二甲醚均質(zhì)充量與柴油噴射復(fù)合燃燒方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

孫志強(qiáng)，金 陽(yáng)，段俊法，2，李巧英

(1.華北水利水電學(xué)院機(jī)械學(xué)院，河南鄭州450045;2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

二甲醚(Dimethyl Ether，DME)作為一種代用燃料，可作為車用燃料，而且來源豐富，可從生物質(zhì)中制取，對(duì)緩解能源危機(jī)有不可忽視的作用.同時(shí)，二甲醚作為燃料具有蒸汽壓高、低沸點(diǎn)、壓燃性好及混合氣形成容易等特性，適合均質(zhì)壓縮燃燒方式［1－3］.

已有大量文獻(xiàn)關(guān)于LPG、丙烷、氫氣、天然氣與DME配合或純DME作為燃料在壓縮著火發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究［4－6］.Chen 等［7］研究了 DME 加入到天然氣中的比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響.Yeom等［8］開展了燃用LPG并輔以DME均質(zhì)壓燃方式運(yùn)轉(zhuǎn)的帶有可變氣門定時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、敲缸和排放特性的試驗(yàn)研究.Arcoumanis C等［9］的研究結(jié)果證明，以DME為燃料的壓縮著火發(fā)動(dòng)機(jī)如果采用高EGR率配以稀NOx捕捉器，可同時(shí)降低NOx和PM.

該試驗(yàn)是先將二甲醚燃料引入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總管，然后與空氣進(jìn)行混合，形成均質(zhì)混合氣后進(jìn)入燃燒室.在壓縮行程至上止點(diǎn)附近，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)將柴油噴入燃燒室，從而實(shí)現(xiàn)了二甲醚與柴油的復(fù)合燃燒.研究過程中，對(duì)試驗(yàn)所用的GW4D20電控高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，并對(duì)缸內(nèi)壓力和排放進(jìn)行了測(cè)試.

1 二甲醚與柴油理化特性比較

二甲醚分子結(jié)構(gòu)式為CH3－O－CH3，常溫下能迅速與新鮮空氣形成良好的混合氣，縮短著火延遲，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的冷啟動(dòng)性能.二甲醚的十六烷值大于55，高于柴油，具有良好的自燃特性，非常適合壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，被稱為21世紀(jì)最理想的柴油代用燃料［10］.表1為二甲醚和柴油的主要理化特性對(duì)比.

表1 二甲醚和柴油的理化特性

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)在長(zhǎng)城GW4D20型4缸、電控高壓共軌、渦輪增壓中冷帶EGR直噴式柴油機(jī)上進(jìn)行，其主要技術(shù)參數(shù)見表2.試驗(yàn)過程中，為使發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)良，燃油溫度通過燃油溫控裝置控制在40℃以內(nèi)，通常在38℃左右;進(jìn)氣中冷后溫度維持在50℃以內(nèi);發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水出水溫度維持在80℃左右;潤(rùn)滑油溫度維持在90℃左右.

表2 GW4D20型增壓柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 測(cè)試儀器設(shè)備

試驗(yàn)過程中使用的主要儀器設(shè)備:發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試儀器選擇由湘儀動(dòng)力有限公司生產(chǎn)的PC2000型電渦流測(cè)功機(jī)和測(cè)控調(diào)節(jié)系統(tǒng);燃燒分析系統(tǒng)為瑞士KISTLER公司生產(chǎn)的KiBox燃燒分析儀，每0.1°CA記錄一次;尾氣排放儀器由日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA－7100D型氣體排放測(cè)試儀測(cè)量，所測(cè)氣體包括NOx，HC，CO，CO2和O2，HC 和CO 排放采用不分光紅外吸收法測(cè)量，NOx排放采用電化學(xué)原理測(cè)量;煙度測(cè)量采用的是AVL公司生產(chǎn)的DISMOKE 4000不透光煙度計(jì);DME消耗量由上海友生衡器有限公司制造的XK3100－B2+高精度電子稱測(cè)量，其精度為1 g;利用DELPHI公司的VISU 98軟件系統(tǒng)對(duì)電控高壓共軌柴油機(jī)的ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)控制與監(jiān)測(cè).

為了能夠成功實(shí)現(xiàn)二甲醚均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒，對(duì)長(zhǎng)城GW4D20發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了改造.因?yàn)镈ME的物理性質(zhì)與液化石油氣接近，采用液化石油氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)存二甲醚.試驗(yàn)中，燃料供給系統(tǒng)采用2條通道:通道1為傳統(tǒng)的柴油供給系統(tǒng)，經(jīng)過柴油濾清器到油耗儀，然后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī);通道2為DME燃料的供給，DME燃料從氣罐經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)壓至0.2 MPa左右，引入進(jìn)氣管，氣罐放在高精度電子稱上可以實(shí)現(xiàn)DME消耗量的測(cè)量.之所以將DME出口壓力調(diào)至0.2 MPa，是因?yàn)樵诔Ｓ棉D(zhuǎn)速較大負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓中冷后壓力在0.2 MPa以內(nèi).二甲醚的進(jìn)氣管采用耐高壓管連接，然后通過壓力調(diào)節(jié)閥，可以使二甲醚被直接引入到進(jìn)氣總管中，在進(jìn)氣總管迅速汽化并與空氣混合，得到預(yù)混混合氣，然后由進(jìn)氣管進(jìn)入各氣缸.根據(jù)前期試驗(yàn)，進(jìn)氣預(yù)混量的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較大，進(jìn)氣預(yù)混量太大，發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)爆震;進(jìn)氣預(yù)混量太小，對(duì)燃燒的改善效果不明顯.其中在DME均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒方式中，在不發(fā)生爆燃的情況下，維持DME進(jìn)氣預(yù)混量為1.89 kg/h不變.試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于正常使用過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速在2 000 r/min左右，所以試驗(yàn)選該轉(zhuǎn)速為研究基準(zhǔn)點(diǎn).

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

圖2是發(fā)動(dòng)機(jī)按純柴油燃燒方式運(yùn)行和按DME均質(zhì)充量預(yù)混與柴油復(fù)合燃燒方式運(yùn)行的燃料消耗隨負(fù)荷變化的對(duì)比，對(duì)比分析時(shí)，燃料的消耗量為柴油的消耗量與將二甲醚按熱值折算成柴油后的消耗量之和，即

式中:Bm為總?cè)剂舷?，kg/h;Bdiesel為柴油消耗量，kg/h;BDME為DME消耗量，kg/h;HuDME為DME低熱值，MJ/kg;Hudiesel為柴油低熱值，MJ/kg.

由圖2可知，二甲醚均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒的燃料消耗在小負(fù)荷時(shí)比純柴油燃燒模式稍高，在中等或大負(fù)荷時(shí)(平均缸內(nèi)壓力0.41 MPa以上)稍低.這是由于在小負(fù)荷時(shí)，二甲醚的相對(duì)量占總?cè)剂舷牧枯^大，而柴油熱值是二甲醚熱值的1.5倍，在發(fā)出的功率相同的前提下，必然造成總?cè)剂舷牧康脑黾?在中等或大負(fù)荷時(shí)，二甲醚占總?cè)剂舷牡谋壤郎p小，如平均有效壓力在0.41 MPa時(shí)，柴油的消耗量為12.39 kg/h，而二甲醚的消耗量仍維持在1.89 kg/h，折算成柴油為 1.26 kg/h.另外，隨著負(fù)荷的增加，從進(jìn)氣管引入DME后，由于二甲醚的自燃溫度低，在壓縮上止點(diǎn)前DME就開始進(jìn)行均質(zhì)壓縮燃燒，使得缸內(nèi)溫度水平提高，而柴油噴入時(shí)刻比較晚，這樣就使柴油燃燒的滯燃期、預(yù)混燃燒和混合控制燃燒均有不同程度的加快，總的燃燒時(shí)間縮短，定容度增加，所以，經(jīng)濟(jì)性提高.這一結(jié)果也反映在圖3所示的熱效率隨負(fù)荷變化的曲線上.所以，采用復(fù)合燃燒方式后，可以提高中等或大負(fù)荷時(shí)(平均缸內(nèi)壓力0.41 MPa以上)的有效熱效率.

3.2 排放性分析

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，DME均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒下的NOx排放比純柴油燃燒時(shí)的NOx排放少.這是因?yàn)镈ME在20℃時(shí)的蒸發(fā)壓力為0.45 MPa，而中冷后的空氣壓力在0.2 MPa以下，所以DME進(jìn)入進(jìn)氣管后，迅速汽化，并與空氣混合，又因?yàn)镈ME在20℃的汽化潛熱為 466 kJ/kg，遠(yuǎn)高于柴油的290 kJ/kg.所以，DME汽化時(shí)吸收大量的熱，使經(jīng)過中冷器后的空氣溫度進(jìn)一步降低，從而降低了缸內(nèi)的燃燒溫度.而NOx的生成速率主要取決于溫度，尤其是缸內(nèi)燃燒溫度在1 800 K及以上時(shí)，會(huì)使NOx的生成速率呈指數(shù)上升，溫度稍有變化，就會(huì)影響NOx的生成.采用部分均質(zhì)充量引入少量的DME后，可以降低缸內(nèi)燃燒溫度，從而降低NOx排放;另外在DME均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒方式下，燃燒所需柴油量比傳統(tǒng)純柴油機(jī)所需量少，預(yù)混燃燒的量相應(yīng)也減少，NOx排放量也少.在DME進(jìn)氣預(yù)混量為1.89 kg/h條件下，隨著負(fù)荷的增加，NOx排放降低得比較多，可能是由于在大負(fù)荷時(shí)廢氣再循環(huán)對(duì)復(fù)合燃燒方式中二甲醚均質(zhì)壓縮燃燒階段影響較大［11－12］.

圖4 NOx排放隨負(fù)荷的變化曲線

圖5是發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放量隨負(fù)荷的變化曲線.試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為4氣閥電控高壓共軌渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放量很低.這是因?yàn)椴捎盟臍忾y和廢氣渦輪增壓后大大增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量，提高了燃料燃燒時(shí)的空燃比.并且柴油采用多孔小孔徑噴嘴噴射，大大提高了霧化質(zhì)量，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放［13］.

圖5 碳煙排放隨負(fù)荷的變化曲線

由圖5可知，二甲醚均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒模式的碳煙排放量相當(dāng)?shù)?這是由于在二甲醚均質(zhì)燃燒階段，二甲醚化學(xué)分子中無C—C鍵的分子結(jié)構(gòu)，燃燒時(shí)容易分解進(jìn)行氧化反應(yīng)，不容易聚合形成碳煙晶核;二甲醚又是自含氧燃料，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)34.8%.如果發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純二甲醚時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無煙排放，所以比純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放量大幅降低;同時(shí)由于在相同工況下，在二甲醚均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒方式中柴油的量較純柴油燃燒方式的純柴油量少，且碳煙主要是在擴(kuò)散燃燒中產(chǎn)生，而二甲醚的均質(zhì)壓縮燃燒促進(jìn)了后面柴油的擴(kuò)散燃燒，因此在大負(fù)荷時(shí)，碳煙排放比純柴油的燃燒方式降低了很多.

4 結(jié)語(yǔ)

1)在二甲醚進(jìn)氣預(yù)混量控制在不發(fā)生爆燃的前提下，二甲醚均質(zhì)充量與柴油的復(fù)合燃燒方式對(duì)于提高大負(fù)荷時(shí)的有效熱效率有顯著的作用，并且能夠降低燃油消耗量.

2)二甲醚均質(zhì)充量與柴油的復(fù)合燃燒方式能有效降低NOx排放和碳煙排放，所以二甲醚可以作為一種新型的環(huán)保燃料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)方面進(jìn)行廣泛的研究和推廣.

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