混合双燃料发动机的应用,可有效控制有害气体的排放!

   电工小二        

研究人员分析了新概念生物-二甲醚混合双燃料发动机的燃烧特性和有害排放,重点是烟尘排放。他们考察了二甲基二甲醚含量、沼气池组成和柴油注入量的影响。在任何沼气成分下,燃料混合物中二甲醚含量的增加会导致指示发动机循环功(Wi)和NOx的增加,而CO和烟灰体积分数(fv)的减少。二乙二胺对贫气比富气Wi和烟灰体积分数的影响更显著,对CO和NOx浓度的影响趋势相反。在一定的运行条件和二甲醚含量下,沼气池的组成对双燃料混合发动机的性能和排放影响不大。在固定的总当量比下,柴油喷射的减少会导致Wi和NOx浓度的增加,而CO和烟灰体积分数的减少。柴油喷射量越低,二甲醚含量对燃烧性能和污染物排放的影响越显著。在给定的运行条件和相同的全局等效比下,biogas-DME PCCI燃烧模式比biogas-DME双燃料燃烧模式更有利。用二甲醚二甲醚混合动力双发动机的二甲醚二甲醚先导点火代替柴油先导点火是提高发动机性能和减少污染排放的最优解决方案。


相关论文以题为“Soot Emission Reduction in a Biogas-DME Hybrid Dual-Fuel Engine”发表在《Applied Sciences》上。




尽管进行了不懈的尝试将电力引入交通领域,但内燃机(ICE)仍将是未来几十年主要的汽车推动力。在传统内燃机中,压缩点火(CI)发动机由于压缩比高、燃烧稀薄、泵送损失小,热效率优于火花点火(SI)发动机。然而,CI发动机的缺点是扩散燃烧特性导致NOx和soot的高排放。同时减少NOx和soot的排放确实是一个挑战,因为这两种污染物之间存在权衡关系。烟尘颗粒一般是由扩散火焰的不均匀和局部富燃料区域产生的,而NOx是在化学计量空气-燃料反应区域周围的高温区域形成的。扩散燃烧阶段的减少有助于显著减少烟尘排放。大量研究表明,通过改变单一燃料的性能很难提高CI发动机的性能和排放。预计双燃料模式比传统的柴油CI发动机提供了更好的燃烧控制方式。这是由于燃料混合空气混合物的燃烧特性强烈依赖于燃料汽化、燃料-空气混合过程和每个组分的燃料化学反应性。


在之前的工作中,研究人员研究了沼气双燃料发动机。研究人员发现双燃烧模式是一个有效的解决方案的沼气应用在内燃机上。但是,改变沼气与柴油的燃料比并不能提高沼气的火焰速度,在一定工况下影响发动机的性能和排放。因此,研究提高沼气火焰速度的技术,对于这种燃料在内燃机上的有效应用是很重要的。二甲基二甲醚十六烷值高,是CI发动机中柴油的潜在替代品,但不是SI发动机的合适燃料。但由于沼气辛烷值较高,二甲醚可以作为双燃料燃烧模式下沼气的助燃剂。这是一种生物气-二甲醚混合双燃料发动机的新概念,在文献中似乎很少发现。


本研究的目的是为发展沼气-二甲醚混合双燃料发动机的新概念作出贡献,其中二甲醚是一种燃烧增强剂。本研究将在改造后的单缸柴油机上进行仿真。将详细研究二甲醚含量、沼气成分和柴油喷射对发动机性能和排放,特别是烟灰排放的影响。


研究材料


在某柴油发动机的改造上,对一种双燃料生物柴油混合动力发动机的燃烧和排放特性进行了模拟。它是由一个单缸,4冲程RV165-2N Vikyno发动机与105毫米的内径,和97毫米的行程;在柴油加油模式下,2400转/分的最大输出功率为16.5马力。经过改装的发动机的压缩比从原来的20降低到18,以适应双燃料燃烧。气体燃料混合物通过描述的特定供应阀供应到进气歧管。图1为改造后的沼气池双燃料混合发动机的燃烧室和进气歧管(a)和网格计算空间(b,c)。



图1.改造后的生物气-二甲醚(DME)混合双燃料发动机的燃烧室、进气歧管(a)和啮合计算空间(b、c)。


混合物制备和燃烧分析


图2a为在曲轴角50°、330°、350°和355°CA四个位置下,biogas-DME混合双发动机在不燃烧情况下HC、氧浓度和气流速度场的等值线。生物二甲醚在注入后气态迅速扩散到气流中。进气歧管内的燃料分布不均匀。富混合气区域位于生物气-二甲醚喷嘴的另一侧,导致进气口方向气缸内的燃料浓度略高。


在压缩过程中,气缸内燃料-空气混合气分布依赖于气速场,在燃烧室顶部的气速场非常强(图2a)。因此,在压缩过程结束时,靠近进气道的燃烧室半空间内的混合气含量略高于另一侧。进气阀关闭后,进入气缸的燃料和空气量不变;因此,在柴油喷射点火开始之前,混合物的整体当量比保持稳定(图2b)。



图2。biogas-DME混合双燃料发动机燃气混合过程(测距装置m7c3 - 30%, n = 2000 rpm,ϕ0.83/1.00,没有燃烧)。(a) 50、330、350、355℃CA时HC、O2浓度和速度场的等高线。(b)变化的全球等价比率ϕ和柴油颗粒密度与曲柄角(DPD)。


图3d的结果表明,CO是在燃烧过程开始时产生的。CO浓度逐渐升高,在380℃左右达到最大值,然后由于CO的氧化作用而下降。从图3a可以看出CO主要集中在燃烧后的混合物中,在火焰前缘后面。CO浓度达到一个稳定的平衡值,这取决于当量比和温度。


之后活塞通过TDC时记录了NOx的形成,燃烧温度达到1250℃K左右,如图3d所示。NOx的生成主要发生在高温反应区域(图3a)。NOx浓度在与峰值温度近似相同的位置达到最大值。然后它几乎保持一个稳定的值,直到扩张过程结束。


烟尘浓度在柴油燃烧开始时就出现了,在柴油完全燃烧后达到了第一个峰值,如图3d所示。第二个峰值是温度峰值。结果表明,油烟浓度与柴油浓度和温度有关。烟炱浓度最高的区域是柴油射流边缘,扩散燃烧发生的区域(图3a)。在第二个峰后,由于煤烟氧化,煤烟体积分数下降。废气中的煤烟浓度远低于其最大值(图3d)。



图3.温度和污染物浓度的变化与曲柄角燃烧和扩张过程中(测距装置m7c3 - 30%, n = 2000 rpm,ϕ0.83/1.00)。(a) TDC时温度、HC、柴油、CO、NOx浓度和烟灰体积分数的等高线;(b)总燃料浓度和柴油浓度的变化;(c)缸内压力和放热速率的变化;(d) T、NOx、CO、烟灰体积分数随曲柄转角的变化。


二甲醚(DME)含量的影响


图4比较了在2400转/分工况下,发动机以沼气M7C3和M7C3-40% DME为燃料时,370°CA时燃料浓度、温度、NOx和烟灰体积分数的等高线。等价比率在这两种情况下ϕ0.77/0.97和相同的注入时机在350°CA。可以看出,在相同曲柄角位置下,M7C3-40% DME燃料模式下的混合燃料燃烧量大于沼气M7C3燃料模式。这是由于在沼气中加入二甲醚后,火焰速度加快所致。燃料消耗的增加导致了温度的升高,从而增加了燃烧过程第一阶段的NOx和烟灰的形成。结果表明,沼气M7C3-40% DME燃料模式下的最高温度为2450℃、1500ppm、0.16 ppm,而沼气M7C3-40% DME燃料模式下的最高温度为2550℃、3600ppm、0.4 ppm。



图4.轮廓的燃料浓度、温度、氮氧化物和烟尘体积分数在370°CA当引擎推动沼气M7C3和测距装置M7C3 - 40% (n = 2400 rpm,ϕ0.77/0.97)。


结论


通过以上研究可以得出以下结论:


·在biogas-DME混合双燃料发动机中,CO在燃烧过程开始时产生,主要集中在燃烧后的混合气中,在火焰前缘后面。NOx的生成主要发生在与T &gt反应区;在与峰值温度近似相同的位置达到最大值。油烟在柴油燃烧初期就出现了。在柴油完全燃烧的同一曲柄位置出现第一个峰值,在同一最高温度位置出现第二个峰值;


·在任何一种沼气组成中,当DME含量增加时,Wi和NOx增加,CO和烟灰体积分数降低。二乙二胺对低浓度沼气中Wi和烟灰体积分数的影响比高浓度沼气中更显著,对CO和NOx浓度的影响趋势相反;


·在一定的运行条件、当量比和二甲醚含量下,沼气液的组成对双燃料混合发动机的性能和排放影响不大。固定20%测距装置,从沼气M6C4转向沼气M8C2,象征发动机循环工作增加了3%,最大的气体温度上升了50°K,废气中CO的浓度下降了20%,氮氧化物浓度上升了50%,烟尘体积分数是几乎不变;


·在一个固定的全球等价比率ϕ当ϕ气体增加(例如,ϕ下降),Wi和氮氧化物浓度增加而CO浓度和煤烟体积分数降低。测距装置的影响内容的燃烧特性和污染物排放更重要的在高ϕ气体;


·在相同的运行条件和全局等效比下,无论是发动机性能还是除NOx外的污染物排放,biogas-DME PCCI模式都比biogas-DME混合双模式更有利。相同的全球等价比率ϕ= 0.97,因为它从沼气燃料模式转向沼气- 40%测距装置推动模式,Wi增长了6%和11%,CO排放降低了15%和25%,氮氧化物浓度提高15%和30%为biogas-DME混合双燃料发动机和biogas-DME PCCI引擎,分别。烟尘体积分数降低了鲜明的ϕ的增加气体在混合双燃料发动机,它实际上PCCI引擎中消失了;


·没有柴油先导喷注的沼气- dme PCCI燃烧模式是理想的,但对点火时间和放热特性的控制是一个挑战。因此,用二甲醚二甲醚混合动力双发动机的二甲醚二甲醚先导点火代替柴油先导点火是提高性能和减少污染排放的最优解决方案。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3416/htm



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