二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射及其對(duì)燃燒和排放影響

袁竹林，高廣新

（1.西安汽車科技職業(yè)學(xué)院，陜西 西安710038；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安710049）

1 引言

二甲醚（CH3－O－CH3）的分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含氧量高達(dá)34.8%，且具有較高的十六烷值（55以上），非常適合柴油機(jī)作為替代燃料使用。二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無煙燃燒和較低的能夠達(dá)到國(guó)Ⅲ甚至國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的HC、CO 和 NOx排放［1－4］。二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和PM排放不存在像柴油機(jī)那樣的trade－off關(guān)系［5］，故其NOx排放還可以通過EGR進(jìn)一步降低［6］。但是，由于二甲醚的物性與柴油差別較大，在噴射壓力和正時(shí)等控制參數(shù)等方面需要特別的關(guān)注。

本文將一臺(tái)2102QB柴油機(jī)改裝成二甲醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，開展了不同負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況下，二甲醚供給正時(shí)對(duì)燃料噴射及其發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放影響的研究，為認(rèn)識(shí)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射、燃燒和排放提供了參考數(shù)據(jù)。

2 臺(tái)架試驗(yàn)

改裝的二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)是一雙缸、直噴、水冷、直立柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

油管壓力傳感器為Kistler 4067，缸壓傳感器為Kistler7061B，電荷放大器為Kistler 5011，角標(biāo)傳感器為Kistler 2613B。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要選定為1400、1870和2340r／min，三個(gè)供油提前角分別是19、22和25°CA BTDC。

3 二甲醚燃料的噴射過程

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下實(shí)測(cè)的管壓曲線。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，泵端壓力曲線整體向前推移，表示隨著轉(zhuǎn)速的提高，柱塞套進(jìn)油口的節(jié)流作用增強(qiáng)，泄露量減少。二甲醚噴射的嘴端壓力曲線卻后移，表示二甲醚壓力波傳播時(shí)間以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)延長(zhǎng)。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)噴射過程的影響，主要是使泵端與嘴端油管壓力升高。

圖1 二甲醚燃料的噴射過程

4 噴射正時(shí)對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響

圖2（a）所示為二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)在1870r／min較低負(fù)荷時(shí)供油提前角對(duì)缸壓曲線的影響，通過缸壓曲線可以進(jìn)一步計(jì)算出放熱率曲線如圖2（b）所示。相同轉(zhuǎn)速下，隨二甲醚燃料供給的提前，著火時(shí)刻提前，最大放熱率提高。反映到缸壓曲線上對(duì)應(yīng)的壓力升高時(shí)刻提前，缸壓峰值升高。

圖2 供油提前角對(duì)缸壓和放熱率的影響

結(jié)合圖1，不同負(fù)荷條件下供油提前角對(duì)噴射延遲期和滯燃期的影響如圖3所示。在1870r／min轉(zhuǎn)速下，當(dāng)供油提前角為19°CA BTDC和25°CA BTDC時(shí)，滯燃期分別為9°CA和10°CA，即當(dāng)噴油正時(shí)提前6°CA時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)滯燃期滯后量為1°CA。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，缸內(nèi)溫度較高，滯燃期略有縮短。

圖3 噴油始點(diǎn)和著火點(diǎn)隨供油提前角的變化

圖4是2340r／min工況下3種供油提前角下的燃燒持續(xù)期。隨著供油提前角的增加，燃燒持續(xù)期變化在2°CA以內(nèi)。由此可見，由于二甲醚容易汽化并與空氣形成可燃混合氣，且自燃溫度較低，不同提前角下的燃燒似乎被整體的平移。

圖4 總?cè)紵掷m(xù)期隨供油提前角變化

5 噴射正時(shí)對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

5.1 二甲醚與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放對(duì)比

圖5所示為二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)與其原型柴油機(jī)HC、CO和NOx的排放對(duì)比。圖中可見，二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體排放要比柴油機(jī)低50%以上。二甲醚具有良好的霧化與混合特性，高含氧促進(jìn)燃料的完全氧化，因此可以大大減少過稀區(qū)和過濃區(qū)域的產(chǎn)生，同時(shí)滯燃期短較低了最高燃燒溫度，使二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放減少。

5.2 二甲醚噴射正時(shí)對(duì)排放的影響

圖6所示為二甲醚燃料供油提前角對(duì)排放的影響。圖中可見，當(dāng)二甲醚的供給提前角由上止點(diǎn)前25°CA推遲到19°CA時(shí)，二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放減少超過50%。因此在不惡化二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率的情況下，推遲噴油是降低NOx排放最方便而有效的措施。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用二甲醚與柴油時(shí)排放對(duì)比

圖6 供油提前角對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

6 結(jié)語(yǔ)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)二甲醚燃料的噴射延遲有顯著的影響，但對(duì)滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響較小，為二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒通過噴射正時(shí)優(yōu)化提供方便。

（2）二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體排放較柴油機(jī)的降低超過50%，且HC和CO排放受供油提前角影響較小。供油提前角對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放有顯著的影響，因此二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放可方便地由供給提前控制。

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