汽油掺正丁醇对直喷发动机微粒排放影响的试验研究

发布时间：2020-04-28 23:05

【摘要】：在能源危机和环境污染的大背景下,寻找可再生的清洁能源十分重要,正丁醇作为一种可通过发酵方法制得的生物质燃料,由于分子中氧成分对燃烧有促进作用,可作为汽油的替代燃料应用于汽车上。本文利用汽油和正丁醇采用不同的混合方式研究对微粒排放的影响。试验可分成两部分:燃料的单一喷射(混合燃料直喷GNDI)和燃料的双喷射(汽油气道喷射、正丁醇直喷G-Nx DI和正丁醇气道喷射、汽油直喷N-Gx DI),燃料单一喷射采用体积比进行燃料混合,双喷射采用能量比进行燃料混合,涉及到的试验变量有掺醇比NBr、λ、点火提前角、喷射时刻、喷射压力、转速和负荷,微粒排放的衡量指标有微粒质量浓度PM,微粒数量浓度PN及其粒径分布,现对工作进行总结如下:第一部分内容研究混合燃料的单一喷射,首先,对体积比的混合方式进行了理论放热量分析,发现随掺醇比的增加,每循环理论放热量不断降低,NDI喷射方式较GDI最多理论放热量降低0.83%;然而λ=1的试验结果表明,缸压和IMEP均随掺醇比的增加先增加后降低,20%的掺醇比具有最大的IMEP值,较GDI可提高0.28%,以下为试验所获得的关于微粒的试验结论:(1)在同样的掺醇比下,随λ的增加,微粒从积聚态向核模态转变,PN总表现为先减少后增加的变化趋势,存在最佳的λ使得PN最少,并随掺醇比的增加最佳λ降低,在1.0-1.1之间;当λ为0.9或1时,PN随掺醇比的增加先减少后增加,存在最佳掺醇比使得PN最低,但当λ高于1时,PN随λ增加不断增加;随着点火提前角的增加,微粒从核模态向积聚态转变,GDI的PN不断增加,N_(20)DI的PN先减少后增加,其他NxDI的微粒由于核模态微粒降低明显使得PN不断减少;(2)在同样的掺醇比下,随着转速的增加,微粒从核模态向积聚态转变,PN在不同的掺醇比下均表现为先减少后增加的变化趋势,存在最佳的转速使得PN最低,但不同掺混比下最佳转速不同;随负荷增加,微粒从核模态向积聚态转变,PN随负荷增加先减少后增加,总是存在最佳负荷使得PN最低,最佳负荷随掺醇比的增加不断增加;(3)在同样的掺醇比下,随喷射时刻的提前,微粒从积聚态向核模态转变,PN在不同的掺醇比下均随喷射时刻的提前先减少后增加,存在最佳的喷射时刻使得PN最低,最佳喷射时刻在90o-105oCA BTDC之间,且随着掺醇比的增加,最佳喷射时刻推迟;随着喷射压力的升高,微粒从积聚态向核模态转变,GDI下的PN不断降低;NDI下的PN不断增加;在20%-80%掺醇比下,PN随喷射压力的升高先减少后增加,存在最佳的喷射压力使得PN最低,同时随着掺醇比的增加,最佳喷射压力不断降低;(4)在同样的掺醇比下,PM随λ的增加不断降低,随点火提前角的提前不断增加;PM随转速或负荷的增加不断增加;PM随喷射时刻的提前或喷射压力的提高不断降低;在不同的λ、点火提前角、转速、负荷、喷射时刻和喷射压力下,PM随掺醇比的增加均表现为不断降低的变化趋势;(5)PN在转速为1000r/min、MAP=30kPa、喷射压力高于7MPa或λ高于1工况条件下,当其他变量保持不变时,PN均随掺混比的增加不断增加;但在其他工况点下,即使在不同的点火提前角、λ、转速、负荷、喷射时刻和喷射压力下,PN随掺醇比的增加均表现为先减少后增加的变化趋势,存在最佳掺醇比在20%-40%之间,大掺醇比下PN增加明显,所以在汽油中添加20%-40%的正丁醇对降低PN,PM均有显著效果。第二部分研究双燃料的双喷射,两种燃料按照不同的燃料直喷比例DIr、喷射方式进行试验,首先对能量比的掺混方式进行能量误差校验,在可接受的范围内,然后对微粒的PN、PM及其粒径分布进行分析,得到结论如下:在双喷射中,随DIr的增加,缸压和IMEP不断降低,PN先减少后增加,存在最佳的DIr使得PN最低,PM不断增加;在考虑IMEP和微粒排放后,40%的DIr被认为是最佳的直喷比例;双喷射的微粒数量粒径分布是不同的,随DIr的增加,N-GxDI的粒径分布从核模态向积聚态转变,而G-Nx DI的粒径分布由于燃料特性仍呈现核模态分布,并且在同样的DIr下,N-GxDI总是有比G-NxDI更低的微粒数量排放;当DIr低于60%时,双喷射的PM处于很低的水平,与GNDI相比几乎可以忽略;当DIr大于60%后,N-GxDI和G-Nx DI的PM迅速增加,但N-GxDI增加更加明显,大约是G-NxDI的3倍。比较三种喷射方式,在同样的DIr或NBr下,GNDI拥有最低IMEP,N-GxDI略高于GNDI,G-Nx DI拥有最高的IMEP值(除了在燃料掺混比为100%时),根据IMEP、PN和PM可知,N-GxDI在DIr为40%时被认为是最佳,因为其拥有最低的微粒数量排放,与GDI相比在λ=1时,PN可降低51.07%,并且PM几乎可以忽略,然而与GPI相比,这种喷射方式也不得不牺牲1%的IMEP值,但其IMEP值依旧高于GDI。
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图 1.1 2012 年以来机动车新注册登记量半年变化情况表 1.1 主要国家和地区燃料消耗量标准对比2015 2020 2025年降幅-2020年降幅-2025

图 1.2 汽车尾气中微粒粒径分布图核模态微粒主要由初始碳粒、挥发性有机物和半挥发性有机物、金属盐类和含硫成。但核模态微粒不稳定，容易受稀释比、空气干湿度、停留时间、温度的变化积聚态微粒主要由混合气在缸内燃烧过程中形成的较大粒径的初始碳粒以及吸附
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464

【参考文献】

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1 奚务俭;黄慧;朱晓东;孙翔;;南京市PM_(2.5)污染源分析与控制对策研究[J];环境科学与管理;2013年05期

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本文编号：2643958