二甲醚-生物柴油混合燃料喷射及发动机燃烧研究

摘要

随着汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严厉，发展清洁能源成为当前能源与环境领域的一个重要课题。二甲醚和生物柴油均为柴油机清洁代用燃料，两种燃料混合后可弥补各自不足。本文针对非增压、增压发动机燃用二甲醚-生物柴油混合燃料开展了系统的研究，涉及喷油、喷雾、燃烧、性能和性能预测等。
　　在喷油泵试验台上试验研究了二甲醚-生物柴油混合燃料的喷射过程。研究表明，对共轨燃料系统，与生物柴油相比，纯二甲醚的喷油始点较晚，其他燃料的喷油始点差别不明显。随着燃料中二甲醚比例的增加，喷油终点延后;喷油持续期明显延长，最大喷油速率变化不大。轨压升高，所有燃料的喷油速率曲线上升段变陡，喷油速率峰值增加;各混合燃料的喷油始点、喷油终点差别均变小，喷油速率在喷油持续期的波动变大。同一燃料，喷射脉宽增大，则喷油始点一致，最大喷油速率基本不变，喷油持续期明显增加。启喷压力由17MPa升高为20MPa，喷油始点变晚，最大喷油速率略增加。对泵-管-嘴燃料系统，随着二甲醚比例的增加，喷油始点延后，喷油速率曲线上升段变平缓，最大喷油速率降低，其相位依次延后;喷油持续期增加;高压油管内声速和长管内声速降低。共轨系统与泵-管-嘴系统比，燃料中二甲醚比例对前者喷油始点、最大喷油速率、喷油速率曲线形状的影响要远远小于后者。
　　采用高速摄影研究了二甲醚-生物柴油混合燃料的喷雾特性。研究表明，各燃料喷雾贯穿距离随时间增加的规律是先快后慢。随着燃料中二甲醚比例的增加，喷雾贯穿距离减小;喷雾锥角变大。背压升高，各燃料的喷雾贯穿距离减小，喷雾锥角变大;各燃料喷雾贯穿距离的差别变小。轨压升高，各燃料的喷雾贯穿速度、贯穿距离、喷雾锥角变大。脉宽增加，各燃料的喷雾贯穿距离增大，喷雾锥角差别不大。
　　非增压发动机燃用二甲醚-生物柴油混合燃料研究表明，随着燃料中二甲醚比例的增加，缸内压力峰值降低且相位延后;预混合燃烧减弱，其放热峰值降低;扩散燃烧放热峰值升高;混合燃料的燃烧始点延后。缸内最高温度和最大压力升高率降低，其相位延后。掺混二甲醚后，混合燃料的燃油消耗率、排气温度、NOx排放和碳烟排放降低，高负荷时碳烟排放降低更显著。中低负荷时各燃料的CO排放均很低，高负荷时燃料中掺混二甲醚，CO排放显著降低。对缸内压力进行四层小波分解，提取压力时频信息，并将之与放热率、缸内压力升高率和压力升高加速度关联。结果表明，放热率峰值、压力升高率峰值、压力升高加速度峰值都在预混合燃烧阶段;缸内压力在各层的子带信号峰值也在此阶段，各层子带信号峰值反应了预混合燃烧在各频域的冲击。各混合燃料燃烧时均为第四层子带信号峰值和小波相对能量最大，不同负荷都如此。随着燃料中二甲醚比例的增加，第四层小波相对能量增加，其他层小波相对能量减少。
　　针对二甲醚-生物柴油混合燃料的理化特性，试验研究了喷嘴参数、混合比例等对增压发动机燃烧和性能的影响，试验的混合燃料中二甲醚占质量比例分别为0％、30％、50％、70％和100％。研究发现，采用同一喷嘴时，随着燃料中二甲醚比例的增加，发动机进气压力增加，着火延迟，缸内压力峰值、放热率峰值、最高缸内温度、压力升高率峰值降低，其相位延后。二甲醚掺混比例从30％到100％时，燃油消耗率、NOx排放和碳烟排放下降，HC排放和CO排放先降低，之后变化平缓。6×0.35mm喷嘴与6×0.40mm喷嘴比较，前者的缸内压力峰值、压力升高率峰值和放热率峰值均高于后者，峰值相位提前;随着燃料中二甲醚比例的增加，差别更明显。综合考虑燃油消耗率和NOx排放，燃用低比例二甲醚混合燃料时，宜选用6×0.35mm喷嘴;燃用高比例二甲醚混合燃料时，宜选用6×0.40mm喷嘴。建立了预测混合燃料发动机性能的神经网络，该网络采用Levenberg-Marquardt算法，收敛快速，预测精度高，并试验验证了其泛化能力。
　　研究了废气再循环EGR对二甲醚-生物柴油混合燃料增压发动机性能的影响。研究表明，引入冷EGR后，发动机进气压力增加;各燃料的NOx排放均大幅下降;CO排放和HC排放均升高。二甲醚比例不大于50％的混合燃料的碳烟排放随EGR的引入明显升高，二甲醚比例不小于70％的混合燃料的碳烟排放很低，变化不明显。负荷增大，EGR对排放的影响更明显。

目录

声明

摘要

符号和缩写

第一章 绪论

1．1 能源与环境问题

1．2 柴油机代用燃料

1．3 二甲醚及其混合燃料在柴油机上的应用

1．4 本文主要研究内容

第二章 二甲醚-生物柴油混合燃料喷射过程研究

2．1 概述

2．2 测试装置和原理

2．3 共轨系统喷射过程试验研究

2．4 泵-管-嘴系统喷射过程试验研究

2．5 本章小结

第三章 二甲醚-生物柴油混合燃料喷雾特性研究

3．1 概述

3．2 试验装置与喷雾分析方法

3．3 背压对喷雾特性的影响

3．4 轨压对喷雾特性的影响

3．5 喷射脉宽对喷雾特性的影响

3．6 本章小结

第四章 非增压发动机燃用二甲醚-生物柴油混合燃料燃烧研究

4．1 概述

4．2 试验装置及燃烧分析方法

4．3 二甲醚-生物柴油混合燃料燃烧特性分析

4．4 二甲醚-生物柴油混合燃料燃油消耗率分析

4．5 二甲醚-生物柴油混合燃料排放特性分析

4．6 二甲醚-生物柴油混合燃料缸内压力小波分析

4．7 本章小结

第五章 增压发动机燃用二甲醚-生物柴油混合燃料燃烧研究

5．1 概述

5．2 试验装置

5．3 二甲醚-生物柴油混合燃料燃烧特性分析

5．4 二甲醚-生物柴油混合燃料燃油消耗率和热效率分析

5．5 二甲醚-生物柴油混合燃料排放特性分析

5．6 喷嘴参数对二甲醚-生物柴油混合燃料燃烧和排放的影响

5．7 EGR对燃用二甲醚-生物柴油发动机性能和排放的影响

5．8 发动机性能和排放的神经网络预测

5．9 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

创新点说明

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的专利

参加的科研项目与获得的奖励

致谢