PDF《甲醇组合发动机燃烧压力特性研究 س 柴油 /》

2014年 2月 农业机械学报第45卷 第 2期 d o i :

1 0 .

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4 1 / j . i s s n .

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1 2

9 8 .

2 0

1 4 .

0 2 .

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2 柴油 / 甲醇组合发动机燃烧压力特性研究 夏琦1 姚春德2 魏立江2 刘军恒2 (

1 . 温州大学瓯江学院,温州

3 2

5 0

3 5 ;

2 . 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津

3 0

0 0

7 2 ) 摘要:采用柴油 / 甲醇组合燃烧( D MC C ) 方式对增压共轨发动机进行缸内燃烧压力特性研究.对比分析了 D MC C 模式和纯柴油模式下的缸内燃烧压力、 压力升高率、 最高燃烧压力和燃烧放热率.结果表明: D MC C模式大大改变 了放热率的形式, 使得着火始点较原机推迟很多;

并且燃烧过程中的预混燃烧比例明显加大, 扩散燃烧的比例减 少.该研究结果为大幅度提高柴油机效率、 减少有害气体排放提供了理论依据. 关键词:柴油 / 甲醇 组合燃烧 燃烧压力 特性 中图分类号:T K

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1 文献标识码:A 文章编号:1

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9 8 (

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1 4 )

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0 5 收稿日期:2

0 1

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4 修回日期:2

0 1

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4 0

7 浙江省自然科学基金资助项目( L Q

1 3 E

0 6

0 0

0 2 ) 作者简介:夏琦, 讲师, 主要从事新能源燃料燃烧研究, E m a i l :x i a

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4 6

2 9

6 9 @1

6 3 . c o m 引言 在目前技术条件及资源、 经济条件下, 改善汽车 尾气排放和提高柴油机的燃料效率是发动机技术发 展的原动力.通过对柴油 / 甲醇组合燃烧压力特性 的分析, 可为这种燃烧方式能大幅度提高柴油机燃 料效率的机理研究提供数据支持和理论依据, 同时 证明柴油 / 甲醇组合燃烧是一条切实可行的途径. 柴油 / 甲醇组合燃烧方法[ 1-

4 ] ( D i e s e l / m e t h a n o l c o m p o u n dc o m b u s t i o nm o d e ,D MC C ) 是将甲醇喷射系统安装在柴油机进气歧管上, 采用 E C U系统对甲 醇的喷射量和喷射时刻进行精准控制, 在进气歧管 内形成混合气, 被吸入气缸后由柴油引燃, 即甲醇通 过喷射系统在进气歧管与空气形成甲醇混合气进入 气缸, 与缸内直喷的柴油在气缸内实现柴油甲醇双 燃料的共同燃烧[ 5-9 ] .本文采用柴油 / 甲醇组合燃 烧方式对增压共轨发动机进行缸内燃烧压力特性研 究.

1 实验装置和实验方法

1

1 实验装置 研究是在一台六缸高压共轨增压中冷发动机进 行的, 对第 6缸进行改造, 将其进、 排气系统独立出 来, 并在进气歧管上安装一套甲醇喷射系统, 通过在 进气歧管内喷射甲醇, 实现柴油 / 甲醇组合燃烧方 式, 其余 5缸保持不变, 发动机参数如表 1所示. 图 1为实验系统示意图.甲醇泵工作后, 将甲 醇 加压至

0

3 5MP a , 经甲醇喷射系统将甲醇喷入进 表1实验用发动机参数 T a b .

1 E x p e r i me n t a l e n g i n ep a r a me t e r s 参数 数值 缸径 / m m

1 0

5 行程 / m m

1 2

5 连杆长度 / m m

2 1

0 压缩比

1 7

5 排量 / c m

3 10

8 1

8 进气门关闭时刻 / ° C A

2 2

3 喷孔数

7 喷束夹角 / ( ° )

1 5

5 喷射系统 共轨 轨压 / MP a

1 6

0 图1实验系统示意图 F i g .

1 S c h e m a t i cd i a g r a m o f e x p e r i m e n t a l s y s t e m s

1 . 空压机

2 . 调压阀

3 . 控制柜

4 . 角标仪

5 . 燃烧信号处理 系统

6 . 信号放大器7.FTIR8.缸压传感器9.测功机10.温度传感器

1 1 . 醇喷嘴

1 2 . E C U 气歧管, 形成混合较均匀的甲醇混合气.实验缸的 进气使用外源增压, 将进气压力保持在

0

1 5MP a , 温度为

2 8 ℃.甲醇的喷射时刻和喷射量根据发动 机转速、 油门踏板位置和发动机水温等参数来决定, 并由专门开发的电控单元系统控制. 实验所用主要仪器设备: K I S T L E R公司生产的

6 1

1 5 A F D

3 6 Q

0 4型M12*1

2 5规格的缸压传感器, 经YE5850型电荷 放大器与角标仪产生的上止点信号和等 角差信号一同送入采集卡, 利用实验室研发的缸内压力采集及放热率实时数 据处理 软件 对缸压信 号进行处理后, 送到计算机进行计算处理分析.

1

2 实验方法 实验中选择的发动机转速 n分别为

1 2

8 5 、

1 6

9 8 和2112r / m i n ,负荷分别为25%、

5 0 %、

7 5 % 和100%.在各工况下, 首先采用原机纯柴油模式, 记 录该时刻的气缸平均有效压力, 恒定保持此转速不 变, 减少柴油喷射量 ( 即 降低 负荷) , 再 采用 D MC C 方式向进气歧管喷射甲醇, 实现柴油 / 甲醇双燃料燃 烧, 使其达到原先纯柴油模式下的气缸平均有效压 力.通过对各模式下燃烧时第 6缸内压力信号的采 集, 分析其缸内压力、 缸内压力升高率、 缸内最高燃 烧压力和燃烧放热率的变化.

2 实验结果分析

2

1 缸内压力 图 2所示为转速

12 8 5r / m i n和21

1 2r / m i n , 负荷25%和

1 0

0 %下 4个工况点的 D MC C模式和原机 纯柴油模式的缸内压力变化. 图2缸内燃烧压力 F i g .

2 C o m b u s t i o np r e s s u r e ( a )n=

12 8 5r / m i n , 负荷

2 5 % ( b )n=

12 8 5r / m i n , 负荷

1 0

0 % ( c )n=

2 1

1 2r / m i n , 负荷

2 5 % ( d )n=

21 1 2r / m i n , 负荷

1 0

0 % 由图 2所示, 甲醇通过喷射系统在进气歧管与 空气形成甲醇混合气进入气缸, 在发动机压缩行程 中, D MC C模式的气缸平均压力相对于原机纯柴油 模式要低, 其主要原因为压缩行程时, 甲醇汽化吸热 使进气温度和缸内压力都有所降低;

但缸内燃烧时 D MC C模式下的最大压力升高率和最高压力较原机 纯柴油模式大得多, 其主要原因为作为准均质的甲醇 混合气进入气缸后, 大幅度增长了预混燃烧阶段, 提高 了燃料燃烧热效率, 增强了混合气均质压燃的趋势. 在低转 速低负荷工况(n=12

8 5r / m i n , 负荷25%) 与高转速低负荷工况 ( n=21

1 2r / m i n , 负荷

2 5 %) 时, 虽然提高了放热率, 但在 D MC C模式下最 高燃烧压力比原机纯柴油模式要低, 其主要原因为 低负荷工况下, 发动机缸内温度相对较低, 但甲醇的 汽化潜热较高, 使得燃烧温度进一步降低, 因此燃烧情 况会出现恶化.放热率峰值相对于原机纯柴油模式有 所增加, 但是喷醇起点的放热率较原机纯柴油模式有 所降低, 并且推迟了放热率峰值的出现.因此在低负 荷工况下, 甲醇的喷射量应该严格控制, 避免在低速低 负荷工况时缸内压力降低过大导致失火现象的发生. 低转 速高负荷工况(n=12

8 5r / m i n , 负荷100%) 和高转速高负荷工况( n=

21 1 2r / m i n , 负荷

7 第 2期 夏琦 等:柴油 / 甲醇组合发动机燃烧压力特性研究

1 0

0 %) 时, 采用柴 油/甲醇组合燃烧方 式向进气歧管喷射甲醇, 实现柴油 / 甲醇双燃料燃烧, 使得放热 率急剧升高, 缩短了整个缸内燃烧持续期, 增加了放 热集中度, 因此 D MC C模式下最高燃烧压力相对于 原机纯柴油模式要高, 同时使得燃烧的热效率有所 提高, 但过高的燃烧压力容易导致爆震和爆燃现象 的出现.所以, D MC C模式高负荷工况下, 应严格控 制甲醇的喷射量, 避免爆震和爆燃现象的出现.

2

2 压力升高率 图 3所示为 4个工况点的原机纯柴油模式和柴 油/甲醇组合燃烧模式的缸内压力升高率的变化. 低转速低负荷( n=12

8 5r / m i n , 负荷

2 5 %) 与 高转速 低负荷(n=21

1 2r / m i n , 负荷25%) 时, 在DMC C模式下的压力升高率相对于原机纯柴油模式 略高, 当保持转速不变, 随着负荷升高, 压力升高率 逐渐变得明显起来.在低转速高负荷( n =

1 2

8 5 r / m i n , 负荷

1 0

0 %) 与高转速高负荷( n=

21 1 2r / m i n , 负荷

1 0

0 %) 时, 在DMC C模式下的压力升高率相对于原 机纯柴油模式有大幅度地提高, 但随着转速的升高 两模式的压力升高率差别逐渐变小. 图3压力升高率 F i g .

3 R a t eo f p r e s s u r er i s e ( a )n=

12 8 5r / m i n , 负荷

2 5 % ( b )n=

12 8 5r / m i n , 负荷

1 0

0 % ( c )n=

2 1

1 2r / m i n , 负荷

2 5 % ( d )n=

21 1 2r / m i n , 负荷

1 0

0 % 图4最高燃烧压力 F i g .

4 Ma x i m u m c o m b u s t i o np r e s s u r e ( a )n=

12 8 5r / m i n ( b )n=

21 1 2r / m i n

2

3 最高燃烧压力 图 4所示为转速

12 8 5r / m i n和21

1 2r / m i n , 不 同负荷工况下 D MC C模式和原机纯柴油模式的最 大爆发压力对比图.在低转速高负荷、 高转速低负 荷和高转速高负荷工况时, 喷入的甲醇使得最大爆 发压力有所提高;

但低转速低负荷工况时, 喷入的甲 醇却使最高燃烧压力略有降低, 其主要原因为喷入 的甲醇使得缸内燃烧温度过低, 燃烧不是很完全, 燃 烧压力和热效率也有所下降.同时也表明在低转速 低负荷时, 不宜大 比例 提高甲醇 的喷 射量, 这为 柴8农业机械学报2014年油/甲醇双燃料发动机的标定实验提供了依据.

2

4 放热率 图 5所示为 4个工况点的原机纯柴油模 式和 D MC C模式的放热率对比.D MC C模式下的........