燃用天然气合成油发动机燃烧特性与可靠性研究

摘要

面对石油资源短缺和环境污染的两大挑战，发动机燃用清洁的代用燃料是解决此挑战的有效途径。作为一种新型的代用燃料，天然气合成油(GTE)具有高十六烷值、无硫及低芳烃含量等独特性质，具有降低排放的潜力。然而，要将GTL用于现有的发动机上，并使GTL发动机性能和排放优于柴油机，以及与橡胶相容性和燃料润滑性等方面需要进行大量深入的研究。本文针对GTL燃料特点，系统开展了GTL发动机燃烧排放以及可靠性的研究工作。 掺混了多种GTL体积分数的GTL-柴油混合燃料，研究了混合燃料理化参数特性，并给出了这些参数与GTL体积分数的函数关系。混合燃料绝大多数理化参数与GTL的比例呈线性关系。 采用高速摄影的方法研究了GTL喷雾特性，并与常规柴油进行了比较。GTL与柴油喷雾锥角相差不大，GTL喷雾锥角随喷射压力增大而增大；在相同的喷雾时间历程，GTL的贯穿距离小于柴油；GTL离开喷嘴时刻较柴油略有延迟。在油泵实验台上，测试了多个工况下GTL燃料的喷油速率和油管压力等参数，计算了音速，并与柴油进行了对比，首次在油泵实验台上对GTL的喷射过程进行了研究。结果显示，当转速不变，随负荷增大，喷油速率、泵端和嘴端压力都逐渐增大，峰值出现的相位后移；循环喷油量明显增加，喷油持续期延长。当负荷不变，随转速升高，喷油速率逐渐增大，最大喷油速率出现的相位滞后，循环喷油量增大，喷油持续期延长；泵端和嘴端压力上升点位置前移，压力峰值逐渐增大，但出现的相位几乎相同。GTL与柴油对比研究发现，GTL的喷油速率、泵端和嘴端压力峰值，均较小；GTL的循环喷油量较少；GTL的喷油始点均比柴油略有延迟，喷油持续期较短；GTL的音速小于柴油。 在燃烧器中燃烧GTL和柴油，用高像素数码相机进行拍摄，比较了GTL与柴油的火焰烟度和高度，并采用三基色法研究了GTL与柴油火焰温度特点。GTL的火焰烟度小于柴油，火焰高度比柴油短5.3％，平均温度与柴油相当。 分别在非增压CA498柴油机和增压D6114柴油机上燃用GTL以及GTL-柴油混合燃料，在不同工况和供油提前角下，测试了油耗、缸压和排放等数据，试验研究了转速、负荷、供油提前角、ECER4913工况和美国13工况对发动机的动力性、经济性、燃烧和排放影响。结果显示GTL的油耗、热效率和排放都优于柴油，燃烧噪声较小，特别是能同时降低CO、HC、NOx、碳烟和CO2排放。 结合醇类燃料高含氧、易挥发和GTL低排放的优点，在一台压燃式发动机进气道上加装了喷嘴预喷甲醇、乙醇和异丙醇，同时缸内直喷GTL，研究了GTL发动机复合燃烧模式下的燃烧和排放特性。相对于纯GTL发动机，GTL复合燃烧虽然导致CO和HC排放大幅度升高，但是，预喷醇燃料后能同时降低NOx和碳烟排放，特别是预混合率较大的情况降低幅度更大。 测试了发动机上常用的丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶和氯化聚乙烯四种橡胶材料试样在GTL燃料中浸泡504小时前后的质量、体积、硬度、拉伸强度、扯断伸长率和撕裂强度等参数。比较了这些参数的变化率，研究了这些橡胶材料与GTL的相容性。三元乙丙橡胶完全不适合在GTL发动机上使用，而丁腈橡胶、氟橡胶和氯化聚乙烯橡胶可以选用，其中氟橡胶的性能最优。 采用四球机和专门搭建的油泵试验台，测试了金属小球和柱塞偶件的反映磨损情况的参数，研究了添加了润滑改进剂的GTL润滑性能。结果显示添加了润滑剂的GTL磨损值在标准限值范围内，能够满足润滑要求。 本文研究表明，在增压柴油机上不需进行大的改动就可以直接燃用纯GTL以及混合燃料，功率与原机相当，油耗和排放都降低，如果延迟喷油时刻，可以大幅度降低NOx排放，而不会恶化碳烟排放。采用进气道预喷醇类燃料，直喷GTL的复合燃烧模式，可以同时降低NOx和碳烟排放，预混合率愈大，降低排放幅度愈大。氟橡胶与GTL相容性很好，可以用于GTL发动机油路系统，添加润滑剂的GTL能够克服供油系统磨损问题，完全达到润滑标准。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号与缩写

声明

第一章绪论

1．1引言

1．2 GTL的生产和理化特性

1．3 GTL发动机国内外研究现状

1．4 GTL发动机研究存在的问题

1．5本文研究内容和意义

第二章GTL燃料喷射特性的研究

2．1概述

2．2试验系统和方法

2．3试验结果与分析

2．4本章小结

第三章GTL发动机燃烧与排放特性研究

3.1概述

3．2 GTL-柴油混合燃料理化特性

3．3试验系统与方法

3．4 GTL燃烧火焰特征试验结果与分析

3．5非增压柴油机燃用GTL的试验结果与分析

3.6增压发动机燃用纯GTL及混合燃料的试验结果与分析

3．7本章小结

第四章GTL发动机复合燃烧特性研究

4.l概述

4．2试验系统与燃料特性

4．3预喷甲醇对复合燃烧的影响

4．4预喷乙酵对复合燃烧的影响

4．5预喷异丙醇对复合燃烧的影响

4．6醇的种类对复合燃烧和排放的影响

4．7本章小节

第五章GTL发动机可靠性研究

5．1概述

5．2 GTL与橡胶材料相容性研究

5．3 GTL燃料润滑性能的研究

5．4本章小结

第六章全文总结和工作展望

6．1全文总结

6．2工作展望

创新点说明

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

参加的科研项目

获得的奖学金与荣誉