二甲醚发动机燃料喷射及其对燃烧和排放影响

袁竹林，高广新

（1.西安汽车科技职业学院，陕西 西安710038；2.西安交通大学，陕西 西安710049）

1 引言

二甲醚（CH3－O－CH3）的分子结构简单，含氧量高达34.8%，且具有较高的十六烷值（55以上），非常适合柴油机作为替代燃料使用。二甲醚发动机可以实现无烟燃烧和较低的能够达到国Ⅲ甚至国Ⅳ排放标准的HC、CO 和 NOx排放［1－4］。二甲醚发动机的NOx和PM排放不存在像柴油机那样的trade－off关系［5］，故其NOx排放还可以通过EGR进一步降低［6］。但是，由于二甲醚的物性与柴油差别较大，在喷射压力和正时等控制参数等方面需要特别的关注。

本文将一台2102QB柴油机改装成二甲醚燃料发动机，开展了不同负荷和转速工况下，二甲醚供给正时对燃料喷射及其发动机燃烧和排放影响的研究，为认识二甲醚发动机的燃料喷射、燃烧和排放提供了参考数据。

2 台架试验

改装的二甲醚发动机原机是一双缸、直喷、水冷、直立柴油机，其主要技术参数如表1所示。

表1 二甲醚发动机主要性能参数

油管压力传感器为Kistler 4067，缸压传感器为Kistler7061B，电荷放大器为Kistler 5011，角标传感器为Kistler 2613B。发动机转速主要选定为1400、1870和2340r／min，三个供油提前角分别是19、22和25°CA BTDC。

3 二甲醚燃料的喷射过程

图1为发动机不同转速和负荷工况下实测的管压曲线。随着发动机转速的升高，泵端压力曲线整体向前推移，表示随着转速的提高，柱塞套进油口的节流作用增强，泄露量减少。二甲醚喷射的嘴端压力曲线却后移，表示二甲醚压力波传播时间以曲轴转角计延长。发动机负荷对喷射过程的影响，主要是使泵端与嘴端油管压力升高。

图1 二甲醚燃料的喷射过程

4 喷射正时对二甲醚发动机燃烧的影响

图2（a）所示为二甲醚发动机在1870r／min较低负荷时供油提前角对缸压曲线的影响，通过缸压曲线可以进一步计算出放热率曲线如图2（b）所示。相同转速下，随二甲醚燃料供给的提前，着火时刻提前，最大放热率提高。反映到缸压曲线上对应的压力升高时刻提前，缸压峰值升高。

图2 供油提前角对缸压和放热率的影响

结合图1，不同负荷条件下供油提前角对喷射延迟期和滞燃期的影响如图3所示。在1870r／min转速下，当供油提前角为19°CA BTDC和25°CA BTDC时，滞燃期分别为9°CA和10°CA，即当喷油正时提前6°CA时，发动机滞燃期滞后量为1°CA。当负荷增加时，缸内温度较高，滞燃期略有缩短。

图3 喷油始点和着火点随供油提前角的变化

图4是2340r／min工况下3种供油提前角下的燃烧持续期。随着供油提前角的增加，燃烧持续期变化在2°CA以内。由此可见，由于二甲醚容易汽化并与空气形成可燃混合气，且自燃温度较低，不同提前角下的燃烧似乎被整体的平移。

图4 总燃烧持续期随供油提前角变化

5 喷射正时对二甲醚发动机排放的影响

5.1 二甲醚与柴油发动机的排放对比

图5所示为二甲醚发动机与其原型柴油机HC、CO和NOx的排放对比。图中可见，二甲醚发动机的气体排放要比柴油机低50%以上。二甲醚具有良好的雾化与混合特性，高含氧促进燃料的完全氧化，因此可以大大减少过稀区和过浓区域的产生，同时滞燃期短较低了最高燃烧温度，使二甲醚发动机的NOx排放减少。

5.2 二甲醚喷射正时对排放的影响

图6所示为二甲醚燃料供油提前角对排放的影响。图中可见，当二甲醚的供给提前角由上止点前25°CA推迟到19°CA时，二甲醚发动机的NOx排放减少超过50%。因此在不恶化二甲醚发动机的有效热效率的情况下，推迟喷油是降低NOx排放最方便而有效的措施。

图5 发动机燃用二甲醚与柴油时排放对比

图6 供油提前角对二甲醚发动机排放的影响

6 结语

（1）发动机转速对二甲醚燃料的喷射延迟有显著的影响，但对滞燃期和燃烧持续期的影响较小，为二甲醚发动机燃烧通过喷射正时优化提供方便。

（2）二甲醚发动机的气体排放较柴油机的降低超过50%，且HC和CO排放受供油提前角影响较小。供油提前角对二甲醚发动机的NOx排放有显著的影响，因此二甲醚发动机的NOx排放可方便地由供给提前控制。

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