柴油/甲醇组合燃烧发动机的非常规排放特性研究

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甲醇低碳含氧、燃烧清洁,且生产资源广泛,被认为是最具应用前景的柴油代用燃料。研究表明,国四柴油机应用柴油/甲醇组合燃烧技术(DMCC)并结合柴油氧化催化转化器(DOC)紧耦合柴油颗粒物催化转化器(POC)构成的后处理器DPOC,不需要尿素辅助就可以满足国五排放法规的要求,为我国的重型柴油机开辟了一条低制造成本的无尿素辅助满足国五排放法规要求的技术路线。但是与纯柴油模式相比,DMCC发动机柴油/甲醇二元燃料燃烧(DMDF)模式下排气中的一些非常规排放物有不同程度的增加,小负荷工况尤甚。为使DMCC发动机工作得更清洁,在以往仅关注其未燃甲醇和甲醛排放的研究基础上,进一步扩展到更大范围的非常规排放物,如对二氧化碳、氧化亚氮、甲酸、1,3-丁二烯、苯及甲苯的排放进行全面的探究。本研究在两台不同型号的DMCC重型发动机上对其非常规排放特性及其排放控制方法开展了试验研究。研究中通过改变发动机的负荷、转速、甲醇替代柴油比例、柴油机喷油参数等工况,利用傅立叶变换红外检测仪(FTIR)在线对DMCC发动机的非常规排放物进行检测。本研究取得的结论如下:DMDF模式下的非常规排放物与纯柴油模式相比均有不同程度的增加,CO2除外。与纯柴油模式相比,DMDF模式下的非常规排放污染物甲醛、未燃甲醇、氧化亚氮、1,3-丁二烯、甲酸、苯及甲苯的排放均有所增加,且均随着甲醇替代率的增加而增加;二氧化碳的排放随着替代率的增加逐渐减少。随着进气温度的上升,DMCC发动机各甲醇替代率下的非常规排放物甲醛、甲醇、氧化亚氮、1,3-丁二烯、甲酸、苯和甲苯排放均呈下降趋势,二氧化碳排放则有明显增加。各甲醇替代率下的甲醛、1,3-丁二烯、甲酸、甲苯等非常规排放物大体上随着EGR率的增加而逐渐减少,二氧化碳排放则逐渐增加。DMCC发动机的非常规排放随着轨压的提高、柴油喷射正时的提前及预喷射策略的应用而减少。轨压的提高缩短了相同喷油量下的喷油持续时间且促进了燃油的充分雾化,提高了预混燃烧比例,致使发动机的峰值缸压及峰值放热率均随着轨压的增加而上升,有助于减少DMCC发动机的非常规排放。喷油正时的提前增加了预混燃烧比例,且着火时刻前移,高温氧化时间延长,使燃烧进行得更为充分。因为本研究中的非常规排放物大多属于未完全燃烧产物(二氧化碳、氧化亚氮除外),故提前喷油正时能降低DMCC发动机的属于未完全燃烧产物的非常规排放物。与单次喷射相比,预喷射策略的应用能提高主喷燃烧开始前的压力和温度,因而能避免DMCC发动机小负荷大替代率工况下的失火现象,且能提高发动机的稳定性以及减少大多数非常规排放物的排放。后处理器DPOC对DMCC发动机的非常规排放物有很高的催化效率。在柴油/甲醇双燃料模式的中小负荷下,经过DOC催化后的甲醛排放反而高于催化前;DOC对各负荷下尾气中的甲醇和1,3-丁二烯均有很高的催化效率,但总体上来说,DPOC对柴油/甲醇双燃料模式下非常规排放物的催化效果明显高于单DOC,说明POC内所含的催化剂Pt对尾气中的非常规排放污染物也有一定的催化效果。DMCC国五发动机的非常规排放与纯柴油国四原机无太大差别。DMCC国五发动机的非常规排放物甲醛、甲醇、1,3-丁二烯、甲酸、氧化亚氮仅略高于纯柴油国四原机,二氧化碳、苯和甲苯排放则低于纯柴油国四原机。应用DMCC技术并结合后处理器DPOC,不但使国四原机的常规排放满足了国五排放法规的要求,且其非常规排放也与纯柴油国四原机无太大差别。
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