含氧混合燃料的燃燒與排放特性

1、含氧混合燃料的燃燒 和排放特性匯報(bào)人：吳楊春 學(xué) 號：M060114133柴油機(jī)燃用柴油碳酸二甲酯(DMC)混合燃料的燃燒與排放特性柴油機(jī)使用柴油工作時(shí)，由于柴油是分子量較大的碳?xì)浠衔?，因此，柴油機(jī)燃燒特點(diǎn)是中高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)由于混合氣局部缺氧，往往產(chǎn)生較大的碳煙排放。近年來一種較為有效地手段是在柴油中混合一定比例的高含氧添加劑，使混合燃料中具備一定的氧含量，從而在燃燒過程提供氧和降低混合氣局部缺氧問題，進(jìn)而達(dá)到降低柴油機(jī)碳煙排放的目的。碳酸二甲酯含氧量高達(dá)533，一定比例下和柴油互溶時(shí)無需助溶劑，由于含氧比例大，柴油中加入少量碳酸二甲酯即可提供一定的氧比例，因此，作為柴油含氧添加劑具有很好的效

2、果。1、燃料特性為驗(yàn)證柴油添加碳酸二甲酯降低碳煙的效果，在一臺(tái)單缸柴油機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表111和表112分別給出了發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和燃料特性。與柴油相比，碳酸二甲酯具有較高的含氧量，較低的熱值和十六烷值。實(shí)驗(yàn)中配置10和20體積比例碳酸二甲酯的含氧混合燃料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄了缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。為便于分析，對燃燒參數(shù)進(jìn)行了如下定義：著火滯燃期：從針閥開啟(噴油始點(diǎn))到壓力急速升高的始點(diǎn) (燃燒始點(diǎn))主燃燒期：從壓力急速升高的始點(diǎn)到壓力急速升高的終點(diǎn)總?cè)紵冢簭膲毫彼偕叩氖键c(diǎn)到放熱結(jié)束。圖111給出了混合燃料質(zhì)量含氧量、十六烷值、低熱值和氣化潛熱隨DMC摻混比例的關(guān)系。由于DMC的十六烷值比柴油低，因此

3、混合燃料的十六烷值隨DMC摻混量的增加而略有下降，這將導(dǎo)致混合燃料著火滯燃期隨DMC的增加而增加；此外，隨著DMC的增加，混合燃料的熱值降低，需要噴入更多的混合燃料以保證得到相同的做功輸出，而汽化潛熱的增加使燃油蒸發(fā)帶來的缸內(nèi)溫降增加。2、柴油及柴油DMC混合燃料的放熱率曲線由于DMC的添加使得混合燃料的滯燃期增加，因而，隨著柴油中的DMC摻混比例的增加，混合燃料的燃燒始點(diǎn)隨著DMC摻混比例的增加而被延遲，但混合燃料的燃燒結(jié)束時(shí)刻相差不大，這表明柴油中DMC的添加促進(jìn)了混合燃料的燃燒過程，使得混合燃料的燃燒持續(xù)期隨著DMC的添加而縮短。3、混合燃料燃燒期在相同的負(fù)荷下，混合燃料著火滯燃期隨DM

4、C添加比例的增加而增加，相同DMC摻混比例時(shí)，滯燃期隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的升高而縮短。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是，混合燃料十六烷值隨DMC摻混比例的增加而下降，同時(shí)，混合燃料汽化潛熱值隨DMC的增加而增加，導(dǎo)致噴油時(shí)刻缸內(nèi)氣體平均溫度下降。DMC摻混比例相同時(shí)，缸內(nèi)熱力狀態(tài)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而提高。實(shí)驗(yàn)表明，混合燃料的主燃燒期隨DMC的添加變化很小，這表明，對于不同DMC摻混比例的混合燃料，燃燒一旦開始，主燃燒階段的燃燒將以相同的速率進(jìn)行?；旌先剂系目?cè)紵掷m(xù)期隨DMC的添加變化很??；對于同一種混合燃料，總?cè)紵掷m(xù)期隨負(fù)荷的增加而呈現(xiàn)出線性增加趨勢3、混合燃料的缸內(nèi)最大壓力值及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨 DMC 摻

5、混比例的關(guān)系在中、高負(fù)荷時(shí)，混合燃料燃燒最大壓力值隨DMC的增加而略有增加；在低負(fù)荷時(shí)，混合燃料燃燒最大壓力值隨DMC的增添加而略有下降。中、高負(fù)荷時(shí)，最大壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC的添加基本上不發(fā)生變化，但混合燃料預(yù)混燃燒量卻隨DMC的增加而增加，燃燒過程等容性提高，最大壓力值增加。 ；低負(fù)荷時(shí)，DMC的添加使混合燃料燃燒放熱過程被推遲，最大壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的增加而略微增加，燃燒過程等容性下降。4、混合燃料的最大放熱率值及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的關(guān)系最大放熱率和及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的變化趨勢與最大壓力升高率及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的變化趨勢

6、基本相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在中高負(fù)荷時(shí)，DMC的添加可以提高最大放熱率值，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣碳煙濃度相對較高，添加含氧燃料對降低碳煙和促進(jìn)燃燒有較好效果。5、最高平均氣體溫度Tmax及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的關(guān)系在相同的負(fù)荷下，Tmax隨混合燃料中DMC摻混比例的增加而略有降低，由于DMC的添加使混合燃料的汽化潛熱增加，混合燃料低熱值降低，導(dǎo)致噴入缸內(nèi)的燃料量增加，這使得混合燃料燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量(或熱容)增加，從而降低最高平均氣體溫度。當(dāng)混合燃料中DMC摻混比例小于5時(shí)， Tmax對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的增加而增加；當(dāng)混合燃料中DMC摻混比例大于5時(shí)，對于不同DMC摻混比例的混合燃料

7、， Tmax對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角基本相同。6、混合燃料的有效燃油消耗率(BSFC)與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(BMEP)的關(guān)系在相同負(fù)荷下，有效燃油消耗率隨混合燃料中DMC摻混比例的增加而增加。DMC的添加使混合燃料的低熱值下降，為了獲得相同的功率輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)需要供給更多的燃料量。7、當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率(diesel equivalent BSFC)與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(BMEP)的關(guān)系當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率由公式:對于不同DMC摻混比例的混合燃料，當(dāng)量柴油熱值燃油消耗率沒有發(fā)生明顯的變化。由于混合燃料自帶氧，使得擴(kuò)散燃燒過程得到改善，擴(kuò)散燃燒的改善使燃燒過程整體燃燒速率提高，帶來功率輸出的增加；同時(shí)，著火滯

8、燃期隨DMC摻混比例的增加而增加，導(dǎo)致預(yù)混燃燒量增加，而預(yù)混燃燒量的增加，將產(chǎn)生高燃燒壓力和較大的功率輸出。綜合作用使混合燃料當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率隨DMC摻混比例的增加而呈現(xiàn)略微下降的趨勢。8、混合燃料的有效熱效率隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的關(guān)系有效熱效率與當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率的關(guān)系：兩參數(shù)之間呈反比例關(guān)系，當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率能夠更好的反映出混合燃料的有效熱效率。9、柴油摻混不同比例DMC時(shí)排氣CO濃度隨負(fù)荷的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果表明，CO隨DMC摻混比例的增加而降低，這一趨勢在高負(fù)荷時(shí)更為明顯。DMC的添加使得混合燃料具有自帶氧能力，這不僅會(huì)抑制不完全燃燒過程中CO的產(chǎn)生，特別是擴(kuò)散燃燒階段C

9、O的生成，并且會(huì)促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹過程和排氣過程CO的后氧化。10、混合燃料碳煙排放發(fā)動(dòng)機(jī)排氣碳煙隨DMC的增加而明顯降低，這與CO隨DMC摻混比例增加的變化趨勢一致。碳煙主要生成在擴(kuò)散燃燒階段，DMC的添加使得混合燃料含氧，從而促進(jìn)了擴(kuò)散燃燒。同時(shí)，含氧燃料的添加促進(jìn)了碳煙在隨后的膨脹階段和排氣過程中的后氧化。低轉(zhuǎn)速時(shí)，碳煙在膨脹階段和排氣過程中的氧化時(shí)間較長，碳煙隨混合燃料DMC含量(或氧含量)增加而降低的趨勢更加明顯。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，混合燃料含氧量每增加10，碳煙降低2030；而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，碳煙降低253511、混合燃料氮氧化物排放在相同負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx濃度的最大值出現(xiàn)在DMC摻混比為10% (體積) (即含氧量為7(質(zhì)量)時(shí)，此后，隨著DMC摻混比例的進(jìn)一步增加，NOx濃度呈而下降趨勢。NOx受預(yù)混燃燒量、過量空氣系數(shù)，氣體溫度的綜合影響。高負(fù)荷時(shí)，較高的溫度有利于NOx的形成，DMC的添加提供了一部分氧，這同樣有利于NOx的形成。12、混合燃料碳煙排放和氮氧化物排放的關(guān)系上圖給出了相同的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下氮氧化物排放