燃油热值等于11.1 mg汽油热值下,利用缸内直喷DME可以取代火花点火在过量空气系数为2.1时实现稳定的燃烧过程。随着DME喷射比例增加,低温反应开始温度降低,相位提前,累计放热量增加。增加DME喷射比例使燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,循环变动减小。同时,CO、HC排放降低,NO_x排放增加。在DME总喷射比例固定的两次喷射条件下,降低第二次喷射比例,可以减小发动机的NO_x排放。
【图文】：

燃烧系统,研究院

(a) D-EGR 系统布置图 (a) 有效燃油消耗率改善 MAP 图图 1-3 西南研究院 D-EGR 燃烧系统Figure 1- 3 D-EGR combustion system of Southwest Research Institute空气稀释空气稀释早在上世纪 90 年代第一代缸内直喷汽油机的研发过程中就进行了广泛的研究。早在 1996 年，三菱公司和丰田公司就推出了使用空气稀释燃烧技术的商品化缸内直喷汽油机。但由于当时的研究是采用缸内直喷分层稀燃模式，受限于 NOx排放控制问题，限制了其推广应用[21]。三效催化转化器的普遍使用，使得理论空燃比混合气燃烧长期成为相关高校、研究机构，尤其是工业界的研究重点。但随着平均油耗法规，碳排放限值相关政策的日益严格，空气稀释改善汽油机燃油经济性的潜力使得汽油机空气稀释燃烧再度成为研究热点。纯汽油燃料空气稀释的研究中，通过增大节气门开度实现稀燃过程，可以实现的过量空气系数范围有限，且燃油经济性改善效果较弱[22]。因此，汽油机空气稀释燃烧研究常和其它改善燃烧稳定性、加速燃烧过程的技术手段相结合。

马勒,预燃室,燃烧系统,公司

第一章绪论可行技术路线。马勒公司[24]利用自行开发的基于预燃室的燃烧系统，如图 1-4 所示，展开了汽油机空气稀释燃烧相关研究，实现了过量空气系数大于1.6的超稀薄燃烧过程，在宽广的负荷范围内实现了大于 40%的有效热效率，并将发动机大负荷下 NOx排放控制在 100 ppm 的水平。日本 Mazada 公司[25]在空气稀释高效汽油机技术的研究中，采用了均质压燃路线，通过提高发动机压缩比，，实现汽油压燃，实现过量空气系数大于 2 的超稀薄燃烧，同时实现 NOx零排放。为了解决汽油机压燃点火实际应用中的负荷范围受限和燃烧控制问题，马自达开发了SPCCI火花点火控制压燃点火的燃烧方式，成功扩展了压燃点火的负荷范围，同时解决了火花点火和压燃点火之间的切换问题。马自达公司宣布将于 2019 年在全球范围内首次将汽油机压燃技术进行产品化实际应用[26]。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK411

【参考文献】