改善二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)研究

吳君華，張光德

(1.南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京，210037；2.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

改善二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)研究

吳君華1，張光德2

(1.南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京，210037；2.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

摘要：為改善二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，在一臺(tái)直噴二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，研究燃料供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及往二甲醚里添加高熱值的液化石油氣(LPG)對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)增大噴射泵的柱塞直徑、增加噴嘴噴孔數(shù)目并減小噴孔尺寸以及往二甲醚里摻混質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的LPG燃料均能有效改善二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油經(jīng)濟(jì)性；燃油消耗率；結(jié)構(gòu)參數(shù)；二甲醚；LPG

二甲醚(Dimethyl Ether，DME)作為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的代用燃料具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)二甲醚的燃燒特性及二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了大量研究[1-2]。筆者參與了上海交通大學(xué)二甲醚城市客車的研制，研制出的二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性超過原柴油機(jī)水平，排放比原柴油機(jī)大幅度下降，經(jīng)濟(jì)性與原柴油機(jī)相當(dāng)[3-5]。進(jìn)一步通過外特性下二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)和原柴油機(jī)燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)的對(duì)比得知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1500 r/min時(shí)，二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率(當(dāng)量柴油消耗率)比原柴油機(jī)略低，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1500 r/min時(shí)，其燃油消耗率反而比原柴油機(jī)高[6]。因此，要實(shí)現(xiàn)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用，還須對(duì)現(xiàn)有二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,以全面提高其燃油經(jīng)濟(jì)性。本文擬從燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和二甲醚燃料改性兩方面來提高二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，研究燃料噴射泵柱塞直徑、噴嘴結(jié)構(gòu)型式以及往二甲醚里添加高熱值的液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas,LPG)燃料對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，探討改善二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。

1試驗(yàn)

試驗(yàn)所用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)是在上海柴油機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的D6114ZLQB柴油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的，發(fā)動(dòng)機(jī)型式為六缸、直噴、增壓中冷，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

由于二甲醚在常溫常壓下為氣態(tài)，原發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的油耗儀無(wú)法使用，故二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率采用稱重法來測(cè)量。試驗(yàn)中，將二甲醚燃料罐子置于電子天平上，發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)量2min內(nèi)二甲醚的消耗量，然后按照等熱值換算即可得發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量柴油消耗量及燃油消耗率。

表1　二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

選取典型轉(zhuǎn)速1400 r/min下的負(fù)荷特性作為測(cè)試工況點(diǎn)，研究燃料中LPG的添加量對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

2優(yōu)化參數(shù)對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

2.1噴射泵柱塞直徑的影響

在外特性下，噴射泵柱塞直徑分別為12 mm和13 mm時(shí)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率如圖1所示。由圖1中可知，外特性下，噴射泵柱塞直徑由12 mm增至13 mm后，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率降低，且高轉(zhuǎn)速時(shí)下降的幅度更大。

在3種典型轉(zhuǎn)速的不同負(fù)荷特性下，噴射泵柱塞直徑分別為12 mm和13 mm時(shí)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率如圖2所示。由圖2中可見，幾種不同負(fù)荷特性下，柱塞直徑增大后發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率均相應(yīng)降低，尤其是在2200r/min工況下，柱塞直徑由12 mm改為13 mm后，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率下降了4%，效果十分明顯。這是由于柱塞直徑增大，油泵供油速率加快，燃油噴射持續(xù)期縮短，燃燒持續(xù)期也相應(yīng)縮短，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

Fig.1 Effect of plunger diameter of the pump on BSFC at full load

(a) 800 r/min工況(b)1400 r/min工況(c) 2200 r/min工況

圖2不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性工況下柱塞直徑對(duì)燃油消耗率的影響

Fig.2 Effect of plunger diameter of the pump on BSFC at partial load under different engine speeds

2.2噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

圖3　外特性下噴嘴參數(shù)對(duì)燃油消耗率的影響

Fig.3 Effect of parameters of injector nozzle on BSFC at full load

圖4　外特性下噴嘴參數(shù)對(duì)排氣溫度的影響

Fig.4 Effect of parameters of injector nozzle on exhaust temperature at full load

2.3摻混LPG燃料的影響

圖5所示為1400 r/min、不同負(fù)荷工況下二甲醚燃料中LPG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、15%、30%、45%、60%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。從圖5中可以看出，不同負(fù)荷工況下，隨著混合燃料中LPG含量的增加，二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率均呈先下降后上升趨勢(shì)，LPG含量為30%時(shí)燃油消耗率最低；中等負(fù)荷(Pe=0.76 MPa)下，與燃用純DME時(shí)的燃油消耗率233.1 g·(kW·h)-1相比,燃用含15% LPG的混合燃料時(shí)燃油消耗率下降了0.8%，燃用含30% LPG的混合燃料時(shí)燃油消耗率下降了4.4%，而后隨著LPG摻加量的繼續(xù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率又開始升高，燃用含60% LPG的混合燃料時(shí)燃油消耗率為225.7g·(kW·h)-1，比燃用含30% LPG的混合燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率增加了5.1%,但仍比燃用純DME時(shí)相應(yīng)值低；高負(fù)荷(Pe=1.52 MPa)下，混合燃料中LPG含量超過30%后，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率略有上升；而低負(fù)荷(Pe=0.38 MPa)下，混合燃料里的LPG含量增加到60%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率上升很快，遠(yuǎn)超過了燃用純DME時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。這是因?yàn)?，一方面，摻混LPG后混合燃料的熱值提高，噴射持續(xù)期縮短，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期縮短，使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高，燃油消耗率降低；另一方面，摻混LPG延長(zhǎng)了混合燃料的滯燃期，使燃燒延后、后燃增加，降低了熱效率。當(dāng)LPG含量超過30%后，后者的影響逐漸超過前者，會(huì)導(dǎo)致燃油消耗率又呈上升趨勢(shì)。低負(fù)荷時(shí)，由于缸內(nèi)溫度和壓力相對(duì)較低，LPG的含量對(duì)滯燃期影響更大，引起燃油消耗率的變化幅度也更大。

為了更好地說明問題，對(duì)1400 r/min工況下燃油中LPG的含量對(duì)燃燒持續(xù)期的影響進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著LPG含量的增加，燃燒持續(xù)期逐漸縮短。以Pe=0.76 MPa時(shí)為例，與燃用純DME燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)期(30.6°CA)相比，燃用摻混30%、45%、60%LPG燃料時(shí)燃燒持續(xù)期分別縮短了1.5°CA、2.0°CA和2.80°CA。這主要是因?yàn)殡S燃料中LPG含量增多，著火延遲增長(zhǎng)，預(yù)混合氣增加，燃燒速率加快；同時(shí)由于LPG的熱值比DME高，摻混30% LPG時(shí)混合燃料的熱值為33.71 MJ/kg，摻混60% LPG時(shí)混合燃料的熱值為39.02 MJ/kg，隨著LPG含量的增加，混合燃料熱值增加，達(dá)到相同平均有效壓力所需燃料的總量減少，相當(dāng)于提高了燃料噴射速率，這使得燃燒速率加快，從而直接導(dǎo)致燃燒持續(xù)期縮短。

圖5　LPG含量對(duì)燃油消耗率的影響

圖6　LPG含量對(duì)燃燒持續(xù)期的影響

Fig.6 Effect of LPG content in blended fuel on combustion duration

3優(yōu)化后二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性比較

圖7　優(yōu)化后二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)燃油消耗率對(duì)比

Fig.7 Comparison of BSFC between DME engine and diesel engine based on optimized DME system

4結(jié)論

(1)將二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)噴射泵柱塞直徑由12 mm改為13 mm，可使油泵供油速率增加， 燃油噴射持續(xù)期縮短，燃燒持續(xù)期縮短，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低。

(3)在純DME燃料中摻混質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的 LPG時(shí)，二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率低，燃油經(jīng)濟(jì)性最佳。

(4)在燃油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用摻混了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%LPG的DME燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性與燃用柴油的原柴油機(jī)相比有明顯改善，特別是在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]Kim M Y，Yoon S H， Ryu B W，et al. Combustion and emission characteristics of DME as an alternative fuel for compression ignition engines with a high pressure injection system[J].Fuel,2008,87(12):2779-2786.

[2]張光德，李夢(mèng)，謝露，等. 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)低壓共軌系統(tǒng)軌壓特性研究[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35(3)：211-214,218.

[3]吳君華，張光德. 甲醇含量對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37(1)：50-53.

[4]張俊軍,喬信起,管斌,等. 柴油機(jī)燃用二甲醚復(fù)合燃燒試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(6):13-16,45.

[5]張俊軍，喬信起，管斌，等.柴油機(jī)燃用二甲醚復(fù)合燃燒優(yōu)化控制試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26(3)：193-199.

[6]吳君華.增壓二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放控制試驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[責(zé)任編輯鄭淑芳]

Experimental study on improving fuel economy of DME engine

WuJunhua1，ZhangGuangde2

(1.College of Automobile and Traffic Engineering, Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;2.College of Automobile and Traffic Engineering,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081,China)

Abstract:In order to improve the fuel economy of the dimethyl ether (DME) engine, bench tests were conducted on a direct injection DEM engine. The influences of parameters of DME fuel supply system and addition of high heat value liquefied petroleum gas(LPG) content in blended fuel on the fuel economy of the DME engine were investigated. The results show that the fuel economy of the DME engine has been improved with the increase of plunger diameter, the increase of orifice number and the decrease of hole diameter of injector nozzle at the same time, and the use of DME-LPG blended fuel with 30% LPG.

Key words：DME engine; fuel economy; brake specific fuel comsumption; structure parameter; DME; LPG

收稿日期：2015-10-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975212)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFA113).

作者簡(jiǎn)介：吳君華(1974-)，男，南京林業(yè)大學(xué)教授，博士.E-mail:wj_h@163.com

中圖分類號(hào)：TK464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-3644(2016)01-0058-04