含氧混合燃料的燃烧与排放特性

1、含氧混合燃料的燃烧 和排放特性 汇报人：吴杨春 学 号：M060114133 柴油机燃用柴油碳酸二甲酯(DMC)混合燃 料的燃烧与排放特性 柴油机使用柴油工作时，由于柴油是分子量较大的碳氢化 合物，因此，柴油机燃烧特点是中高负荷运行时由于混合气局 部缺氧，往往产生较大的碳烟排放。近年来一种较为有效地手 段是在柴油中混合一定比例的高含氧添加剂，使混合燃料中具 备一定的氧含量，从而在燃烧过程提供氧和降低混合气局部缺 氧问题，进而达到降低柴油机碳烟排放的目的。碳酸二甲酯含 氧量高达533，一定比例下和柴油互溶时无需助溶剂，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，作为柴

2、油含氧添加剂具有很好的效果。 1、燃料特性 为验证柴油添加碳酸二甲酯降低碳烟的效果，在一台单缸柴油机上进行了 实验研究，表111和表112分别给出了发动机参数和燃料特性。与柴油相 比，碳酸二甲酯具有较高的含氧量，较低的热值和十六烷值。 实验中配置10和20体积比例碳酸二甲酯的含氧混合燃 料进行实验并记录了缸内压力数据。 为便于分析，对燃烧参数进行了如下定义： 着火滞燃期：从针阀开启(喷油始点)到压力急速升高的始点 (燃烧始点) 主燃烧期：从压力急速升高的始点到压力急速升高的终点 总燃烧期：从压力急速升高的始点到放热结束。 图111给出了混合燃料质量含氧量、十六烷值、低热值和 气化潜热随DMC掺

3、混比例的关系。 由于DMC的十六烷值比柴油低，因此混合燃料的十六烷值随 DMC掺混量的增加而略有下降，这将导致混合燃料着火滞燃期随 DMC的增加而增加；此外，随着DMC的增加，混合燃料的热值降低， 需要喷入更多的混合燃料以保证得到相同的做功输出，而汽化潜热 的增加使燃油蒸发带来的缸内温降增加。 2、柴油及柴油DMC混合燃料的放热率曲线 由于DMC的添加使得 混合燃料的滞燃期增加， 因而，随着柴油中的 DMC掺混比例的增加， 混合燃料的燃烧始点随 着DMC掺混比例的增加 而被延迟，但混合燃料 的燃烧结束时刻相差不 大，这表明柴油中DMC 的添加促进了混合燃料 的燃烧过程，使得混合 燃料的燃烧持续

4、期随着 DMC的添加而缩短。 3、混合燃料燃烧期 在相同的负荷下，混合燃料 着火滞燃期随DMC添加比例的增 加而增加，相同DMC掺混比例时， 滞燃期随发动机负荷的升高而缩 短。产生这一结果的原因是，混 合燃料十六烷值随DMC掺混比例 的增加而下降，同时，混合燃料 汽化潜热值随DMC的增加而增加， 导致喷油时刻缸内气体平均温度 下降。DMC掺混比例相同时，缸 内热力状态随发动机负荷的增加 而提高。 实验表明，混合燃料的主 燃烧期随DMC的添加变化很小， 这表明，对于不同DMC掺混比 例的混合燃料，燃烧一旦开始， 主燃烧阶段的燃烧将以相同的 速率进行。混合燃料的总燃烧 持续期随DMC的添加变化很小

5、； 对于同一种混合燃料，总燃烧 持续期随负荷的增加而呈现出 线性增加趋势 3、混合燃料的缸内最大压力值及其对应的曲轴转角随 DMC 掺混比例的关系 在中、高负荷时，混合燃料燃烧 最大压力值随DMC的增加而略有增加； 在低负荷时，混合燃料燃烧最大压力 值随DMC的增添加而略有下降。中、 高负荷时，最大压力对应的曲轴转角 随DMC的添加基本上不发生变化，但 混合燃料预混燃烧量却随DMC的增加 而增加，燃烧过程等容性提高，最大 压力值增加。 ；低负荷时，DMC的 添加使混合燃料燃烧放热过程被推迟， 最大压力对应的曲轴转角随DMC掺混 比例的增加而略微增加，燃烧过程等 容性下降。 4、混合燃料的最大放

6、热率值及其对应的曲轴转角随 DMC掺混比例的关系 最大放热率和及其对应的曲轴转角随DMC掺混比例的变化趋势 与最大压力升高率及其对应的曲轴转角随DMC掺混比例的变化趋 势基本相同。实验结果表明，在中高负荷时，DMC的添加可以提 高最大放热率值，此时发动机排气碳烟浓度相对较高，添加含氧 燃料对降低碳烟和促进燃烧有较好效果。 5、最高平均气体温度Tmax及其对应的曲轴转角 随DMC掺混比例的关系 在相同的负荷下，Tmax随混合燃料中DMC掺混比例的增加而 略有降低，由于DMC的添加使混合燃料的汽化潜热增加，混合燃 料低热值降低，导致喷入缸内的燃料量增加，这使得混合燃料燃 烧产物的质量(或热容)增加

7、，从而降低最高平均气体温度。当混 合燃料中DMC掺混比例小于5时， Tmax对应的曲轴转角随DMC 掺混比例的增加而增加；当混合燃料中DMC掺混比例大于5时， 对于不同DMC掺混比例的混合燃料， Tmax对应的曲轴转角基本 相同。 6、混合燃料的有效燃油消耗率(BSFC)与发动机负 荷(BMEP)的关系 在相同负荷下，有效燃油消耗率随混合燃料中DMC掺混比 例的增加而增加。DMC的添加使混合燃料的低热值下降，为了 获得相同的功率输出，发动机需要供给更多的燃料量。 7、当量柴油热值有效燃油消耗率(diesel equivalent BSFC)与发动机负荷(BMEP)的关系 当量柴油热值有效燃油消

8、耗率由公式: 对于不同DMC掺混比例的混合燃料，当量柴油热值燃油消耗率没有 发生明显的变化。由于混合燃料自带氧，使得扩散燃烧过程得到改善，扩 散燃烧的改善使燃烧过程整体燃烧速率提高，带来功率输出的增加；同时， 着火滞燃期随DMC掺混比例的增加而增加，导致预混燃烧量增加，而预 混燃烧量的增加，将产生高燃烧压力和较大的功率输出。综合作用使混合 燃料当量柴油热值有效燃油消耗率随DMC掺混比例的增加而呈现略微下 降的趋势。 8、混合燃料的有效热效率随发动机负荷的关系 有效热效率与当量柴油热值有效燃油消耗率的关系： 两参数之间呈反比例关系，当量柴油热 值有效燃油消耗率能够更好的反映出混合 燃料的有效热效

9、率。 9、柴油掺混不同比例DMC时排气CO浓度随负荷的关系 试验结果表明，CO随 DMC掺混比例的增加而降 低，这一趋势在高负荷时 更为明显。DMC的添加使 得混合燃料具有自带氧能 力，这不仅会抑制不完全 燃烧过程中CO的产生，特 别是扩散燃烧阶段CO的生 成，并且会促进发动机膨 胀过程和排气过程CO的后 氧化。 10、混合燃料碳烟排放 发动机排气碳烟随DMC的增 加而明显降低，这与CO随DMC掺 混比例增加的变化趋势一致。碳 烟主要生成在扩散燃烧阶段， DMC的添加使得混合燃料含氧， 从而促进了扩散燃烧。同时，含 氧燃料的添加促进了碳烟在随后 的膨胀阶段和排气过程中的后氧 化。低转速时，碳烟

10、在膨胀阶段 和排气过程中的氧化时间较长， 碳烟随混合燃料DMC含量(或氧含 量)增加而降低的趋势更加明显。 在发动机转速为1 800 r/min时， 混合燃料含氧量每增加10，碳 烟降低2030；而在发动机 转速为1200 r/min时，碳烟降低 2535 11、混合燃料氮氧化物排放 在相同负荷下，发动机 NOx浓度的最大值出现在 DMC掺混比为10% (体积) (即含氧量为7(质量)时， 此后，随着DMC掺混比例的 进一步增加，NOx浓度呈而 下降趋势。NOx受预混燃烧 量、过量空气系数，气体温 度的综合影响。高负荷时， 较高的温度有利于NOx的形 成，DMC的添加提供了一部 分氧，这同样有利于NOx的 形成。 12、混合燃料碳烟排放和氮氧化物排放的关系 上图给出了相同的负荷和 转速下氮氧化物排放和碳烟 排