柴油與二甲醚在線混合系統(tǒng)的設計與研究*

徐立軍，陳子辰，李孝祿，王 君

(1.浙江大學機械工程學院，杭州 310027； 2.中國計量學院機電工程學院，杭州 310018)

2016045

柴油與二甲醚在線混合系統(tǒng)的設計與研究*

徐立軍1,2，陳子辰1，李孝祿2，王 君2

(1.浙江大學機械工程學院，杭州 310027； 2.中國計量學院機電工程學院，杭州 310018)

柴油中摻混一定比例的二甲醚，可有效改善霧化，因而降低排放。本文中提出了一種能夠快速調節(jié)柴油與二甲醚混合比的在線混合方法，該方法利用柴油機在兩次噴油之間高壓油管油壓相對低的空隙，將二甲醚噴入噴油器端的高壓油管中，實現(xiàn)二甲醚與柴油在管內摻混。試驗結果表明，在使用柴油與二甲醚在線混合系統(tǒng)后，柴油機的額定功率提高了0.29%，轉矩提高了0.51%，燃油消耗率與原機相當，最大煙度則下降了55.6%。

柴油；二甲醚；混合燃料；在線混合

前言

為減緩全球環(huán)境的日益惡化和滿足日益嚴格的排放法規(guī)，尋求能同時降低柴油機顆粒和氮氧化物(NOx)排放的措施已成為內燃機研究的一項重要課題。

二甲醚(DME)作為壓燃式柴油機的清潔代用燃料近年來受到國內外學者的廣泛關注。國內外研究表明：二甲醚能夠實現(xiàn)發(fā)動機高效、超低排放和柔和無煙燃燒[1-8]。柴油黏度大，不易霧化，而含氧燃料二甲醚具有沸點低、霧化性能好的優(yōu)點，可改善柴油的霧化和燃燒。為解決單燃料存在的缺陷和當前柴油與二甲醚混合方法存在的問題，本文中提出一種柴油與二甲醚在線混合的新方法，并進行系統(tǒng)研制和試驗。

1 柴油與二甲醚在線混合方法研究

含氧燃料二甲醚具有低沸點和高十六烷值的優(yōu)點。研究表明：利用柴油中摻燒二甲醚去改善柴油的霧化，進而改善柴油的燃燒，最終降低排放的方法是可行的[9-10]。目前主要有兩種方法：第一種方法是先將柴油與二甲醚按一定的比例混合后裝入燃料混合器中，混合器中的壓力保持在0.5MPa以上，以保證二甲醚處于液態(tài),對柴油機原來的燃油系統(tǒng)須略作修改[11]。但這種方法需要預先配制混合燃料，并且須將混合燃料油箱壓力保持在0.5MPa以上以保證二甲醚處于液態(tài)，且該方法無法實時調節(jié)混合燃料中二甲醚的比例；第二種方式是二甲醚氣道-氣缸噴射復合燃燒的方法，它利用二甲醚氣道噴射和柴油缸內直噴，從燃燒的角度出發(fā)去實現(xiàn)發(fā)動機在全負荷范圍內的高效清潔燃燒[12-14]。這種方法不能利用二甲醚改善柴油的霧化，并且須配合其它方法來拓寬發(fā)動機工況和降低排放。

本文中基于混合燃料比例實時優(yōu)化控制的設計思想[15]，提出了一種能夠快速調節(jié)柴油與二甲醚混合比的在線混合方法。該方法利用柴油燃油系統(tǒng)兩次噴油之間高壓油管內壓力較低的間隙，根據(jù)發(fā)動機工況變化，將二甲醚噴入噴油器端的高壓油管中，可以實現(xiàn)混合比的實時調節(jié)。

1.1 柴油與二甲醚在線混合方法

柴油與二甲醚在線混合方法是在柴油機傳統(tǒng)的泵-管-嘴噴射系統(tǒng)的基礎上增加二甲醚供油及混合單元來實現(xiàn)的。圖1為噴射系統(tǒng)的高壓油管內壓力變化規(guī)律圖。由圖可見，在噴油器噴油時，油管內的壓力較高(20～30MPa)，而在噴油結束后，在下一次噴油開始之前，油管內壓力一般保持在5MPa左右，因此利用兩次噴油之間油管內壓力較低的間隙，將高壓二甲醚噴入油管，與柴油混合，混合燃油進入噴油器噴射和燃燒。該方式可以根據(jù)發(fā)動機工況變化，通過控制每循環(huán)進入高壓油管的二甲醚量，進而實時調節(jié)噴入缸內的柴油和二甲醚的混合比，以滿足發(fā)動機不同工況的要求。

圖1 高壓油管壓力變化規(guī)律

圖2為柴油與二甲醚在線混合噴射系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)是在泵-管-嘴噴射系統(tǒng)的基礎上，增加了混合單元、高速電磁閥和高壓二甲醚供油系統(tǒng)。由于高壓油管內的殘壓保持在5MPa左右，因此二甲醚的供油壓力必須大于5MPa，且小于噴油器的啟噴壓力。本系統(tǒng)中利用氮氣瓶將二甲醚供油壓力控制在21MPa左右?；旌锨皇且粋€四通結構，兩個入口分別連接柴油油管和二甲醚高速噴油器，用以通入柴油和二甲醚，一個出口將混合燃油接入噴油器，另一個出口接壓力傳感器，檢測混合燃料的壓力波動狀態(tài)?？刂茊卧鶕?jù)發(fā)動機工況變化計算出柴油與二甲醚的最佳混合比，并根據(jù)壓力信號確定噴油結束時間，即二甲醚噴入混合腔的時間，迅速向高速電磁閥發(fā)出控制信號，電磁閥開啟后二甲醚噴入到混合腔內與柴油進行混合。通過流體仿真研究表明，在線混合系統(tǒng)中二甲醚能在噴油器內順利地噴入混合腔內，而且在高壓油管內壓力波動下混合均勻。

圖2 柴油與二甲醚在線混合噴射系統(tǒng)

1.2 柴油與二甲醚在線混合噴油器結構設計

圖3 在線混合噴油器實物圖

圖3為柴油與二甲醚在線混合噴油器實物圖，高速DME電控噴油器是其中的核心部件。通過控制該噴油器頂部的高速電磁閥的通斷，間歇地將二甲醚燃料噴入混合腔，在混合腔中柴油與二甲醚經過均勻混合后送入最終的混合燃油噴射器。整個噴射二甲醚的控制脈寬可以在0.5～5ms之間調節(jié)，以便根據(jù)工況的變化通入不同量的二甲醚燃料。

1.3 柴油與二甲醚在線混合系統(tǒng)控制單元設計

圖4為在線混合系統(tǒng)控制單元的系統(tǒng)框圖，該控制單元主要由控制部分、傳感器、輸入信號調理模塊和輸出信號驅動模塊4部分組成?？刂茊卧娜蝿帐窃诿總€供油周期內高壓油管內壓力較低時控制二甲醚噴油器向混合腔內噴入二甲醚，實現(xiàn)柴油與二甲醚的在線混合。在控制單元設計時除了滿足控制系統(tǒng)響應的實時性要求之外，同時要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在電控噴油器噴油過程中，調整共軌壓力、啟噴壓力、驅動電壓和控制脈寬都可以改變二甲醚的噴入量，從而改變柴油與二甲醚的混合比。

圖4 在線混合系統(tǒng)控制單元

2 在線混合噴射系統(tǒng)試驗研究

2.1 試驗平臺與技術參數(shù)

圖5 柴油機試驗臺架

為檢驗在線混合噴射系統(tǒng)設計的有效性和性能指標狀況，在某柴油機廠進行了試驗研究。所試驗的柴油機是型號為498的四缸、直列、四沖程強制水冷柴油機。圖5為該柴油機試驗臺架，二甲醚供油系統(tǒng)采用共軌技術，可以實現(xiàn)二甲醚油管內油壓的精確控制。該試驗平臺可以對柴油機的動力性能、油耗、進排氣溫度和排放等做全面測試。

表1為發(fā)動機主要技術參數(shù)，表2為試驗的主要零部件和檢驗條件，表3為試驗控制條件。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

表2 主要零部件和試驗條件

表3 試驗控制條件 ℃

2.2 試驗結果與分析

將研發(fā)的在線混合噴射系統(tǒng)應用于試驗機，安裝調試后對發(fā)動機的機械性能和碳煙等污染物排放進行了檢測，并與原機數(shù)據(jù)對比，部分試驗結果對比如表4所示。結果表明：試驗機的轉矩、功率均有提高，最大煙度顯著下降，噪聲降低。

2.2.1 試驗機的外特性

柴油機的外特性直接反映其使用性能和工作效率，是發(fā)動機最重要的特性。在柴油與二甲醚混合噴射系統(tǒng)臺架上進行了外特性試驗。

圖6為試驗機與原機的煙度對比圖。從圖中可以看出，試驗機與原機煙度隨轉速變化的趨勢基本一致，由于二甲醚分子不含C-C鍵和含氧量高的化學特性，試驗機的煙度與原機相比明顯降低；當轉速為2 400r/min時，最大煙度下降了44.4%。

圖6 試驗機和原機的煙度對比

圖7為試驗機與原機的排氣溫度對比圖。從圖中可以看出，試驗機的排氣溫度略低于原機，其變化趨勢與原機基本一致。原因是由于二甲醚的汽化潛熱大約是柴油的兩倍，在其蒸發(fā)吸熱過程中會使缸內混合氣溫度降低，同時二甲醚的熱值也只有柴油的66.8%，因此摻燒二甲醚后，柴油機的排氣溫度略有下降。

圖7 試驗機與原機的排溫對比

圖8為試驗機與原機的轉矩對比圖。從圖中可以看出，試驗機的轉矩與原機相比有提升。在1 600r/min的工況下，試驗機的轉矩提升了0.51%。

圖8 試驗機與原機的轉矩對比

圖9為試驗機與原機的功率對比圖。從圖中可以看出，試驗機的功率與原機基本相同，略有提升。在2 400r/min的工況下，試驗機的功率提升了0.29%。

圖9 試驗機與原機的功率對比

圖10為試驗機與原機燃油消耗率的對比圖。圖中試驗機的油耗僅僅是柴油的消耗，未包括二甲醚消耗。按熱值計算，二甲醚燃油消耗率30.1g/(kW·h)折合成柴油燃油消耗率為20g/(kW·h)。所以試驗機的總油耗與原機基本相當。另一方面，柴油的消耗顯著降低，這對于節(jié)約柴油資源來說非常有益。

圖10 試驗機與原機燃油消耗率的對比

2.2.2 試驗機的負荷特性

圖11 試驗機與原機的煙度對比

圖11～圖13為轉速1 800r/min，不同負荷特性下試驗機與原機的性能對比圖。

圖12 試驗機與原機燃油消耗率的對比

圖13 試驗機與原機的排氣溫度對比

圖11為試驗機與原機的煙度對比。由圖可見，試驗機的煙度比原機有顯著的降低，且隨著負荷的減小，煙度降低得越明顯。當負荷為27.4kW時，煙度從1.6降低到0.71Rb，降低了55.6%。

圖12為試驗機與原機燃油消耗率的對比圖。由圖可知，試驗機的柴油消耗率較原機有明顯的降低，且負荷越大，降低越明顯。但加上二甲醚的折算油耗后，試驗機與原機的油耗相當。二甲醚在混合燃料中的作用是改善燃油霧化，降低碳煙排放，但柴油依然是主要燃料，二甲醚所占比例不宜過高，控制在20%以內，否則二甲醚供油系統(tǒng)的負擔會加大，將提升對系統(tǒng)部件潤滑性能的要求。

圖13為試驗機與原機的排氣溫度對比圖。由圖可見，試驗機的排氣溫度與原機相比略有下降。

試驗結果表明，在使用柴油與二甲醚在線混合燃油系統(tǒng)后，柴油機的外特性曲線隨轉速變化的規(guī)律基本保持不變。在試驗的整個速度變化區(qū)間內，柴油機的煙度均大大低于原柴油機，柴油機排氣溫度略有下降，轉矩和功率略有提高，柴油油耗顯著降低，總油耗則基本相當。當轉速為1 800r/min時，隨著發(fā)動機負荷的變化，試驗機的煙度得到了顯著降低，排氣溫度基本不變，油耗有所降低。

3 結論

研制了柴油與二甲醚在線混合噴射系統(tǒng)，并對在線混合方法和混合燃料的燃燒排放進行了試驗研究，得出以下結論。

(1) 柴油與二甲醚在線混合方法可以根據(jù)發(fā)動機工況變化，快速、實時地調節(jié)柴油與二甲醚混合比，該方法對原機結構改變不大，適用于混合燃料發(fā)動機的開發(fā)。

(2) 將該混合噴射系統(tǒng)應用于柴油機，進行了與原機的對比試驗。結果表明，在使用柴油與二甲醚在線混合燃油系統(tǒng)后，柴油機的額定功率和轉矩比原機略有提高，最大煙度大大降低，噪聲略有降低，燃油消耗率與原機相當。

(3) 對柴油與二甲醚新的摻混方法的研究揭示了二甲醚在線混合規(guī)律、混合燃料燃燒和排放特性，為后續(xù)二甲醚混合控制策略及應用研究提供了試驗基礎。

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Design and Research on the On-line Blending System of Diesel and DME

Xu Lijun1,2, Chen Zichen1, Li Xiaolu2& Wang Jun2

1.SchoolofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027;2.SchoolofElectromechanicalEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018

Diesel fuel blended with dimethyl ether (DME) can improve the atomization of fuel and hence reduce emissions. In this paper, an on-line blending method is proposed, which can quickly adjust the blending ratio of diesel fuel and DME. The method takes the advantage of time gap between two successive injections, when the fuel pressure in high-pressure pipe is relatively low, to inject DME into the injector end of high-pressure pipe, and achieve the blending of diesel fuel with DME in high-pressure pipe. The results of test show that the diesel engine using diesel-DME on-line blending system has 0.29% higher rated power, 0.51% higher torque and 55.6% lower peak soot, with a specific fuel consumption basically remaining unchanged compared with original engine.

diesel fuel; dimethyl ether; blend fuel; on-line blending

*浙江省科技計劃重點項目(2006C21127)和浙江省自然科學基金(LY14E050023)資助。

原稿收到日期為2014年9月13日，修改稿收到日期為2014年12月30日。