摘要
甲醇裂解气作为一种清洁，低成本的代用燃料，可充分提高燃料与空气的混合度，增加火焰传播速度，改善燃烧过程，降低排放。同时，还可以利用发动机排放的尾气对甲醇加热，实现甲醇裂解气的在线制取，回收能量，进一步提高发动机的热效率。而现阶段对于缸内直喷甲醇发动机裂解气引入方式、典型工况裂解气替代率、EGR率耦合稀燃边界等方面的研究相对较少。所以，本文以缸内直喷甲醇发动机为研究对象，保持原机缸内直喷甲醇方式不变，加装裂解气进气道喷射装置，并实现了双喷射系统独立、稳定、可控工作。以台架试验为基础，系统、深入地研究了不同裂解气替代比在空气稀释和废气稀释下对发动机燃烧特性、排放特性的影响规律。同时，建立双喷甲醇发动机CONVERGE三维仿真模型，仿真研究了裂解气不同引入策略对稀燃甲醇发动机燃料混合和燃烧过程的影响规律。最后，结合甲醇裂解试验和三维CFD流体仿真分析结果，选取了合适的催化剂及换热器参数，完成了废气余能甲醇裂解气发生装置的试制和台架安装。本文为后续缸内直喷甲醇发动机燃烧过程优化提供数据基础，为裂解气供给方案设计提供了参考方向，为甲醇发动机行业的技术进步提供了理论和试验基础。主要的结论如下： 1.裂解气与甲醇掺混燃烧可以有效缩短着火延迟期和燃烧持续期，使燃烧中心提前，提高缸压峰值。并且裂解气替代比例越大，稀释比例越高，效果越明显。稀释比例较低时，两种稀释方式下裂解气对缸压的影响相近，但随着稀释比例的增大，空气稀释下裂解气对缸压的影响要大于废气稀释。稀燃条件下，裂解气可以降低HC和CO排放，并且替代比例和稀释比例越大，降低效果越明显。在稀释比为40%时，HC和CO的排放值最高可分别降低27.2%和49.7%。但裂解气替代比例越大，NOX排放值越高。裂解气可以有效降低缸内循环变动，提升稀燃极限。相比空气稀释，裂解气在废气稀释下降低循环变动的效果更明显。 2.裂解气进气道预混可以使缸内混合气更加均匀，加快燃烧速度，提高缸内燃烧温度。排放方面，裂解气可以有效降低未燃甲醇排放，减少Soot及CH2O的排放。裂解气进气道分层进气可以在进气结束初期改变缸内混合气状态，对氢气的分布有一定影响。但随着活塞的上行，氢气的分层现象越来越不明显，甚至略差于预混原机，文中采用的裂解气分层进气方式并不能改善缸内燃烧。当裂解气采用缸内直喷的引入方式时，通过调整喷射时刻可以达到分层效果。在喷射时刻为-40℃AATDC最为明显，此时火花塞周围富集氢气，从燃烧参数和缸压可以看出此种引入方式有助于改善甲醇发动机稀释燃烧性能。与此同时，HC，CO和Soot排放均下降。不同过量空气系数、不同替代比的三种工况下最佳喷射时刻都是-40℃AATDC。当过量空气系数为1.3，裂解气替代比为10%时，氢气的浓度梯度最明显，分层效果最佳，与同工况下的裂解气进气预混相比，着火延迟期缩短了6℃A，燃烧中心提前了4.9℃A，Soot、HC和CO排放分别降低33%、22%和19%，NOx排放有所上升。相比于气道预混和气道分层两种引入方式，裂解气缸内直喷是实现其高效应用的有效途径。 3.废气余能甲醇裂解气发生装置选用内部为10根直管的管壳换热器。甲醇裂解试验表明，铜基催化剂在相同温度区间和相同反应流量下的催化效果要强于贵金属催化剂。铜基催化剂的裂解效率随温度变化很大，贵金属催化剂在两段温度区间的裂解率相差不大。随着流量增大，各组催化剂的裂解效率都会降低。内径为26mm，管长为377mm的铜基催化剂第二组在合适的温度及流量下，裂解率可达70%以上，且裂解产物中H2和CO的体积比接近2:1，二者体积占总体积的99%左右，裂解效果较好。CFD仿真换热结果显示当换热管壁厚和换热外壳直径分别为1mm和160mm，换热管材料为铜时，换热效果最佳。结合试验和仿真的参数，设计加工了废气余能甲醇裂解气发生装置，并安装到发动机上。
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