满足国Ⅳ排放法规的DMCC柴油机及其道路试验研究

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中文摘要：在日趋严重的石油安全和环境污染的双重压力下，各国政府制定了越来越严格的排放法规。我国现阶段柴油机实现国Ⅳ以上排放采用SCR与DPF技术方案还存在一定困难。甲醇高含氧，单碳结构，燃烧无烟生成，是清洁的柴油替代燃料。以往研究表明，柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)在柴油机上应用既能减少柴油消耗，又能改善烟度与NOX排放，对节能减排具有深远意义。但大多研究工作是针对自然吸气机械泵柴油机开展的，且对于柴油/甲醇二元燃料（DMDF）燃烧能否满足国Ⅳ以上排放水平尚未研究。本课题是在改进的电控增压中冷柴油机上进行甲醇替代率、喷油参数、进气温度与排气背压对DMDF燃烧特性和排放规律影响的试验研究，并通过法规试验来探讨其满足国Ⅳ以上超低排放的潜力，最后对DMCC车辆进行道路试验研究，为实际推广提供理论基础。本文得到的主要结论如下：第一，通过改变替代率、进气温度、排气背压及喷油参数来研究DMDF发动机的燃烧特征，研究结果表明甲醇的高汽化潜热和低十六烷值对DMDF燃烧过程有显著影响，替代率增加后导致滞燃期延长，最大缸压位置远离上止点，循环变动系数（COVIMEP）增大；进气温度和排气背压对DMDF燃烧的着火时刻和反应速率都有显著影响，提升进气温度将缩短滞燃期，增加最大缸压，并提高热效率；增加排气背压会使DMDF燃烧始点提前，最大缸压下降，热效率降低；较高负荷下若进气温度超过70℃或排气背压大于0.3bar时，DMDF会发生甲醇先于柴油喷射的自燃现象，使燃烧恶化，碳烟急剧增加，热效率下降。喷油时刻提前和喷油压力增加都会导致DMDF着火时刻提前，预混燃烧数量增加，峰值缸压和放热率增大，燃烧持续期缩短，热效率提高。第二，通过改变替代率、进气温度、排气背压及喷油参数来研究DMDF发动机的排放特性，结果表明DMDF可同时降低NOX和烟度排放，且随着替代率增加降低效果更显著，而HC、CO、NO2和甲醛排放较高。DMDF可以减小微粒的几何平均直径，也减少了微粒总数量浓度和总质量浓度。提高进气温度增加NOX和碳烟排放，而使NO2/NOX比值和甲醛降低；增大排气背压可降低 NOX、NO2和HC排放，而使碳烟、CO和甲醛排放增加。提前喷油时刻与增加喷油压力后DMDF的CO、HC和碳烟降低，而NO2和NOX却上升；DMDF的NOX-碳烟权衡曲线较平缓，通过推迟喷油或降低喷油压力能够明显降低NOX却不会显著增大碳烟排放。双DOC(柴油氧化催化器)及DOC+POC（微粒氧化催化器）都能够高效氧化DMDF较高的HC、CO和甲醛等排放，催化后各排放趋于零；而DOC+POC对NO2和碳烟的转化效率更高。第三，通过对DMCC发动机进行法规循环试验研究，其结果表明经喷油参数优化和甲醇比例精确标定后，DMCC发动机结合后处理器DOC+POC在ESC、ELR和ETC试验中各排放物均低于国Ⅳ限值，甲醛排放仅24.2mg/(kW·h)，同时提出了适合 DMCC国Ⅳ发动机的OBD策略。DMCC发动机耦合EGR并结合DOC+POC在ESC试验时可满足国Ⅴ排放标准，开辟了一条满足国Ⅳ和国Ⅴ排放标准的非SCR与DPF技术路线。第四，将通过国Ⅳ排放认证的DMCC发动机加装到中国重汽生产的车辆上进行道路试验研究，结果表明DMCC车辆在工况变化和模式切换过程中运行平稳，与同款国Ⅳ车辆相比，动力性增强，自由加速烟度降低46.3%，车辆的进气温度与排气温度分别降低了19.6℃和17.6℃；高速路况下甲醇对柴油的平均替代率为33.28%，替换比为1.44，燃料经济性改善了11.89%。

作者：

刘军恒

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关键词：

柴油机柴油/甲醇二元燃料燃烧特性喷油参数排放规律

授予学位：

博士

学科专业：

动力工程及工程热物理

导师：

姚春德

学位年度：

2014

学位授予单位：

天津大学

语种：

中文

中图分类号：