高压缩比甲醇发动机稀燃特性的研究

发布时间：2018-07-17 00:05

【摘要】：立足我国“缺油、少气、相对富煤”的国情,发展以煤基甲醇燃料并推广应用于车用发动机替代传统燃料是缓解中国能源供应安全一个现实可行的选择,是我国新能源汽车的主要发展方向之一。在二十世纪90年代,美国西南研究院提出的一种高压缩比火花点燃式甲醇发动机方案,为开发高效甲醇发动机提出了新思路,本文利用甲醇燃料的辛烷值高,抗爆性强,火焰传播速度快,稀燃极限宽的优点,在一台柴油机改装的高压缩比(ε=17.5)甲醇发动机上,提出了一种稀燃结合高压缩比的技术策略,探索高压缩比点燃式甲醇发动机的爆震燃烧机理,提升甲醇发动机经济性进而提高热效率,改善甲醇发动机排放性能,为实现甲醇发动机高效清洁燃烧提供了一定的技术参考。本文首先以试验样机的气道和燃烧室为原型,应用CFD建立计算模型,模拟了点燃式高压缩比甲醇发动机的爆震情况,并从微观方面探索爆震机理并解释爆震形成的原因和部位,同时还研究了点火正时及EGR等运转因素对爆震的影响规律,为样机试验提供了一定的理论指导。为了验证模拟计算的准确性,在样机上开展了点火正时,EGR稀释及EGR温度,空气稀释对高压缩比甲醇发动机爆震燃烧的研究,结果表明:试验结果与模拟计算结果一致,在低速大负荷运行工况下,高压缩比甲醇发动机更容易发生爆震燃烧;采用较小的点火正时能有效抑制爆震燃烧,实现全工况范围稳定运行;利用EGR稀释燃烧和空气稀薄燃烧对高压缩比甲醇发动机的爆震均有一定的抑制作用。其次在试验样机上研究了空气、冷EGR及热EGR三种不同稀释工质,在均质稀燃条件下对高压缩比甲醇发动机经济性和排放的影响规律。结果表明:三种稀释工质均能在一定程度上改善高压缩比甲醇发动机经济性和排放性能。对比而言,空气稀释具有最好的经济性,热EGR次之;当稀释因子达到一定程度后,三种稀释工质均能实现NOx的超低排放。综合而言,热EGR在稀释因子为1.5~1.6的范围内能获得较好的be-NOx折中。为了降低点燃式甲醇发动机泵气损失,提高甲醇发动机热效率,同时降低高负荷时高压缩比甲醇发动机的爆震倾向,本文提出了取消节气门,利用EGR控制甲醇发动机负荷的燃烧方式。研究结果表明:利用EGR控制负荷不能实现发动机全工况范围内运行,最低运行负荷为36%左右(扭矩为55.5 N·m);且只有在62%负荷(扭矩为95 N·m)到100%负荷(扭矩为153.4 N·m)之间,利用EGR控制负荷燃烧方式才能获得较原机更好的经济性。因此,本文采用EGR与节气门协同控制负荷,研究了中、高负荷对甲醇发动机经济性的影响,结果表明:利用EGR与节气门协同控制较原机和单独利用EGR控制负荷都有较好的经济性。为了实现全工况甲醇发动机的高效燃烧,本文在中、低负荷采用EGR和过量空气系数协同控制负荷方式,研究了其对甲醇发动机经济性和排放的影响规律,结果表明:利用EGR和过量空气系数协同控制负荷试下,在25%负荷,甲醇发动机的热效率能达到34%,在20%EGR率和过量空气系数在1.4~1.6之间时,能同时获得较高的热效率和超低的NOx排放,实现甲醇发动机高效清洁燃烧。在不同负荷控制方式研究的基础上,本文提出了在高压缩比点燃式甲醇发动机上全工况范围高效清洁燃烧的负荷控制策略。即在中、低负荷工况,采用EGR协同过量空气系数控制稀燃获得相对较高的热效率;在较高负荷,采用EGR协同节气门稀释燃烧获得高的热效率和低NOx排放;在高负荷,采用EGR控制负荷稀释燃烧获得较高热效率和低NOx排放的清洁燃烧。这一控制策略为甲醇燃料在车用发动机上实现高效清洁利用提供了理论基础和试验依据,具有一定的参考价值。为了拓展EGR控制负荷的运行范围,降低大EGR率时的燃烧循环变动,提高EGR容忍度,本文提出了EGR插管和螺旋隔板两种EGR分层方式。首先应用CFD软件研究了EGR压力及EGR通入时间对EGR在缸内的分布规律,从空气运动学上解释了其分层原理及分层效果。模拟研究表明:EGR全程通入时,单纯地提高EGR压力,两种方案均不能形成良好的分层,分层梯度不到5%;合理选择EGR压力与通入时间才能达到理想的分层效果。采用插管分层时,EGR压力较高时,通入时间较长时,缸内平均EGR较高,但在燃烧室凹坑以上,形成中心EGR率较高,周围EGR率较低的分布;缩短通入时间,在凹坑以上,形成EGR率中心较低,周围较高的分布,燃烧室凹坑内EGR均未形成径向分层。采用螺旋隔板分层时,提高EGR压力,同时缩短EGR的通入时间,虽然会导致缸内平均EGR率有所降低,但分层效果更明显,浓度梯度增大;计算结果表明:当EGR压力为130kPa,在EGR通入时长为97°CA时,平均EGR率为40%,燃烧室凹坑以下最高的EGR率可达53%,燃烧室凹坑以上火花塞附近EGR浓度为23%,浓度梯度达到为30%左右。为了验证两种分层方案在实际发动机应用中的效果,对样机气道进行了改造,插管引导方式较容易实现,只需要对气道做简单改造;为了在试验样机上实现螺旋隔板分层,本文根据样机气道尺寸设计了螺旋隔板,采用3D打印技术实现了单进气道改为双进气道的气道改造。并在试验样机上研究了插管分层和螺旋隔板分层对样机EGR容忍度的提升潜力。研究表明:两种分层方式都能在一定程度上提升EGR的容忍度,提高甲醇发动机的稀燃极限;对比两种分层方式,螺旋隔板对甲醇发动机动力性、经济性、排放及燃烧稳定性的改善效果更明显,且拓宽了甲醇发动机的稀燃极限。
[Abstract]:This paper presents a new idea for the development of high compression ratio methanol engine with high compression ratio ( 蔚 = 17.5 ) . In this paper , the effects of EGR and EGR on the economy of methanol engine are studied . The results show that when the EGR pressure is 130kPa , the EGR rate is up to 53 % when the EGR pressure is about 130kPa , the EGR concentration in the combustion chamber pit is 97 掳 CA , the EGR concentration is 23 % and the concentration gradient is about 30 % .
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK462

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