二甲醚均質(zhì)充量與柴油噴射復(fù)合燃燒方式的發(fā)動機(jī)性能

孫志強(qiáng)，段俊法，2，楊振中

(1.華北水利水電學(xué)院機(jī)械學(xué)院，河南鄭州450011;2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

0 引言

近年來，中國的能源緊缺問題日益突出，同時(shí)對環(huán)保問題也日益重視。隨著中國汽車保有量的不斷上升，數(shù)量龐大的汽車發(fā)動機(jī)在燃燒礦物能源的過程中，不僅加快了地球有限能源的消耗，也造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染。為了緩解能源壓力，降低汽車尾氣排放污染，人們開始研究一些新的燃燒方式，同時(shí)，發(fā)展新型替代燃料來解決這類問題。

均質(zhì)壓燃(HCCI)燃燒技術(shù)作為一種機(jī)內(nèi)凈化措施，可以實(shí)現(xiàn)高的熱效率和超低的氮氧化物(NOx)和微粒排放。但是，目前HCCI發(fā)動機(jī)還存在許多問題[1-3］。雖然目前對HCCI發(fā)動機(jī)的研究較多，但因問題的復(fù)雜性和工作的不穩(wěn)定性，離投入實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。二甲醚(DME)作為一種代用燃料，非常適合作為車用燃料，而且來源豐富，可從生物質(zhì)中制取，不會存在枯竭問題，對緩解能源危機(jī)有不可忽視的作用。二甲醚作為燃料具有高的蒸汽壓、低沸點(diǎn)、壓燃性好及混合氣形成容易等特性，非常適合均質(zhì)壓縮燃燒方式[4-6］。

液化石油氣(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)動機(jī)上已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[7-9］。文獻(xiàn)[10］研究了DME加入到天然氣中的比例對發(fā)動機(jī)性能和排放的影響。文獻(xiàn)[11］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)動機(jī)的燃燒、敲缸和排放特性的試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[12］的研究結(jié)果證明:以DME為燃料的壓縮著火發(fā)動機(jī)，如果采用高廢氣再循環(huán)(EGR)率配以稀NOx捕捉器，不但可以滿足未來的NOx排放法規(guī)，而且又因?yàn)椴皇艿趸?微粒排放量(NOx-PM)的限制，其微粒排放量(PM)也可以滿足非常嚴(yán)格的排放法規(guī)。文獻(xiàn)[13］認(rèn)為:通常情況下，DME的顆粒排放非常低，HC和CO排放與柴油相當(dāng)，NOx排放結(jié)果不一致，有的高，有的低，這與發(fā)動機(jī)本身的特點(diǎn)有關(guān)。文獻(xiàn)[14］在一臺1.9 L高壓共軌增壓發(fā)動機(jī)上開展了排放研究，研究結(jié)果表明:HC排放大致與柴油相當(dāng)，CO排放在小負(fù)荷時(shí)稍低，在大負(fù)荷時(shí)相反，NOx排放均低于柴油。CO排放在大負(fù)荷時(shí)上升的原因在文獻(xiàn)[14］中解釋為:大負(fù)荷時(shí)當(dāng)量比大于0.8，并且噴油結(jié)束時(shí)刻較晚。但這一解釋很牽強(qiáng)。

本文先將二甲醚燃料引入發(fā)動機(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)合燃燒方式，并由此開展對發(fā)動機(jī)性能影響的研究。在研究過程中，對試驗(yàn)所用的GW4D20電控高壓共軌增壓中冷發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，并對缸內(nèi)壓力和排放進(jìn)行了測試。

1 二甲醚與柴油理化特性比較

二甲醚簡稱DME，其分子式為CH3—O—CH3，是一種最簡單的醚結(jié)構(gòu)。表1為二甲醚和柴油主要理化特性對比。常溫常壓下DME是一種無色、有輕微醚香味的氣體，無腐蝕性，幾乎沒有毒性。分子中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.8%，沒有C—C鍵，沸點(diǎn)為-24.9℃。環(huán)境溫度下的飽和蒸汽壓為0.51 MPa，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)動機(jī)具有較好的冷啟動性能。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)動機(jī)，被稱為21世紀(jì)最理想的柴油代用燃料[15］。

表1 二甲醚和柴油的理化特性

2 裝置與方法

2.1 發(fā)動機(jī)

本試驗(yàn)在長城GW4D20型四缸、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，其主要的技術(shù)參數(shù)見表2。在試驗(yàn)過程中，為了使發(fā)動機(jī)的性能優(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)氣中冷后溫度在冷卻控制裝置的作用下維持在50℃以內(nèi);發(fā)動機(jī)冷卻水出水溫度維持在80℃左右;潤滑油溫度維持在90℃左右。

表2 GW4D20型增壓柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2.2 測試儀器設(shè)備

試驗(yàn)過程中使用的主要設(shè)備儀器有:測功機(jī)采用湘儀動力有限公司生產(chǎn)的PC2000型電渦流測功機(jī)和測控調(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°曲軸轉(zhuǎn)角記錄1次;尾氣排放儀器由日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-7100D型氣體排放測試儀測量，所測氣體包括NOx、HC、CO、CO2和O2，HC和CO排放采用不分光紅外吸收法測量，NOx排放采用電化學(xué)原理測量;煙度測量采用的是AVL公司生產(chǎn)的DISMOKE 4000不透光煙度計(jì)，測量煙度用消光系數(shù)來表示;DME消耗量由上海友生衡器有限公司制造的XK3100-B2+高精度電子稱測量，其精度為1 g;利用DELPHI公司的VISU 98軟件系統(tǒng)對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。

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，對長城GW4D2發(fā)動機(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，采用液化石油氣儲罐儲存二甲醚。在本試驗(yàn)中，燃料供給系統(tǒng)采用兩條通道: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消耗量的測量。將DME出口壓力調(diào)至0.2 MPa，是因?yàn)樵诔Ｓ棉D(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作時(shí)，經(jīng)發(fā)動機(jī)增壓中冷后的進(jìn)氣壓力在0.2 MPa以內(nèi)。二甲醚和進(jìn)氣管采用耐高壓管連接，然后通過壓力調(diào)節(jié)閥，可以將二甲醚直接引入到進(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)混量的大小對發(fā)動機(jī)性能影響較大，進(jìn)氣預(yù)混量太大，發(fā)動機(jī)容易出現(xiàn)爆震，進(jìn)氣預(yù)混量太小，對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)裝置和測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于正常使用過程中發(fā)動機(jī)的常用轉(zhuǎn)速在2 000 r/min左右，所以本試驗(yàn)就選該轉(zhuǎn)速開展研究。

3.1 經(jīng)濟(jì)性

表3是發(fā)動機(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)行的燃料消耗量隨負(fù)荷變化進(jìn)行對比，對比分析時(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

圖1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)示意圖

其中，Bm為總?cè)剂舷模琸g/h;Bd為柴油消耗量，kg/h;BD為DME消耗量，kg/h;HuD為DME低熱值，MJ/kg;Hud為柴油低熱值，MJ/kg。

由表3可知:二甲醚均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒方式的燃料消耗率在小負(fù)荷時(shí)(平均有效壓力0.31 MPa以下)比純柴油燃燒模式稍高，在中大負(fù)荷時(shí)(平均有效壓力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)果也反映在表4所示的熱效率隨負(fù)荷的變化上。所以，采用復(fù)合燃燒方式后，可以提高中大負(fù)荷時(shí)(平均有效壓力0.41 MPa以上)的有效熱效率。

表3 燃料消耗量隨負(fù)荷的變化

表4 有效熱效率隨負(fù)荷的變化

3.2 排放特性

表5為NOx排放隨負(fù)荷的變化，由表5可以發(fā)現(xiàn):DME均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒方式下的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410 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)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)，會使NOx的生成速率呈指數(shù)上升，溫度稍有變化，就會影響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，柴油的量比傳統(tǒng)方式純柴油的量少，預(yù)混燃燒的量相應(yīng)也會減少，而NOx排放主要是在柴油的預(yù)混燃燒中生成，因此也使得NOx排放降低。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排放降低的比較多，可能是由于在大負(fù)荷時(shí)，廢氣再循環(huán)對復(fù)合燃燒方式中二甲醚均質(zhì)壓縮燃燒階段影響較大[16-17］。

表6是發(fā)動機(jī)碳煙排放隨負(fù)荷變化的對比。本試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)為四氣閥電控高壓共軌渦輪增壓發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的碳煙排放很低，這是因?yàn)椴捎盟臍忾y和廢氣渦輪增壓后大大增加發(fā)動機(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，因而顯著降低了發(fā)動機(jī)的碳煙排放[18］。由表6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相當(dāng)?shù)停@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)燃燒，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)動機(jī)燃用純二甲醚時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無煙排放[19］，所以碳煙排放比純柴油大幅降低。同時(shí)，還由于在相同工況下，在DME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時(shí)的柴油量少，且碳煙主要是在擴(kuò)散燃燒產(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)，碳煙排放比純柴油燃燒方式降低了很多。

表5 NOx排放隨負(fù)荷的變化

表6 碳煙隨負(fù)荷的變化

表7是發(fā)動機(jī)的CO排放隨負(fù)荷變化的對比。由表7可知:在中低負(fù)荷時(shí)(平均有效壓力0.50 MPa以下)二甲醚均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒模式的CO排放相當(dāng)高，但隨著負(fù)荷的增加，CO排放不斷下降。在低負(fù)荷時(shí)，CO排放高的原因是:二甲醚是從進(jìn)氣管被引入，進(jìn)行均質(zhì)預(yù)混壓縮燃燒，而柴油噴入時(shí)刻比較晚，此時(shí)混合氣稀薄，燃燒溫度低，燃燒速率變慢，CO的生成會大大增加。隨著負(fù)荷的增加，柴油噴入量逐漸增多，二甲醚均質(zhì)燃燒所占比例逐漸降低，缸內(nèi)溫度逐漸上升，CO排放越來越低。

表8是發(fā)動機(jī)的HC排放隨負(fù)荷變化的對比。由表8可知:在低負(fù)荷時(shí)，二甲醚均質(zhì)充量與柴油復(fù)合燃燒模式的HC排放比按純柴油運(yùn)行時(shí)的HC排放濃度高，但隨著負(fù)荷的增加，HC排放濃度不斷下降，逐漸接近并低于純柴油的HC濃度排放。由于這種復(fù)合燃燒方式造成進(jìn)氣和壓縮過程中，氣缸內(nèi)充滿二甲醚與空氣的均質(zhì)混合氣，類似于火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)。在低負(fù)荷時(shí)，隨后的柴油噴射量也很小，使總的混合氣濃度過稀，又因其燃燒溫度較低，使得燃料不能完全燃燒，特別是缸壁處的混合氣燃燒困難，造成HC排放偏高，而且由于燃燒室中有各種狹窄的縫隙(如活塞、活塞環(huán)與氣缸壁之間的間隙，進(jìn)排氣門與氣缸蓋氣門座面相匹配的密封帶狹縫等)，氣缸壓力升高時(shí)一部分燃料混合氣被擠入縫隙中，當(dāng)縫隙中壓力高于氣缸壓力時(shí)，陷入縫隙中的混合氣逐漸回流氣缸，增加了HC排放[13］。隨著負(fù)荷的增加，柴油噴入量逐漸增多，缸內(nèi)溫度逐漸上升，未燃物繼續(xù)參與反應(yīng)，所以HC排放逐漸降低。

表7 CO排放隨負(fù)荷的變化

表8 HC排放隨負(fù)荷的變化

4 結(jié)論

(1)在一定的二甲醚進(jìn)氣預(yù)混量下，二甲醚均質(zhì)充量與柴油的復(fù)合燃燒方式可以提高大負(fù)荷時(shí)的有效熱效率，并能有效降低NOx排放和碳煙排放。

(2)二甲醚均質(zhì)充量與柴油的復(fù)合燃燒方式的CO、HC排放量在低負(fù)荷時(shí)增加，在大負(fù)荷時(shí)逐漸接近直至低于純柴油燃燒時(shí)的排放數(shù)值。

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