二甲醚/柴油混合燃料发动机燃烧与排放特性研究

摘要

随着能源和环境问题的日益严峻,汽车代用燃料和新型发动机的研究越来越受到重视。含氧清洁燃料二甲醚以其广泛的来源、优越的燃烧经济性和排放性能,被认为是解决中国能源安全与环境保护的重要石油替代燃料。
　　在广泛研读国内外相关文献的基础上,本文首先对二甲醚发动机的研究历史和现状、存在的问题及发展的趋势进行了综述,针对二甲醚润滑性能太差,对供油系统偶件磨损比较厉害的缺点,提出了在二甲醚中掺混低比例的柴油进行燃烧的技术方案。以ZS195直喷式柴油机为原型机,建立了二甲醚/柴油混合燃料发动机燃烧与排放特性测试台架,除对实验的一般测试设备及测试方法进行简要介绍外,重点阐述了二甲醚/柴油混合燃料发动机非常规污染物的检测方法,包括气相色谱法和傅立叶红外光谱分析法。
　　对二甲醚掺混三种不同比例的柴油以及纯柴油进行了台架实验。测量了不同柴油掺混比例的缸内压力及放热率,油耗率、噪声,排气中的常规排放物CO、CO2、HC与NOx,以及非常规排放物甲醛,甲酸与甲酸甲酯的浓度。为进一步深入的理论研究提供了大量的实验数据。
　　探讨了二甲醚以及柴油燃烧模型的发展,并对非常规排放物的生成机理进行了分析,针对多维数值模拟目前仍受限于计算机运算能力的实际情况,建立了一个适用于二甲醚和柴油混合燃烧的包含49种组分、125步基元反应的简化反应动力学模型,计算结果表明,该模型能够在较宽的运行范围内有效模拟发动机的工作过程,较好地预测甲醛、甲酸和甲酸甲酯等重要产物的变化历程。
　　利用计算流体力学软件建立了实验发动机的二维轴对称计算模型,并将其与本文提出的简化化学动力学模型相耦合,通过改变燃空当量比,对二甲醚与柴油混合燃料均质压燃的燃烧和排放过程进行了模拟计算,就缸内组分随曲轴转角变化的历程进行了预测分析,并分析了燃空当量比对非常规排放物的影响。

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1 绪论

1.1 发展代用燃料的重要意义

1.2 代用燃料研究现状

1.3 二甲醚的基本特性

1.4 国内外对燃用二甲醚的研究现状

1.5 本课题的选题意义和研究内容

2 实验方案的拟定以及实验装置的选用

2.1 实验方案的拟定

2.2发动机结构参数与实验台架

2.3 发动机实验台测试装置

2.4 非常规排放测量装置及方法

2.5 本章小结

3 二甲醚掺混柴油的燃烧与排放特性研究

3.1 二甲醚掺混柴油燃烧特性分析

3.2 二甲醚掺混柴油的常规排放物分析

3.3 二甲醚掺混柴油的非常规排放物分析

3.4 本章小结

4 二甲醚/柴油混合燃料燃烧反应机理简化研究

4.1化学动力学模型简介

4.2 二甲醚化学动力学模型的发展

4.3 柴油化学动力学模型的发展

4.4 燃烧反应过程分析

4.5 非常规排放物生成机理

4.6 简化模型及其验证

4.7 本章小结

5 发动机工作过程数值模拟研究

5.1 模拟软件介绍

5.2 发动机模型的建立

5.3 模拟结果分析

5.4 本章小结

6 全文工作总结及展望

6.1 本文的主要研究内容和研究成果

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 简化化学反应动力学模型