甲醇/柴油双燃料RCCI发动机综合性能研究

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甲醇/柴油反应活性控制压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)燃烧技术通过进气道喷入低活性、易挥发的甲醇燃料,缸内直喷柴油引燃均质的甲醇空气混合气燃烧。利用柴油易着火以及甲醇燃烧速率快、抗爆性好的特点,协调控制两种燃料比例,实现可控的高效、清洁燃烧。研究表明,甲醇/柴油RCCI燃烧策略能够降低氮氧化物(Nitrogen Oxides,NOx)和颗粒物(Particulate Matters,PM)排放同时保持较高的热效率,但存在碳氢化合物(Total hydrocarbon,THC)和一氧化碳(Carbon monoxide,CO)排放较高的问题。THC和CO的生成与缸内燃空当量比、燃烧温度、混合气组分有关。为探究甲醇替代率、过量空气系数对RCCI发动机经济性与污染物排放特性的影响规律,在某4缸高压共轨柴油机的进气总管处加装电子节气门组件,在进气歧管处安装甲醇喷射器,实现甲醇/柴油RCCI燃烧。通过协调控制两种燃料的喷射比例、调控节气门开度改变进气流量,研究不同甲醇替代率、过量空气系数对甲醇/柴油RCCI发动机性能的影响,主要结论如下:(1)柴油机最大转矩转速(1600 r/min)下,负荷率25%~50%时,最大甲醇替代率受THC排放和燃油消耗率的限制,最佳甲醇替代率为5%~10%;负荷率为50%~75%时,最大甲醇替代率受爆震和不完全燃烧的限制,最佳替代率为30%~40%;负荷率75%~100%时,最大甲醇替代率受缸内压力和排气温度的限制,最佳替代率为30%。100%负荷下,调节进气量可使最大甲醇替代率从30%提升至36%,有效燃油消耗率较原机降低6.2%。(2)2000 r/min、75%负荷和100%负荷下,随着甲醇替代率的增加,有效燃油消耗率降低,有效热效率增加。75%负荷时,40%替代率与纯柴油模式相比,有效燃油消耗率降低6.1%,有效热效率提高2.9%。100%负荷时,30%替代率与纯柴油模式相比,有效燃油消耗率降低4.8%,有效热效率提高3.4%。(3)2000 r/min、不同负荷工况下,随甲醇替代率的增加,NOx、PM、CO2和非甲烷总烃排放降低,CO、THC、醇类和醛类排放升高。负荷率100%、甲醇替代率为30%时,与纯柴油模式相比,NOx排放降低18.1%,PM排放降低36.0%,CO2排放降低6.8%,非甲烷总烃排放下降76.0%,CO排放是原机的20倍,THC排放是原机的8倍,双燃料模式下醇类和醛类排放占THC排放的99%左右。(4)不同负荷工况、最佳甲醇替代率下,随过量空气系数的增大,柴油机燃油消耗率和排气温度降低,有效热效率升高。25%负荷、甲醇替代率10%时,过量空气系数从3.04增大到3.38,有效燃油消耗率降低2.7%,有效热效率升高3.7%,排气温度降低27℃;100%负荷、甲醇替代率27%时,过量空气系数从1.35增大到1.6,有效燃油消耗率降6.7%,有效热效率升高4.7%,排气温度降低6.2%。(5)25%负荷、甲醇替代率10%时,过量空气系数从3.04增大到3.38,PM排放降低44.4%,NOx排放下降8.3%,CO2排放降低9.1%;100%负荷、甲醇替代率27%时,过量空气系数从1.35增大到1.6,PM、CO2、SO2、芳香烃排放分别降低25.0%、9.4%、10.1%、83.1%;NOx排放增加9.8%,未燃甲醇、甲醛放分别增加78.3%、52.3%。CO、正辛烷、非甲烷总烃排放随过量空气系数的变化不明显。
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