電控高壓共軌柴油機(jī)摻燒甲縮醛燃料燃燒特性研究*

李強(qiáng)1,2　徐向陽(yáng)2

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，濰坊261206；2.北京航空航天大學(xué)，北京100191）

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電控高壓共軌柴油機(jī)摻燒甲縮醛燃料燃燒特性研究*

李強(qiáng)1,2徐向陽(yáng)2

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，濰坊261206；2.北京航空航天大學(xué)，北京100191）

【摘要】以某電控高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，研究燃用4種比例的甲縮醛柴油混合燃料對(duì)其燃燒特性的影響。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不改變柴油機(jī)的燃油供給系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)，在等過(guò)量空氣系數(shù)和等轉(zhuǎn)速下，添加甲縮醛后，最大壓力升高率提高64.3%，壓力峰值提前；熱效率增加，放熱率峰值提前；擴(kuò)散燃燒期縮短，預(yù)混燃燒期未明顯增長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期縮短；當(dāng)量油耗降低。研究結(jié)果表明，添加甲縮醛改善了柴油機(jī)的燃燒特性。

1　前言

為了加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、滿足日益嚴(yán)格的法規(guī)要求和節(jié)約石油資源，在柴油中摻混含氧燃料以改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放和燃燒特性的研究工作在國(guó)內(nèi)外廣泛進(jìn)行[1～10]。姚春德等人進(jìn)行了電控共軌柴油機(jī)應(yīng)用柴油和乙醇組合燃燒的氣體排放及燃料經(jīng)濟(jì)性研究[1]。任毅等人進(jìn)行了柴油機(jī)燃用甲縮醛（DMM）柴油混合燃料的燃燒特性和排放研究[8]。呂興才等人進(jìn)行了預(yù)混合DMM對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響研究[9]。朱瑞軍等人進(jìn)行了柴油機(jī)摻燒DMM的燃燒與排放性能研究[10]。以上研究雖然取得了一些研究成果，但針對(duì)電控高壓共軌柴油機(jī)燃用DMM燃料燃燒性能的研究還不夠廣泛，試驗(yàn)方法、評(píng)定方法及參數(shù)選取還不夠全面，仍存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究。

本文以一臺(tái)JE493ZLQ4CB型電控高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，在不改變柴油機(jī)的燃油供給系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的情況下，采用DMM摻混比例為0、10 %、15 %、20 %的混合燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，并在等轉(zhuǎn)速和等過(guò)量空氣系數(shù)條件下，研究柴油機(jī)燃用該4種混合燃料時(shí)的燃燒特性及燃油經(jīng)濟(jì)性。

2　DMM與柴油的對(duì)比

DMM常溫下為無(wú)色、無(wú)毒的液體，在常溫常壓下能完全溶解于柴油，含有42.1 %的氧，分子結(jié)構(gòu)中無(wú)C-C鍵，只有C-H鍵和C-O鍵；其沸點(diǎn)低，有助于燃料的混合、霧化；其低熱值低于柴油，汽化潛熱值比柴油大。

DMM和柴油的物理性質(zhì)如表1所列。

表1　DMM和柴油物理性質(zhì)比較

3　試驗(yàn)設(shè)備及方案

3.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用KISTLER石英壓力傳感器、角標(biāo)器和電荷放大器來(lái)測(cè)錄發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖；利用FC2210智能油耗儀來(lái)測(cè)錄發(fā)動(dòng)機(jī)油耗；利用GW300電渦流測(cè)功機(jī)測(cè)量扭矩和轉(zhuǎn)速；利用FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等有關(guān)參數(shù)。

表2所示為試驗(yàn)用柴油機(jī)參數(shù)。

表2　試驗(yàn)用柴油機(jī)參數(shù)

3.2試驗(yàn)方案

圖1所示為試驗(yàn)所用的臺(tái)架布置方案。

圖1　試驗(yàn)設(shè)備布置方案

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 DMM對(duì)柴油主要性質(zhì)的影響

圖2為DMM含量對(duì)混合燃料十六烷值的影響?？梢钥闯觯旌先剂系氖橹惦S著DMM添加比例的增加而降低。因DMM的十六烷值低，隨著DMM添加比例的增加，混合燃料的十六烷值減小，所以當(dāng)DMM添加比例增加到一定程度，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒品質(zhì)的惡化。

圖2　DMM對(duì)混合燃料十六烷值的影響

圖3為試驗(yàn)用燃料的低熱值隨DMM添加比例的變化趨勢(shì)。圖4為DMM含量對(duì)混合燃料含氧量的影響?？梢钥闯觯旌先剂系牡蜔嶂惦S燃料中DMM比例的增加而降低；而其含氧量與DMM的含量成線性正比例關(guān)系。由于混合燃料中含氧，且DMM的低熱值比柴油低，因此隨著燃料中DMM比例的增加，若不增加循環(huán)供油量，則將會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率。

圖3　DMM對(duì)混合燃料低熱值的影響

圖5為DMM含量對(duì)燃料汽化潛熱的影響?？梢钥闯?，隨著DMM的增加，混合燃料的汽化潛熱隨之增加，燃油的汽化會(huì)使缸內(nèi)溫度下降。

4.2 DMM對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的影響

圖4　DMM對(duì)混合燃料含氧量的影響

圖5　DMM對(duì)混合燃料汽化潛熱的影響

為了研究DMM對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的影響，選用過(guò)量空氣系數(shù)λ=2.2、轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6和圖7分別為燃用不同比例DMM混合燃料時(shí)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力變化規(guī)律曲線和壓力升高率變化規(guī)律曲線。可以看出，添加DMM后的燃料最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率比純柴油大，最大壓力升高率增幅可達(dá)64.3 %，壓力峰值提前，最高壓力隨DMM添加比例的增加先增加后略有降低。這是由于低比例DMM時(shí)，DMM富含氧且沸點(diǎn)低，促進(jìn)了油分子和氧分子的碰撞，從而使燃燒過(guò)程得到改善，預(yù)混合燃燒燃油量增多，加快了燃燒進(jìn)程，燃燒持續(xù)期變短，缸內(nèi)壓力和壓力升高率也隨之升高；高比例DMM時(shí)，DMM的十六烷值和低熱值都比柴油低，過(guò)多的DMM使得燃燒品質(zhì)受到一定程度影響，最高壓力與低比例DMM時(shí)略有降低，但燃燒持續(xù)期變短，壓力升高率仍然較高。

圖6　壓力示功圖

圖7　壓力升高率曲線

圖8和圖9分別為燃用不同比例DMM混合燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率曲線和累計(jì)放熱率曲線。可以看出，添加DMM的混合燃料和純柴油具有相似的放熱規(guī)律，且隨著DMM添加比例的增加，放熱率峰值隨之上升，同時(shí)添加DMM的混合燃料擴(kuò)散燃燒期減小，預(yù)混燃燒期略有增加，燃燒持續(xù)期縮短。這是因?yàn)榉艧崧史逯抵苯臃从硡⑴c混合燃燒的燃料量，放熱率峰值越大則參與預(yù)混燃燒的燃油份額就越大；雖然DMM的十六烷值低，但沸點(diǎn)也低，燃料進(jìn)入燃燒室后，DMM迅速氣化并形成可燃混合氣，同時(shí)混合氣中的含氧量提高，促進(jìn)了燃燒進(jìn)程，從而使得擴(kuò)散燃燒期縮短，預(yù)混合燃燒期沒(méi)有明顯變長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期縮短，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，有利于抑制碳煙和顆粒物的形成及CO的氧化。

4.3 DMM對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖8　放熱率曲線

圖9　累計(jì)放熱率曲線

由于DMM的低熱值低于柴油，所以不能用油耗率來(lái)比較燃用DMM和柴油混合燃料的經(jīng)濟(jì)性。為此引入當(dāng)量有效燃油消耗率：式中，b為有效燃油消耗率；HLb為混合燃料的低熱值；HLd為柴油的低熱值。

圖10和圖11為兩種轉(zhuǎn)速下不同DMM比例混合燃料柴油機(jī)當(dāng)量燃油消耗率曲線?？梢钥闯觯砑覦MM后，在中低轉(zhuǎn)速下當(dāng)量油耗低于純柴油，混合燃料的經(jīng)濟(jì)性好，在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷下與純柴油的當(dāng)量油耗相當(dāng)。DMM添加比例為10 %～15 %時(shí)降低油耗的效果最為理想，燃油經(jīng)濟(jì)性最好，同時(shí)基本保持原機(jī)功率。能夠降低油耗的原因是DMM富含氧，在燃燒過(guò)程中氧元素起助燃作用，尤其在噴霧核心等燃料濃度高的區(qū)域，提高了燃料與空氣的比例，降低了燃料缺氧燃燒的機(jī)率，使得燃燒過(guò)程得到改善，有效熱效率高于柴油。

圖10　n=2 300 r/min時(shí)DMM對(duì)柴油機(jī)當(dāng)量油耗的影響

圖11　n=3 600 r/min時(shí)DMM對(duì)柴油機(jī)當(dāng)量油耗的影響

5　結(jié)束語(yǔ)

a.等轉(zhuǎn)速、等過(guò)量空氣系數(shù)和等噴油正時(shí)保證了統(tǒng)一的燃燒條件，能夠合理的評(píng)定摻混不同比例的DMM燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的影響。在不改變柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的情況下，DMM摻混比例不大于20 %對(duì)改善柴油機(jī)燃燒性能較好。

b.在同一工況下，添加DMM使柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力和最大壓力升高率增大，最高壓力峰值提前，最高壓力隨DMM添加比例的增加先增加后略有降低。

c.添加DMM燃料后，使得柴油機(jī)放熱率峰值增大，熱效率提高，擴(kuò)散燃燒期減小，預(yù)混燃燒期沒(méi)有明顯變長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期縮短。

d.添加DMM燃料后，在中低轉(zhuǎn)速下當(dāng)量油耗較低，經(jīng)濟(jì)性好；在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷下，當(dāng)量油耗變化不大。DMM添加比例為10 %～15 %時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性最好，且基本保持原機(jī)功率。

參考文獻(xiàn)

1姚春德,劉軍恒,陽(yáng)向蘭,等.電控共軌柴油機(jī)應(yīng)用柴油/乙醇組合燃燒的氣體排放及燃料經(jīng)濟(jì)性.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2011, 29（2）:105～111.

2魏立江,姚春德,劉軍恒,等.柴油/甲醇二元燃料重載柴油機(jī)的進(jìn)排氣分析與燃料效率.工程熱物理學(xué)報(bào)，2013, 34（3）:563～567.

3雷基林,申立中,畢玉華,等.乙醇生物柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012, 43（11）:6, 21～25.

4顧小磊,俞建達(dá),黃佐華,等.正丁醇和異丁醇對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014, 32（2）:131～ 137.

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8任毅,黃佐華,蔣德明,等.柴油機(jī)燃用柴油/二甲氧基甲烷混合燃料的燃燒特性研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2005, 23（2）: 97～104.

9呂興才,馬駿駿,吉麗斌,等.預(yù)混合二甲氧基甲烷對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008, 14（6）:511～516.

10朱瑞軍,王錫斌,苗海燕,等.柴油機(jī)摻燒DMM的燃燒和排放性能影響研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2009, 27（4）: 321～327.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年9月1日。

Research on Combustion Characteristics of a High-Pressure Common
Rail Diesel Engine Fuelled with Hybrid Dimethoxymethane Diesel

Li Qiang1,2, Xu Xiangyang2（1.Shandong Transport Vocational College, Weifang 261206; 2. Beihang University, Beijing 100191）

【Abstract】With an electrically-controlled high-pressure common rail diesel engine as research object, this paper studies the influence of four diesel- dimethoxymethane (DMM) fuels with four proportions of DMM on combustion characteristics. The results show that when the engine fuel supply system and combustion system do not modify and under the conditions of same engine speed and equal excess air coefficient, adding DMM increases the maximum pressure rise rate of 64.3%, and the pressure peak value appears in advance. The thermal efficiency increases and the heat release rate peak value appears in advance. The period of diffusive burning shortens, and the premixed combustion period does not lengthen obviously while the total combustion duration shortens, and equivalent fuel consumption decreases. Therefore, adding dimethoxymethane to diesel improves the combustion characteristics of diesel engine.

Key words:Diesel engine，High-pressure common rail，Dimethoxymethane (DMM)，Combustion characteristics

中圖分類號(hào):U464.172

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）01-0057-04

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAG09B00），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51105017）。

主題詞:柴油機(jī)電控高壓共軌甲縮醛燃燒特性