【摘要】：立足我國“缺油、少氣、相對(duì)富煤”的國情,發(fā)展以煤基甲醇燃料并推廣應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)燃料是緩解中國能源供應(yīng)安全一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的選擇,是我國新能源汽車的主要發(fā)展方向之一。在二十世紀(jì)90年代,美國西南研究院提出的一種高壓縮比火花點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)方案,為開發(fā)高效甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)提出了新思路,本文利用甲醇燃料的辛烷值高,抗爆性強(qiáng),火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?稀燃極限寬的優(yōu)點(diǎn),在一臺(tái)柴油機(jī)改裝的高壓縮比(ε=17.5)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上,提出了一種稀燃結(jié)合高壓縮比的技術(shù)策略,探索高壓縮比點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震燃燒機(jī)理,提升甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)而提高熱效率,改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能,為實(shí)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒提供了一定的技術(shù)參考。本文首先以試驗(yàn)樣機(jī)的氣道和燃燒室為原型,應(yīng)用CFD建立計(jì)算模型,模擬了點(diǎn)燃式高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震情況,并從微觀方面探索爆震機(jī)理并解釋爆震形成的原因和部位,同時(shí)還研究了點(diǎn)火正時(shí)及EGR等運(yùn)轉(zhuǎn)因素對(duì)爆震的影響規(guī)律,為樣機(jī)試驗(yàn)提供了一定的理論指導(dǎo)。為了驗(yàn)證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性,在樣機(jī)上開展了點(diǎn)火正時(shí),EGR稀釋及EGR溫度,空氣稀釋對(duì)高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)爆震燃燒的研究,結(jié)果表明:試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果一致,在低速大負(fù)荷運(yùn)行工況下,高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)更容易發(fā)生爆震燃燒;采用較小的點(diǎn)火正時(shí)能有效抑制爆震燃燒,實(shí)現(xiàn)全工況范圍穩(wěn)定運(yùn)行;利用EGR稀釋燃燒和空氣稀薄燃燒對(duì)高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震均有一定的抑制作用。其次在試驗(yàn)樣機(jī)上研究了空氣、冷EGR及熱EGR三種不同稀釋工質(zhì),在均質(zhì)稀燃條件下對(duì)高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放的影響規(guī)律。結(jié)果表明:三種稀釋工質(zhì)均能在一定程度上改善高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性能。對(duì)比而言,空氣稀釋具有最好的經(jīng)濟(jì)性,熱EGR次之;當(dāng)稀釋因子達(dá)到一定程度后,三種稀釋工質(zhì)均能實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放。綜合而言,熱EGR在稀釋因子為1.5~1.6的范圍內(nèi)能獲得較好的be-NOx折中。為了降低點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失,提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率,同時(shí)降低高負(fù)荷時(shí)高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向,本文提出了取消節(jié)氣門,利用EGR控制甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的燃燒方式。研究結(jié)果表明:利用EGR控制負(fù)荷不能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)運(yùn)行,最低運(yùn)行負(fù)荷為36%左右(扭矩為55.5 N·m);且只有在62%負(fù)荷(扭矩為95 N·m)到100%負(fù)荷(扭矩為153.4 N·m)之間,利用EGR控制負(fù)荷燃燒方式才能獲得較原機(jī)更好的經(jīng)濟(jì)性。因此,本文采用EGR與節(jié)氣門協(xié)同控制負(fù)荷,研究了中、高負(fù)荷對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響,結(jié)果表明:利用EGR與節(jié)氣門協(xié)同控制較原機(jī)和單獨(dú)利用EGR控制負(fù)荷都有較好的經(jīng)濟(jì)性。為了實(shí)現(xiàn)全工況甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的高效燃燒,本文在中、低負(fù)荷采用EGR和過量空氣系數(shù)協(xié)同控制負(fù)荷方式,研究了其對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放的影響規(guī)律,結(jié)果表明:利用EGR和過量空氣系數(shù)協(xié)同控制負(fù)荷試下,在25%負(fù)荷,甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率能達(dá)到34%,在20%EGR率和過量空氣系數(shù)在1.4~1.6之間時(shí),能同時(shí)獲得較高的熱效率和超低的NOx排放,實(shí)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒。在不同負(fù)荷控制方式研究的基礎(chǔ)上,本文提出了在高壓縮比點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上全工況范圍高效清潔燃燒的負(fù)荷控制策略。即在中、低負(fù)荷工況,采用EGR協(xié)同過量空氣系數(shù)控制稀燃獲得相對(duì)較高的熱效率;在較高負(fù)荷,采用EGR協(xié)同節(jié)氣門稀釋燃燒獲得高的熱效率和低NOx排放;在高負(fù)荷,采用EGR控制負(fù)荷稀釋燃燒獲得較高熱效率和低NOx排放的清潔燃燒。這一控制策略為甲醇燃料在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)高效清潔利用提供了理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù),具有一定的參考價(jià)值。為了拓展EGR控制負(fù)荷的運(yùn)行范圍,降低大EGR率時(shí)的燃燒循環(huán)變動(dòng),提高EGR容忍度,本文提出了EGR插管和螺旋隔板兩種EGR分層方式。首先應(yīng)用CFD軟件研究了EGR壓力及EGR通入時(shí)間對(duì)EGR在缸內(nèi)的分布規(guī)律,從空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)上解釋了其分層原理及分層效果。模擬研究表明:EGR全程通入時(shí),單純地提高EGR壓力,兩種方案均不能形成良好的分層,分層梯度不到5%;合理選擇EGR壓力與通入時(shí)間才能達(dá)到理想的分層效果。采用插管分層時(shí),EGR壓力較高時(shí),通入時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),缸內(nèi)平均EGR較高,但在燃燒室凹坑以上,形成中心EGR率較高,周圍EGR率較低的分布;縮短通入時(shí)間,在凹坑以上,形成EGR率中心較低,周圍較高的分布,燃燒室凹坑內(nèi)EGR均未形成徑向分層。采用螺旋隔板分層時(shí),提高EGR壓力,同時(shí)縮短EGR的通入時(shí)間,雖然會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)平均EGR率有所降低,但分層效果更明顯,濃度梯度增大;計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)EGR壓力為130kPa,在EGR通入時(shí)長(zhǎng)為97°CA時(shí),平均EGR率為40%,燃燒室凹坑以下最高的EGR率可達(dá)53%,燃燒室凹坑以上火花塞附近EGR濃度為23%,濃度梯度達(dá)到為30%左右。為了驗(yàn)證兩種分層方案在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的效果,對(duì)樣機(jī)氣道進(jìn)行了改造,插管引導(dǎo)方式較容易實(shí)現(xiàn),只需要對(duì)氣道做簡(jiǎn)單改造;為了在試驗(yàn)樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)螺旋隔板分層,本文根據(jù)樣機(jī)氣道尺寸設(shè)計(jì)了螺旋隔板,采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單進(jìn)氣道改為雙進(jìn)氣道的氣道改造。并在試驗(yàn)樣機(jī)上研究了插管分層和螺旋隔板分層對(duì)樣機(jī)EGR容忍度的提升潛力。研究表明:兩種分層方式都能在一定程度上提升EGR的容忍度,提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限;對(duì)比兩種分層方式,螺旋隔板對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及燃燒穩(wěn)定性的改善效果更明顯,且拓寬了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限。
[Abstract]:This paper presents a new idea for the development of high compression ratio methanol engine with high compression ratio ( 蔚 = 17.5 ) . In this paper , the effects of EGR and EGR on the economy of methanol engine are studied . The results show that when the EGR pressure is 130kPa , the EGR rate is up to 53 % when the EGR pressure is about 130kPa , the EGR concentration in the combustion chamber pit is 97 擄 CA , the EGR concentration is 23 % and the concentration gradient is about 30 % .
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK462

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本文編號(hào)：2128151