二甲醚与生物柴油喷射过程试验研究

侯军兴，文振华，刘元朋，蒋志强，乔信起

（1.郑州航空工业管理学院机电工程学院，河南 郑 州 450015；2.上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240）

随着汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严格，发展清洁能源成为当前能源与环境领域的一个重要课题。二甲醚和生物柴油均为柴油机清洁代用燃料。二甲醚资源丰富，燃烧和排放特性好；生物柴油来源广泛，可由种类众多的动植物成分以及藻类物质制备而成，并且可以直接应用于柴油机，受到各国研究人员的广泛关注。国外对二甲醚和生物柴油的喷雾、燃烧及其在发动机上的应用进行了深入的研究［1－7］。国内上海交通大学、同济大学等高校都开展了柴油机燃用二甲醚或生物柴油的研究［8－9］。

燃油系统是压燃发动机的心脏，其喷射特性直接影响到燃油喷雾与燃烧特性以及发动机性能。二甲醚和生物柴油的理化特性相差悬殊，会对喷油系统内部的液力过程产生影响，如密度影响油管压力的建立速度和峰值，黏度影响油管压力的相位。虽然国内外对二甲醚和生物柴油的喷雾和燃烧特性进行了相关研究，但尚未涉及两者的喷射特性对比研究。本研究采用共轨喷射系统，比较分析了二甲醚和生物柴油的喷射过程，包括喷油规律、高压油管压力等，考察了喷射压力、喷射脉宽对其的影响。

1 测试装置

在喷油泵试验台上搭建共轨系统喷油过程测试装置（见图1）。由于二甲醚常温常压下为气态，饱和蒸气压较高，因此需通过低压泵和溢流阀使低压供给系统压力保持在1.5MPa左右，消除燃料系统中的气阻。燃料输送罐中的二甲醚在低压泵的作用下以液态进入高压泵，经高压泵增压后通向共轨，再通过电控喷油器进行喷射。电控喷油器喷嘴为7×0.17mm，启喷压力为17MPa。在高压油管轨端和嘴端各装有1个油管压力传感器，实时检测油管轨端压力和嘴端压力。试验中，高压泵转速保持为500r／min。

喷油器安装在长管法喷油速率仪上，用压力传感器、电荷放大器和数据采集仪采集长管内喷射压力波，由此计算喷油速率。喷油器的回油通过回油接头与高压泵回到燃料输送罐里；燃料输送罐放置在高精度电子天平上，用来实测循环喷油量。燃料通过长管后进入燃料收集罐回收以便循环使用。测试参数包括长管内压力、油管嘴端压力、喷油器电磁阀电流信号；采样频率为50kHz。试验时，调节节流阀开度使示波器上显示的长管压力信号在1个循环间隔内出现4个波形，然后测试单次喷油过程各参数。

2 试验结果与分析

2.1 轨压对喷油过程的影响

与生物柴油相比，二甲醚沸点低，容易雾化和蒸发，因此所需的喷射压力较低，文献［10］与文献［11］中研究二甲醚喷雾特性和燃烧特性时均采用50MPa轨压。本研究采用了高压共轨系统，其高压泵体与柱塞的间隙是根据燃用柴油设计的，如果轨压过高，二甲醚的泄漏量较大，综合考虑，研究二甲醚和生物柴油的喷射过程时轨压采用40MPa，50MPa与60MPa。

图2示出了轨压对喷油速率的影响，喷射脉宽为1.6ms，轨压分别为40MPa与60MPa。由图可知，两种燃料的喷油规律近似为梯形，当针阀完全开启后，喷油速率围绕一个值波动。与生物柴油相比，二甲醚的喷油始点明显要晚，喷油终点延后，喷油持续期明显延长，最大喷油速率略增加。由于液态二甲醚密度、弹性模量和黏度较低，压缩性比生物柴油大得多，因此二甲醚的喷油速率在喷油持续期整个过程呈现密集的波动现象，并且使喷油始点及终点延后，喷油持续期延长。

对于同一种燃料，轨压由40MPa增加到60MPa，开始喷射后，喷油速率曲线上升段变陡，喷油速率峰值增加。由于轨压升高，针阀开启速度变快，在较短时间内迅速完全开启，喷油速率迅速增加。轨压提高，喷油速率在喷油持续期的波动变大；这是由于轨压升高，共轨内压力波动幅度变大，从而影响喷油速率波形稳定性，使其波动变大。

图3示出了轨压对嘴端油管压力的影响。由图可知，两种燃料的嘴端油管压力波形相似，均为先下降再上升，达到最大值后开始波动，波峰随时间逐渐衰减。生物柴油的嘴端压力波动持续时间短，电磁阀触发后20ms，嘴端压力几乎没有波动；二甲醚的嘴端压力波动幅度小，波动持续时间长，电磁阀触发后30ms仍存在波动。这是由于二甲醚的压力波在油管中传播的声速较低，波峰衰减速度慢，所以压力波持续时间长。

对于同一种燃料，轨压由40MPa升高为60MPa，喷射引起的嘴端压力下降幅度变大；喷射结束后，嘴端压力各波峰的峰值变大，其相位均提前。由于脉宽一致，轨压升高，喷射量增加，嘴端压力下降幅度大，压力波动幅度加大；所以轨压60MPa时，各波峰的峰值均比40MPa时对应峰的峰值大。轨压升高，燃油密度增加，声速增大，各波峰的相位均比40MPa时对应峰的相位提前。

图4比较了二甲醚和生物柴油在60MPa轨压，1.6ms脉宽下的嘴端油管压力。由图可知整个喷射过程包括以下几个阶段：阶段1，嘴端压力缓慢下降，喷油器电磁阀通电后，电磁阀衔铁升起，泄流节流孔开启，控制室内的燃油通过泄油节流孔流出，控制室内的燃油压力降低；阶段2，嘴端压力迅速下降，电磁阀打开后，开始喷油，导致嘴端压力快速下降；阶段3，嘴端压力在1个低值附近波动；此时喷油速率在最高值附近波动；阶段4，喷油停止后，水击效应使嘴端压力上升，达到最高值；阶段5，燃油中的压力波在高压油管中以声速反复传播，压力波峰值逐渐减小。二甲醚和生物柴油嘴端油管压力的差别主要有：1）喷射引起嘴端油管压力下降，二甲醚的嘴端压力下降幅度比生物柴油小（阶段3）；2）喷射结束后水击效应引起嘴端压力上升，二甲醚的嘴端压力最大峰值小于生物柴油，其相位延后（阶段4）；3）二甲醚的油管压力波峰值衰减速度慢，波动持续时间长（阶段5）。

2.2 喷射脉宽对喷油过程的影响

图5示出了喷射脉宽对喷油速率的影响，轨压为50MPa，喷射脉宽分别为1.2ms和1.6ms。由图可知，两个脉宽下二甲醚的喷油始点、喷油终点都比生物柴油延后，喷油持续期延长，最大喷油速率略增加。对于同一燃料，喷射脉宽增大，喷油始点一致；开始喷射后，喷油速率上升一致，最大喷油速率基本不变，喷油持续期明显变长，喷油量增加。结合图2可知，对喷油速率大小起主导作用的是轨端压力，喷射脉宽主要影响喷油持续期，二者有机结合，便可灵活地控制喷油规律，满足发动机实际运转要求。

图6示出了喷射脉宽对嘴端压力的影响。由图可知，对于同一种燃料，脉宽由1.2ms增加为1.6ms时，嘴端压力开始下降的时刻一致，嘴端压力第一峰值略增加，相位延后。

由于同样的喷射压力下喷油器针阀开启时刻一致，脉宽对其无影响，所以嘴端压力下降时刻一致。脉宽增加，喷射持续期延长，喷射量加大，造成喷油结束时嘴端压力第一峰峰值增加；喷油器针阀关闭较晚，所以第一峰值相位延后。

3 结论

a）与生物柴油相比，二甲醚的喷油始点较晚，喷油终点延后，喷油持续期明显延长，喷油速率的峰值略增加，喷油速率在喷油持续期波动变大；

b）二甲醚和生物柴油的嘴端油管压力波形相似，均为先下降再上升，达到最大值后开始波动，波峰随时间逐渐衰减；开始喷射后，二甲醚的嘴端压力下降比生物柴油平缓；喷射结束后，二甲醚的嘴端压力最大峰值小于生物柴油，但嘴端压力波峰衰减速度慢，波动持续时间长；

c）对于同一燃料，轨压增加，喷油速率曲线上升段变陡，喷油速率峰值增加；喷油速率在喷油持续期的波动变大；轨压增加，喷射引起的嘴端压力下降幅度变大；喷射结束后，嘴端压力各波峰的峰值变大，其相位均提前；

d）对于同一燃料，喷射脉宽增大，喷油始点一致，最大喷油速率基本不变，喷油持续期明显增加；脉宽增大，嘴端压力开始下降的时刻一致；压力第一峰值略增加，相位延后。

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［11］ Hyung Jun Kim，Su Han Park，Chang Sik Lee.A study on the macroscopic spray behavior and atomization characteristics of biodiesel and dimethyl ether sprays under increased ambient pressure［J］.Fuel Processing Technology，2010，91（3）：354－363.