随着石油能源对外依存度逐年增大和排放法规的日益严格，寻找高效清洁的替代能源成为缓解石油能源压力和减少内燃机有害排放的重要途径之一。甲醇作为一种可再生燃料，其来源广泛，制备工艺成熟，有着较为优越的理化性质，前期的研究表明，采用柴油/甲醇双燃料燃烧（DMDF-Diesel/Methanol Dual Fuel）方式将甲醇作为燃料应用于压燃式发动机上，不仅能实现对柴油的替代，而且能够降低发动机有害排放，对实现节能减排的目标有着重要的意义。随着我国排放法规的逐步加严，特别是近年来公众对大气中雾霾出现的日益关注，探讨一条低颗粒物排放的压燃式发动机清洁燃烧之路是摆在内燃机学科的一个重要任务。本课题在是在对DMDF燃烧特性的大量研究基础上，针对压燃式发动机采用DMDF燃烧方式并结合对气体排放、烟度排放和微粒排放的尾气后处理技术进行了深入研究，主要研究工作及其所得的结论如下：
首先，针对发动机在燃用甲醇燃料时非常规排放-甲醛检测方法进行比较研究，分别使用气相色谱法（GC），高效液相色谱法（HPLC）和傅里叶红外变换分析法（FTIR）对同一工况下发动机燃用不同掺混比例的甲醇/汽油时甲醛排放进行检测，检测结果表明傅里叶红外光谱分析法对甲醛的检测值高于色谱法。FTIR操作简单，能够实现实时在线检测，但是由于受到排气中其他物质的干扰以及系统标定的影响，检测精度较色谱法有一定程度的降低；气相色谱法和高效液相色谱法对甲醛的检测具有较好的一致性，且精度较高，但操作复杂，不能实现实时在线检测。
其次，分别对增压中冷机械泵柴油机和增压中冷电控单体泵柴油机进行改造使其实现DMDF燃烧，研究了DMDF燃烧的基本特征以及替代率，进气温度和排气背压对甲醛排放，干炭烟烟度，不透光烟度，微粒数量浓度分布和质量浓度分布的影响。试验结果表明，与传统柴油机相比，DMDF燃烧改变了纯柴油时放热率的形式，推迟了着火始点，使放热率峰值增加，初始放热率急剧升高；双燃料燃烧过程中扩散燃烧的比例降低，预混燃烧的比例增加。特别是小负荷时放热基本是均质压燃的单峰放热形式，大负荷时是准均质预混燃烧的双峰形式，使得DMDF模式形成了以气相燃烧为主的燃烧和放热。与纯柴油相比，DMDF的甲醛排放有较大幅度的增加，且随着替代率的增加，甲醛排放逐渐升高，在高替代率时是纯柴油的十倍以上；DMDF能够大幅度的降低发动机干碳烟烟度和不透光烟度，随着替代率的增加，干炭烟烟度和不透光烟度都逐渐减少，最大降幅在70％以上；DMDF对发动机微粒排放有较大的影响，在中小负荷时，随着替代率的增加，微粒数量浓度和质量浓度逐渐降低，在大负荷时，对于增压中冷电控单体泵柴油机，由于甲醇自燃导致微粒排放有所增加；较高的进气温度对甲醛的生成有一定程度的降低作用，而随着进气温度的降低，微粒数量浓度和质量浓度逐渐减少，随着排气背压的增大，微粒数量浓度和质量浓度逐渐增加。
再者，针对DMDF燃烧及其排放的生成特性，研究了采用后处理技术对发动机有害排放物的影响。试验结果表明，DMDF燃烧结合双DOC（DDOC-double Diesel Oxidation Catalyst）和DOC紧耦合POC（DPOC–Diesel Oxidant Catalyst+Particulate Oxidation Catalyst）能够大幅度降低发动机常规气体排放（HC，CO，NOx）和烟度排放（干炭烟烟度和不透光烟度）以及微粒排放（微粒数量浓度和质量浓度）。对于尾气中甲醛排放，采用DDOC和DPOC可以将其消除，DDOC甚至可以减少到比原柴油机还要低的水平。此外，研究结果还表明，DMDF燃烧方法能够大幅度提高POC对干炭烟烟度的净化效率。与纯柴油模式下POC对干碳烟烟度的净化效率在30%左右相比，DMDF的平均净化效率达到60%以上，最高降幅达到95%。
研究结果还表明，采用柴油/甲醇双燃料燃烧模式，结合DPOC的简单后处理技术，在不需要采用尿素还原的情况下，可以使发动机达到国III以及国IV排放法规要求，并具备达到国V及其以上排放标准的潜力。上述结果对于发动机满足进一步严格的排放法规以及减少石油消耗，提供了一条既高效燃烧又清洁排放的新技术路线。
- 作 者：
- 耿鹏
- 学科专业：
- 动力工程及工程热物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 天津大学
- 导师姓名：
- 姚春德
- 学位年度：
- 2014
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
