含氧混合燃料的燃燒與排放特性

1、含氧混合燃料的燃燒 和排放特性 匯報(bào)人：吳楊春 學(xué) 號(hào)：M060114133 柴油機(jī)燃用柴油碳酸二甲酯(DMC)混合燃 料的燃燒與排放特性 柴油機(jī)使用柴油工作時(shí)，由于柴油是分子量較大的碳?xì)浠?合物，因此，柴油機(jī)燃燒特點(diǎn)是中高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)由于混合氣局 部缺氧，往往產(chǎn)生較大的碳煙排放。近年來一種較為有效地手 段是在柴油中混合一定比例的高含氧添加劑，使混合燃料中具 備一定的氧含量，從而在燃燒過程提供氧和降低混合氣局部缺 氧問題，進(jìn)而達(dá)到降低柴油機(jī)碳煙排放的目的。碳酸二甲酯含 氧量高達(dá)533，一定比例下和柴油互溶時(shí)無需助溶劑，由 于含氧比例大，柴油中加入少量碳酸二甲酯即可提供一定的氧 比例，因此，作為柴

2、油含氧添加劑具有很好的效果。 1、燃料特性 為驗(yàn)證柴油添加碳酸二甲酯降低碳煙的效果，在一臺(tái)單缸柴油機(jī)上進(jìn)行了 實(shí)驗(yàn)研究，表111和表112分別給出了發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和燃料特性。與柴油相 比，碳酸二甲酯具有較高的含氧量，較低的熱值和十六烷值。 實(shí)驗(yàn)中配置10和20體積比例碳酸二甲酯的含氧混合燃 料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄了缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。 為便于分析，對(duì)燃燒參數(shù)進(jìn)行了如下定義： 著火滯燃期：從針閥開啟(噴油始點(diǎn))到壓力急速升高的始點(diǎn) (燃燒始點(diǎn)) 主燃燒期：從壓力急速升高的始點(diǎn)到壓力急速升高的終點(diǎn) 總?cè)紵冢簭膲毫彼偕叩氖键c(diǎn)到放熱結(jié)束。 圖111給出了混合燃料質(zhì)量含氧量、十六烷值、低熱值和 氣化潛熱隨DMC摻

3、混比例的關(guān)系。 由于DMC的十六烷值比柴油低，因此混合燃料的十六烷值隨 DMC摻混量的增加而略有下降，這將導(dǎo)致混合燃料著火滯燃期隨 DMC的增加而增加；此外，隨著DMC的增加，混合燃料的熱值降低， 需要噴入更多的混合燃料以保證得到相同的做功輸出，而汽化潛熱 的增加使燃油蒸發(fā)帶來的缸內(nèi)溫降增加。 2、柴油及柴油DMC混合燃料的放熱率曲線 由于DMC的添加使得 混合燃料的滯燃期增加， 因而，隨著柴油中的 DMC摻混比例的增加， 混合燃料的燃燒始點(diǎn)隨 著DMC摻混比例的增加 而被延遲，但混合燃料 的燃燒結(jié)束時(shí)刻相差不 大，這表明柴油中DMC 的添加促進(jìn)了混合燃料 的燃燒過程，使得混合 燃料的燃燒持續(xù)

4、期隨著 DMC的添加而縮短。 3、混合燃料燃燒期 在相同的負(fù)荷下，混合燃料 著火滯燃期隨DMC添加比例的增 加而增加，相同DMC摻混比例時(shí)， 滯燃期隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的升高而縮 短。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是，混 合燃料十六烷值隨DMC摻混比例 的增加而下降，同時(shí)，混合燃料 汽化潛熱值隨DMC的增加而增加， 導(dǎo)致噴油時(shí)刻缸內(nèi)氣體平均溫度 下降。DMC摻混比例相同時(shí)，缸 內(nèi)熱力狀態(tài)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加 而提高。 實(shí)驗(yàn)表明，混合燃料的主 燃燒期隨DMC的添加變化很小， 這表明，對(duì)于不同DMC摻混比 例的混合燃料，燃燒一旦開始， 主燃燒階段的燃燒將以相同的 速率進(jìn)行?；旌先剂系目?cè)紵?持續(xù)期隨DMC的添加變化很小

5、； 對(duì)于同一種混合燃料，總?cè)紵?持續(xù)期隨負(fù)荷的增加而呈現(xiàn)出 線性增加趨勢 3、混合燃料的缸內(nèi)最大壓力值及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨 DMC 摻混比例的關(guān)系 在中、高負(fù)荷時(shí)，混合燃料燃燒 最大壓力值隨DMC的增加而略有增加； 在低負(fù)荷時(shí)，混合燃料燃燒最大壓力 值隨DMC的增添加而略有下降。中、 高負(fù)荷時(shí)，最大壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角 隨DMC的添加基本上不發(fā)生變化，但 混合燃料預(yù)混燃燒量卻隨DMC的增加 而增加，燃燒過程等容性提高，最大 壓力值增加。 ；低負(fù)荷時(shí)，DMC的 添加使混合燃料燃燒放熱過程被推遲， 最大壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混 比例的增加而略微增加，燃燒過程等 容性下降。 4、混合燃料的最大放

6、熱率值及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨 DMC摻混比例的關(guān)系 最大放熱率和及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的變化趨勢 與最大壓力升高率及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC摻混比例的變化趨 勢基本相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在中高負(fù)荷時(shí)，DMC的添加可以提 高最大放熱率值，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣碳煙濃度相對(duì)較高，添加含氧 燃料對(duì)降低碳煙和促進(jìn)燃燒有較好效果。 5、最高平均氣體溫度Tmax及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角 隨DMC摻混比例的關(guān)系 在相同的負(fù)荷下，Tmax隨混合燃料中DMC摻混比例的增加而 略有降低，由于DMC的添加使混合燃料的汽化潛熱增加，混合燃 料低熱值降低，導(dǎo)致噴入缸內(nèi)的燃料量增加，這使得混合燃料燃 燒產(chǎn)物的質(zhì)量(或熱容)增加

7、，從而降低最高平均氣體溫度。當(dāng)混 合燃料中DMC摻混比例小于5時(shí)， Tmax對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨DMC 摻混比例的增加而增加；當(dāng)混合燃料中DMC摻混比例大于5時(shí)， 對(duì)于不同DMC摻混比例的混合燃料， Tmax對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角基本 相同。 6、混合燃料的有效燃油消耗率(BSFC)與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù) 荷(BMEP)的關(guān)系 在相同負(fù)荷下，有效燃油消耗率隨混合燃料中DMC摻混比 例的增加而增加。DMC的添加使混合燃料的低熱值下降，為了 獲得相同的功率輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)需要供給更多的燃料量。 7、當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率(diesel equivalent BSFC)與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(BMEP)的關(guān)系 當(dāng)量柴油熱值有效燃油消

8、耗率由公式: 對(duì)于不同DMC摻混比例的混合燃料，當(dāng)量柴油熱值燃油消耗率沒有 發(fā)生明顯的變化。由于混合燃料自帶氧，使得擴(kuò)散燃燒過程得到改善，擴(kuò) 散燃燒的改善使燃燒過程整體燃燒速率提高，帶來功率輸出的增加；同時(shí)， 著火滯燃期隨DMC摻混比例的增加而增加，導(dǎo)致預(yù)混燃燒量增加，而預(yù) 混燃燒量的增加，將產(chǎn)生高燃燒壓力和較大的功率輸出。綜合作用使混合 燃料當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率隨DMC摻混比例的增加而呈現(xiàn)略微下 降的趨勢。 8、混合燃料的有效熱效率隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的關(guān)系 有效熱效率與當(dāng)量柴油熱值有效燃油消耗率的關(guān)系： 兩參數(shù)之間呈反比例關(guān)系，當(dāng)量柴油熱 值有效燃油消耗率能夠更好的反映出混合 燃料的有效熱效

9、率。 9、柴油摻混不同比例DMC時(shí)排氣CO濃度隨負(fù)荷的關(guān)系 試驗(yàn)結(jié)果表明，CO隨 DMC摻混比例的增加而降 低，這一趨勢在高負(fù)荷時(shí) 更為明顯。DMC的添加使 得混合燃料具有自帶氧能 力，這不僅會(huì)抑制不完全 燃燒過程中CO的產(chǎn)生，特 別是擴(kuò)散燃燒階段CO的生 成，并且會(huì)促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)膨 脹過程和排氣過程CO的后 氧化。 10、混合燃料碳煙排放 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣碳煙隨DMC的增 加而明顯降低，這與CO隨DMC摻 混比例增加的變化趨勢一致。碳 煙主要生成在擴(kuò)散燃燒階段， DMC的添加使得混合燃料含氧， 從而促進(jìn)了擴(kuò)散燃燒。同時(shí)，含 氧燃料的添加促進(jìn)了碳煙在隨后 的膨脹階段和排氣過程中的后氧 化。低轉(zhuǎn)速時(shí)，碳煙

10、在膨脹階段 和排氣過程中的氧化時(shí)間較長， 碳煙隨混合燃料DMC含量(或氧含 量)增加而降低的趨勢更加明顯。 在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)， 混合燃料含氧量每增加10，碳 煙降低2030；而在發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，碳煙降低 2535 11、混合燃料氮氧化物排放 在相同負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī) NOx濃度的最大值出現(xiàn)在 DMC摻混比為10% (體積) (即含氧量為7(質(zhì)量)時(shí)， 此后，隨著DMC摻混比例的 進(jìn)一步增加，NOx濃度呈而 下降趨勢。NOx受預(yù)混燃燒 量、過量空氣系數(shù)，氣體溫 度的綜合影響。高負(fù)荷時(shí)， 較高的溫度有利于NOx的形 成，DMC的添加提供了一部 分氧，這同樣有利于NOx的 形成。 12、混合燃料碳煙排放和氮氧化物排放的關(guān)系 上圖給出了相同的負(fù)荷和 轉(zhuǎn)速下氮氧化物排放和碳煙 排