改善二甲醚發動機燃油經濟性的試驗研究

吳君華，張光德

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

改善二甲醚發動機燃油經濟性的試驗研究

吳君華1，張光德2

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

摘要：為改善二甲醚發動機的燃油經濟性，在一臺直噴二甲醚發動機上進行臺架試驗，研究燃料供給系統結構參數以及往二甲醚里添加高熱值的液化石油氣(LPG)對二甲醚發動機經濟性的影響。結果表明，適當增大噴射泵的柱塞直徑、增加噴嘴噴孔數目并減小噴孔尺寸以及往二甲醚里摻混質量分數為30%的LPG燃料均能有效改善二甲醚發動機的燃油經濟性。

關鍵詞：二甲醚發動機；燃油經濟性；燃油消耗率；結構參數；二甲醚；LPG

二甲醚(Dimethyl Ether，DME)作為壓燃式發動機的代用燃料具有廣闊的應用前景。近年來，國內外學者對二甲醚的燃燒特性及二甲醚發動機的排放特性和燃油經濟性進行了大量研究[1-2]。筆者參與了上海交通大學二甲醚城市客車的研制，研制出的二甲醚發動機動力性超過原柴油機水平，排放比原柴油機大幅度下降，經濟性與原柴油機相當[3-5]。進一步通過外特性下二甲醚發動機和原柴油機燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)的對比得知，當發動機轉速低于1500 r/min時，二甲醚發動機燃油消耗率(當量柴油消耗率)比原柴油機略低，但當轉速高于1500 r/min時，其燃油消耗率反而比原柴油機高[6]。因此，要實現二甲醚發動機的推廣應用，還須對現有二甲醚發動機進行進一步優化,以全面提高其燃油經濟性。本文擬從燃油系統結構參數優化和二甲醚燃料改性兩方面來提高二甲醚發動機的燃油經濟性，研究燃料噴射泵柱塞直徑、噴嘴結構型式以及往二甲醚里添加高熱值的液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas,LPG)燃料對二甲醚發動機燃油經濟性的影響，探討改善二甲醚發動機燃油經濟性的有效途徑。

1試驗

試驗所用二甲醚發動機是在上海柴油機股份有限公司生產的D6114ZLQB柴油機基礎上開發的，發動機型式為六缸、直噴、增壓中冷，主要技術參數如表1所示。

由于二甲醚在常溫常壓下為氣態，原發動機臺架的油耗儀無法使用，故二甲醚發動機的燃油消耗率采用稱重法來測量。試驗中，將二甲醚燃料罐子置于電子天平上，發動機在穩態下運轉，計量2min內二甲醚的消耗量，然后按照等熱值換算即可得發動機的當量柴油消耗量及燃油消耗率。

表1　二甲醚發動機的主要技術參數

選取典型轉速1400 r/min下的負荷特性作為測試工況點，研究燃料中LPG的添加量對二甲醚發動機燃油經濟性的影響。

2優化參數對二甲醚發動機燃油經濟性的影響

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時二甲醚發動機燃油消耗率如圖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，發動機的燃油消耗率降低，且高轉速時下降的幅度更大。

在3種典型轉速的不同負荷特性下，噴射泵柱塞直徑分別為12 mm和13 mm時二甲醚發動機燃油消耗率如圖2所示。由圖2中可見，幾種不同負荷特性下，柱塞直徑增大后發動機的燃油消耗率均相應降低，尤其是在2200r/min工況下，柱塞直徑由12 mm改為13 mm后，發動機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，燃油噴射持續期縮短，燃燒持續期也相應縮短，從而改善了發動機的燃油經濟性。

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不同轉速負荷特性工況下柱塞直徑對燃油消耗率的影響

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

2.2噴嘴結構參數的影響

圖3　外特性下噴嘴參數對燃油消耗率的影響

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

圖4　外特性下噴嘴參數對排氣溫度的影響

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、不同負荷工況下二甲醚燃料中LPG的質量分數分別為0、15%、30%、45%、60%時發動機的燃油消耗率。從圖5中可以看出，不同負荷工況下，隨著混合燃料中LPG含量的增加，二甲醚發動機的燃油消耗率均呈先下降后上升趨勢，LPG含量為30%時燃油消耗率最低；中等負荷(Pe=0.76 MPa)下，與燃用純DME時的燃油消耗率233.1 g·(kW·h)-1相比,燃用含15% LPG的混合燃料時燃油消耗率下降了0.8%，燃用含30% LPG的混合燃料時燃油消耗率下降了4.4%，而后隨著LPG摻加量的繼續增加，發動機的燃油消耗率又開始升高，燃用含60% LPG的混合燃料時燃油消耗率為225.7g·(kW·h)-1，比燃用含30% LPG的混合燃料時發動機的燃油消耗率增加了5.1%,但仍比燃用純DME時相應值低；高負荷(Pe=1.52 MPa)下，混合燃料中LPG含量超過30%后，發動機的燃油消耗率略有上升；而低負荷(Pe=0.38 MPa)下，混合燃料里的LPG含量增加到60%時，發動機的燃油消耗率上升很快，遠超過了燃用純DME時發動機的燃油消耗率。這是因為，一方面，摻混LPG后混合燃料的熱值提高，噴射持續期縮短，導致燃燒持續期縮短，使發動機的熱效率提高，燃油消耗率降低；另一方面，摻混LPG延長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LPG含量超過30%后，后者的影響逐漸超過前者，會導致燃油消耗率又呈上升趨勢。低負荷時，由于缸內溫度和壓力相對較低，LPG的含量對滯燃期影響更大，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1400 r/min工況下燃油中LPG的含量對燃燒持續期的影響進行分析，結果如圖6所示。由圖6可知，隨著LPG含量的增加，燃燒持續期逐漸縮短。以Pe=0.76 MPa時為例，與燃用純DME燃料時發動機的燃燒持續期(30.6°CA)相比，燃用摻混30%、45%、60%LPG燃料時燃燒持續期分別縮短了1.5°CA、2.0°CA和2.80°CA。這主要是因為隨燃料中LPG含量增多，著火延遲增長，預混合氣增加，燃燒速率加快；同時由于LPG的熱值比DME高，摻混30% LPG時混合燃料的熱值為33.71 MJ/kg，摻混60% LPG時混合燃料的熱值為39.02 MJ/kg，隨著LPG含量的增加，混合燃料熱值增加，達到相同平均有效壓力所需燃料的總量減少，相當于提高了燃料噴射速率，這使得燃燒速率加快，從而直接導致燃燒持續期縮短。

圖5　LPG含量對燃油消耗率的影響

圖6　LPG含量對燃燒持續期的影響

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

3優化后二甲醚發動機與原柴油機燃油經濟性比較

圖7　優化后二甲醚發動機與原柴油機燃油消耗率對比

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

4結論

(1)將二甲醚發動機噴射泵柱塞直徑由12 mm改為13 mm，可使油泵供油速率增加， 燃油噴射持續期縮短，燃燒持續期縮短，使發動機燃油消耗率降低。

(3)在純DME燃料中摻混質量分數為30%的 LPG時，二甲醚發動機燃油消耗率低，燃油經濟性最佳。

(4)在燃油系統參數優化后的二甲醚發動機上燃用摻混了質量分數為30%LPG的DME燃料，在發動機的燃油經濟性與燃用柴油的原柴油機相比有明顯改善，特別是在低轉速范圍內的優勢更加明顯。

參考文獻

[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，謝露，等. 二甲醚發動機低壓共軌系統軌壓特性研究[J]. 武漢科技大學學報，2012，35(3)：211-214,218.

[3]吳君華，張光德. 甲醇含量對二甲醚發動機性能和排放的影響[J]. 武漢科技大學學報，2014，37(1)：50-53.

[4]張俊軍,喬信起,管斌,等. 柴油機燃用二甲醚復合燃燒試驗[J].農業機械學報，2008，39(6):13-16,45.

[5]張俊軍，喬信起，管斌，等.柴油機燃用二甲醚復合燃燒優化控制試驗研究[J].內燃機學報，2008，26(3)：193-199.

[6]吳君華.增壓二甲醚發動機燃燒和排放控制試驗研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[責任編輯鄭淑芳]

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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(50975212)；湖北省自然科學基金資助項目(2015CFA113).

作者簡介：吳君華(1974-)，男，南京林業大學教授，博士.E-mail:wj_h@163.com

中圖分類號：TK464

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)01-0058-04