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甲烷-汽油双燃料SI发动机燃烧与排放特性试验研究

发布时间:2020-10-28 13:57
   小型强化是现代汽油机热效率提升的重要发展方向,但汽油机采用高增压带来大负荷爆震问题。甲烷辛烷值较高,具有较好的抗爆性能,有利于解决限制发动机爆震问题;同时,甲烷分子氢碳比较高,燃烧后几乎没有颗粒物排放。因此,甲烷-汽油双燃料发动机被认为具有良好的燃烧和排放特性。而目前关于发动机关键参数对甲烷-汽油双燃料燃烧和排放特性的影响并不十分清楚。因此,本文基于单缸和四缸SI发动机开展不同工况下甲烷-汽油双燃料发动机的燃烧及排放特性基础试验和应用试验研究。首先,为了探究发动机关键参数对甲烷-汽油双燃料发动机燃烧和排放的影响规律,基于一台单缸SI发动机,在节气门全开、不同甲烷-汽油双燃料掺比条件下,开展了不同进气温度、进气压力、压缩比等参数对发动机燃烧和排放的影响规律。结果表明:在低压缩比、稀燃、燃油分层条件下,低甲烷质量分数下的甲烷-汽油双燃料相比于汽油滞燃期缩短、缸压相位提前。高压缩比条件下,添加甲烷可抑制爆震,同时扭矩和有效热效率增加;增加进气压力可使甲烷-汽油SI发动机获得更大的扭矩;提高进气温度对爆震倾向影响较小,但最大扭矩降低。甲烷-汽油双燃料发动机的常规气体排放均随着甲烷质量分数的增加而降低。另外,为了明确甲烷-汽油双燃料的实际应用价值,基于一台增压直喷四缸汽油机研究了不同负荷和过量空气系数(λ)条件下甲烷-汽油双燃料对发动机燃烧和排放的影响。结果表明:中、小负荷工况固定扭矩条件下,随着甲烷含量的增加,缸内最大爆发压力和放热率峰值增加、着火延迟期缩短、燃烧相位提前;其中在小负荷、稀燃条件下,循环波动大幅下降,燃烧持续期缩短,但在中等负荷时,燃烧持续期随λ的增加而减少,随甲烷流量的增加而增加,有效热效率在甲烷含量和λ较高时表现出上升的趋势。大负荷工况,相比汽油燃料,甲烷-汽油双燃料能有效抑制爆震并且拓宽爆震极限,并可提高约2%有效热效率。以中等负荷、固定输出扭矩下为例,随着甲烷含量的增加,在化学当量比下CO、CO_2、THC、NOx等排放均降低;稀燃条件下除NOx外排放均降低。综上,燃用甲烷-汽油双燃料可降低小负荷工况循环波动,实现稳定燃烧;大负荷工况可有效抑制汽油机爆震,同时提升发动机有效热效率。同时,甲烷-汽油双燃料燃烧相比于汽油可以有效降低常规排放物。
【学位单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:U467
【部分图文】:

机动车保有量,对外依存度,中国石油


[1]。然而随着社会的发展,机动车的保有量以较高的速度逐年上升,2017年甚至超过3亿量,如图1-1所示。石油资源作为不可再生的化石燃料已然捉襟见肘,如图1-2所示,中国石油的消耗量和进口量连年上升,石油对外依存度持续增加,严重威胁到了国家的能源安全,因此节能减排是迫在眉睫的问题。图 1-1 近五年我国机动车保有量Figure 1-1 Motor vehicle ownership in the last five years图 1-2 中国石油消费量和对外依存度Figure 1-2 China's oil consumption and dependence on foreign countries

对外依存度,中国石油,消费量


然而随着社会的发展,机动车的保有量以较高的速度逐年上升,2017年甚至超过3亿量,如图1-1所示。石油资源作为不可再生的化石燃料已然捉襟见肘,如图1-2所示,中国石油的消耗量和进口量连年上升,石油对外依存度持续增加,严重威胁到了国家的能源安全,因此节能减排是迫在眉睫的问题。图 1-1 近五年我国机动车保有量Figure 1-1 Motor vehicle ownership in the last five years图 1-2 中国石油消费量和对外依存度Figure 1-2 China's oil consumption and dependence on foreign countries

爆震,汽油机,零部件


小型化、轻量化的方向发展,但是仍要保证较高的功率、扭矩等输出,这就需要采用增压技术,特别是在低速时也尽可能保持最大的输出扭矩。但是汽油机采用增压技术在大负荷条件下会带来爆震的问题,甚至出现早燃现象[2-4],尤其是在低速条件下。通常认为爆震是由末端混合气在火焰传播到来之前自燃引起的,爆震燃烧分为两个阶段:由火花塞点火导致的火焰传播过程和末端混合气自燃导致的压力振荡,造成很大的压力梯度和温度梯度。轻微的爆震会有助于提高发动机的动力性能,主要是因为轻微爆震增加了火焰传播速度,使得发动机缸内的燃烧等容度更好。但是强烈的爆震会使汽油机输出扭矩下降,燃烧不稳定,燃烧恶化,而且爆震产生的冲击波会破坏发动机表面的润滑油膜,使得高温气体热量直接传向冷却液,使冷却液温度增加。爆震在严重时,甚至会造成活塞熔化、气缸垫损坏、火花塞的损坏、拉缸等现象。爆震引起的典型的发动机的损坏如图 1-3 所示。随着排放法规的逐年加严,对汽油机 PN 的限制已纳入法规之内,解决汽油机 PN的问题,可以采用 EGR、采用合适的喷油策略或者采用高 H/C 比的燃料等等措施。
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 王志;龙岩;王建昕;;增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展[J];汽车安全与节能学报;2015年01期

2 徐雅齐;王志;王建昕;李东升;;增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法[J];内燃机学报;2014年01期

3 王志;徐雅齐;王建昕;肖建华;;增压直喷汽油机扫气抑制爆震试验研究及模拟解析[J];内燃机工程;2013年04期



本文编号:2860180

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