压燃式发动机燃用二甲醚的复合燃烧研究

论文摘要

内燃机面临能源短缺和环境污染双重压力。本文在一台改造的2-135柴油机上,以煤基清洁燃料二甲醚为主,研究一种新型的燃烧方式——压燃式发动机复合燃烧,即由气道-气缸同时喷射燃料,形成均质混合气和喷雾的复合燃烧,以利用两种燃烧的优点。（1）试验研究了二甲醚缸内直喷和LPG进气道喷射复合燃烧特性和排放特性。结果表明,缸内燃烧过程呈现预混燃烧和扩散燃烧两阶段特点。随供油提前角和DME热量比例的增大,缸内直喷燃料燃烧始点均提前。平均有效压力为0.22MPa,供油提前角为20°CA BTDC时,改变DME热量比例,平均指示压力变动系数COVimep几乎保持不变。供油提前角为24°CA BTDC时,COVimep则随着DME热量比例的增大逐渐减少。当平均有效压力为0.11MPa,在小DME热量比例时,HC排放量随供油提前角增加而减少的尤为明显。（2）试验研究了LPG缸内直喷和二甲醚进气道喷射复合燃烧特性和排放特性。结果表明,燃烧过程包括24个燃烧阶段。当DME热量比例小于27%,放热率曲线有两个峰值,它们分别对应进气道喷射DME的HCCI燃烧冷焰反应、DME热焰和LPG燃烧的合并燃烧。当DME热量比例大于27%时,放热率曲线有四个峰值,由于DME浓度的增加,冷焰反应之后在压缩冲程过程中DME发生热焰反应,以及缸内直喷LPG在DME燃烧的热氛中进行预混燃烧和扩散燃烧。平均有效压力（BMEP）为0.22MPa时,当DME热量比例低于45%,COVimep随DME热量比例的升高而急剧减小。供油提前角则对发动机循环变动影响较小。BMEP为0.11MPa时,供油提前角取24°CA BTDC,NOx的排放随DME热量比例的增加呈现急剧增加的趋势。而供油提前角为14°CA BTDC时,NOx的排放量不超过5ppm,且受DME热量比例的影响小。无论发动机负荷和供油提前角大小,HC排放量都随DME热量比例的升高,先急剧减少而后保持在一个相对稳定的数值。若二甲醚热量比例大于一定数值,其HC排放量均比采用火焰引燃方式时的低。供油提前角为24°CA BTDC时,发动机负荷大,CO排放量则较低。随DME热量比例升高,CO排放量呈线性减小。但CO排放量均比采用火焰引燃方式时高。（3）试验研究了均质DME引燃直喷乙醇的复合燃烧特性和排放特性。结果表明,随预混合率rp的增加,放热率呈现不同的阶段特性,燃烧过程包括24个燃烧阶段。随着rp的增加,DME的热焰反应、乙醇的预混合燃烧相位不断提前,而DME冷焰反应的相位几乎不变。NOx随rp的变化趋势与负荷有关。在BMEP≤0.33MPa时,减小rp可以降低NOx,而BMEP=0.41MPa时,情况正好相反。（4）进行了二甲醚气道-气缸喷射复合燃烧爆震研究。用傅立叶变换和小波变换研究复合燃烧爆震特征。对正常燃烧工况、爆震工况缸内压力的功率谱密度特性进行分析,结果表明复合燃烧主要爆震频率带为5.510kHz。负荷和预混合燃料性质对复合燃烧爆震频率带影响不大。对正常燃烧工况、爆震工况缸内压力进行离散小波分析,结果表明,该方法分析得出的爆震频率带与功率谱分析出的相近。正常燃烧工况、爆震工况缸内压力的小波相对能量分布具有明显的规律。正常燃烧工况,细节部分D2小波相对能量最大。轻微爆震工况,细节部分D4的小波相对能量最大。剧烈爆震工况,D3的小波相对能量最大。爆震强度越大,D3所在的频带的小波相对能量值越大。负荷和预混合燃料特性对爆震工况缸内压力的小波相对能量值有影响,但与其分布规律无关。爆震工况的小波能量分布规律只与爆震强度有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 降低柴油机排放措施
• 1.2.1 内燃机代用燃料的特性和研究现状
• 1.2.1.1 氢气
• 1.2.1.2 醇类燃料
• 1.2.1.3 天然气（NG）
• 1.2.1.4 液化石油气（LPG）
• 1.2.1.5 煤炭液化的燃油
• 1.2.1.6 生物柴油
• 1.2.1.7 二甲醚（DME）
• 1.2.2 国内外二甲醚发动机燃烧的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 复合燃烧过程和排放特性的研究
• 2.1 概述
• 2.2 试验装置
• 2.3 DME/LPG 复合燃烧的试验研究
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 二甲醚缸内直喷和LPG 进气道喷射复合燃烧研究
• 2.3.2.1 发动机燃烧特性分析
• 2.3.2.2 发动机排放分析
• 2.3.3 LPG 缸内直喷和二甲醚进气道喷射复合燃烧研究
• 2.3.3.1 发动机燃烧特性分析
• 2.3.3.2 发动机排放分析
• 2.4 乙醇缸内直喷和二甲醚进气道喷射复合燃烧研究
• 2.4.1 试验方法
• 2.4.2 燃烧特性结果及分析
• 2.4.3 排放特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 复合燃烧的爆震分析
• 3.1 概述
• 3.2 试验与分析方法
• 3.2.1 试验方法
• 3.2.2 分析方法
• 3.2.2.1 快速傅立叶变换（FFT）
• 3.2.2.2 离散小波变换（DWT）
• 3.3 傅立叶变换（FFT）分析复合燃烧爆震
• 3.4 离散小波变换（DWT）分析复合燃烧爆震
• 3.5 本章小结
• 第四章 全文总结和工作展望
• 4.1 全文总结
• 4.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录