压燃式柴油机燃用醇类和生物气燃料的数值模拟研究

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中文摘要：柴油机由于具有较高的热效率在全球运输业中得到了广泛的应用。然而，柴油机是温室效应气体(GHG)、颗粒物(PM)、碳烟和氮氧化物(NOx)等污染物的主要排放源，对人类健康和全球环境构成严重威胁。随着排放法规的日益严格和能源危机的日益加重，对柴油机经济性和污染物排放控制的要求越来越高，提高发动机燃油经济性和减少废气排放是目前柴油机研究的重点。液态替代燃料（如甲醇和丁醇等醇类燃料）以及气态燃料（如生物气）是解决上述问题的有效方法。使用醇类与柴油的混合燃料可以有效减少对化石燃料的依赖。目前，国内外缺乏对甲醇柴油、丁醇柴油及丁醇柴油喷油定时对发动机性能和排放影响的研究。因此，有必要开展甲醇、丁醇等醇类燃料在柴油中的配比以及丁醇柴油喷油定时对发动机性能和排放影响的研究。生物气是由微生物降解作用产生的一种生物燃料。与传统柴油机相比，采用双燃料燃烧模式可以显著降低NOx和碳烟的排放，具有广阔的应用前景。然而，目前对于多缸涡轮增压柴油机使用生物气的研究很少，研究并掌握生物气双燃料发动机的性能和排放特性具有重要的意义。本文针对六缸直喷式涡轮增压柴油机，研究了在不同工况下分别燃用甲醇柴油、丁醇柴油时发动机的性能、燃烧特性和排放特性。结果表明，添加丁醇可减少NOx和CO排放，减少程度与丁醇配比及发动机运行工况有关。与传统的柴油燃料相比，燃用丁醇柴油时发动机的有效效率(BTE)提高了20％以上，但与此同时，二氧化碳(CO2)和未燃碳氢(HC)排放量增加。与柴油和其他丁醇配比的丁醇柴油相比，燃用15B丁醇柴油（丁醇含量15％，体积比）时发动机具有更好的性能和更低的排放。对于甲醇，研究表明，柴油中添加甲醇同样可以提高发动机的有效效率，并减少NOx和CO的排放。但由于甲醇较高的气化潜热，燃用甲醇柴油时发动机HC排放要高于传统柴油;另外甲醇柴油较高的含氧特性增加了CO的氧化率，导致CO2排放增加。研究表明，与其他配比相比，15M（甲醇含量15％，体积比）的甲醇柴油具有良好的燃烧特性和排放特性。本文研究了燃用不同配比丁醇柴油时喷油定时对发动机性能、燃烧特性和排放特性的影响，并针对效率和排放优化了发动机喷油定时。研究表明，延迟喷油可以降低NOx和CO的排放，但同时会增加HC和CO2的排放;喷油定时为10℃ABTDC时，发动机性能、燃烧特性和排放特性最优;对于不同配比的丁醇柴油，燃用15B和25B丁醇柴油时发动机具有较好的效率和较低的HC、CO和NOx排放，其中，NOx排放满足欧6排放标准。本文还研究了不同CH4、CO2配比的生物气在发动机双燃料模式下对发动机性能、燃烧特性和排放特性的影响。研究表明，与传统柴油燃料相比，燃用生物气具有更高的有效效率，生物气中CO2含量对发动机有效效率影响不大。燃用生物气时发动机HC和CO2排放较高，而NOx和CO排放较低。当生物气中CO2含量高达45％时，发动机性能不会降低。本文研究揭示了燃用甲醇柴油、丁醇柴油及生物气时发动机燃烧、性能和排放特性，可以支撑后续相关研究工作。从本文研究中可以得到，使用25％的丁醇柴油，发动机NOx排放与欧6标准相比低90％以上。本文首次获得了喷油定时对丁醇柴油发动机的影响，结果表明，使用最佳配比丁醇柴油结合延迟喷油定时可以减少70％以上的NOx排放，并且可以提高有效效率约37.2％。燃用含55％CO2的生物气结合涡轮增压中冷，可以大幅减少NOx和CO的排放并提高发动机有效效率。本文仿真结果与实验数据吻合较好。

作者：

Salman Abdu Ahmed

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关键词：

柴油机甲醇生物气燃料喷油定时排放特性数值模拟

授予学位：

博士

学科专业：

动力工程及工程热物理

导师：

周松

学位年度：

2020

学位授予单位：

哈尔滨工程大学

语种：

中文

中图分类号：