改善二甲醚发动机燃油经济性的试验研究

吴君华，张光德

(1.南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏 南京，210037；2.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081)

改善二甲醚发动机燃油经济性的试验研究

吴君华1，张光德2

(1.南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏 南京，210037；2.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081)

摘要：为改善二甲醚发动机的燃油经济性，在一台直喷二甲醚发动机上进行台架试验，研究燃料供给系统结构参数以及往二甲醚里添加高热值的液化石油气(LPG)对二甲醚发动机经济性的影响。结果表明，适当增大喷射泵的柱塞直径、增加喷嘴喷孔数目并减小喷孔尺寸以及往二甲醚里掺混质量分数为30%的LPG燃料均能有效改善二甲醚发动机的燃油经济性。

关键词：二甲醚发动机；燃油经济性；燃油消耗率；结构参数；二甲醚；LPG

二甲醚(Dimethyl Ether，DME)作为压燃式发动机的代用燃料具有广阔的应用前景。近年来，国内外学者对二甲醚的燃烧特性及二甲醚发动机的排放特性和燃油经济性进行了大量研究[1-2]。笔者参与了上海交通大学二甲醚城市客车的研制，研制出的二甲醚发动机动力性超过原柴油机水平，排放比原柴油机大幅度下降，经济性与原柴油机相当[3-5]。进一步通过外特性下二甲醚发动机和原柴油机燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)的对比得知，当发动机转速低于1500 r/min时，二甲醚发动机燃油消耗率(当量柴油消耗率)比原柴油机略低，但当转速高于1500 r/min时，其燃油消耗率反而比原柴油机高[6]。因此，要实现二甲醚发动机的推广应用，还须对现有二甲醚发动机进行进一步优化,以全面提高其燃油经济性。本文拟从燃油系统结构参数优化和二甲醚燃料改性两方面来提高二甲醚发动机的燃油经济性，研究燃料喷射泵柱塞直径、喷嘴结构型式以及往二甲醚里添加高热值的液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,LPG)燃料对二甲醚发动机燃油经济性的影响，探讨改善二甲醚发动机燃油经济性的有效途径。

1试验

试验所用二甲醚发动机是在上海柴油机股份有限公司生产的D6114ZLQB柴油机基础上开发的，发动机型式为六缸、直喷、增压中冷，主要技术参数如表1所示。

由于二甲醚在常温常压下为气态，原发动机台架的油耗仪无法使用，故二甲醚发动机的燃油消耗率采用称重法来测量。试验中，将二甲醚燃料罐子置于电子天平上，发动机在稳态下运转，计量2min内二甲醚的消耗量，然后按照等热值换算即可得发动机的当量柴油消耗量及燃油消耗率。

表1　二甲醚发动机的主要技术参数

选取典型转速1400 r/min下的负荷特性作为测试工况点，研究燃料中LPG的添加量对二甲醚发动机燃油经济性的影响。

2优化参数对二甲醚发动机燃油经济性的影响

2.1喷射泵柱塞直径的影响

在外特性下，喷射泵柱塞直径分别为12 mm和13 mm时二甲醚发动机燃油消耗率如图1所示。由图1中可知，外特性下，喷射泵柱塞直径由12 mm增至13 mm后，发动机的燃油消耗率降低，且高转速时下降的幅度更大。

在3种典型转速的不同负荷特性下，喷射泵柱塞直径分别为12 mm和13 mm时二甲醚发动机燃油消耗率如图2所示。由图2中可见，几种不同负荷特性下，柱塞直径增大后发动机的燃油消耗率均相应降低，尤其是在2200r/min工况下，柱塞直径由12 mm改为13 mm后，发动机的燃油消耗率下降了4%，效果十分明显。这是由于柱塞直径增大，油泵供油速率加快，燃油喷射持续期缩短，燃烧持续期也相应缩短，从而改善了发动机的燃油经济性。

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

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

图2不同转速负荷特性工况下柱塞直径对燃油消耗率的影响

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

2.2喷嘴结构参数的影响

图3　外特性下喷嘴参数对燃油消耗率的影响

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

图4　外特性下喷嘴参数对排气温度的影响

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

2.3掺混LPG燃料的影响

图5所示为1400 r/min、不同负荷工况下二甲醚燃料中LPG的质量分数分别为0、15%、30%、45%、60%时发动机的燃油消耗率。从图5中可以看出，不同负荷工况下，随着混合燃料中LPG含量的增加，二甲醚发动机的燃油消耗率均呈先下降后上升趋势，LPG含量为30%时燃油消耗率最低；中等负荷(Pe=0.76 MPa)下，与燃用纯DME时的燃油消耗率233.1 g·(kW·h)-1相比,燃用含15% LPG的混合燃料时燃油消耗率下降了0.8%，燃用含30% LPG的混合燃料时燃油消耗率下降了4.4%，而后随着LPG掺加量的继续增加，发动机的燃油消耗率又开始升高，燃用含60% LPG的混合燃料时燃油消耗率为225.7g·(kW·h)-1，比燃用含30% LPG的混合燃料时发动机的燃油消耗率增加了5.1%,但仍比燃用纯DME时相应值低；高负荷(Pe=1.52 MPa)下，混合燃料中LPG含量超过30%后，发动机的燃油消耗率略有上升；而低负荷(Pe=0.38 MPa)下，混合燃料里的LPG含量增加到60%时，发动机的燃油消耗率上升很快，远超过了燃用纯DME时发动机的燃油消耗率。这是因为，一方面，掺混LPG后混合燃料的热值提高，喷射持续期缩短，导致燃烧持续期缩短，使发动机的热效率提高，燃油消耗率降低；另一方面，掺混LPG延长了混合燃料的滞燃期，使燃烧延后、后燃增加，降低了热效率。当LPG含量超过30%后，后者的影响逐渐超过前者，会导致燃油消耗率又呈上升趋势。低负荷时，由于缸内温度和压力相对较低，LPG的含量对滞燃期影响更大，引起燃油消耗率的变化幅度也更大。

为了更好地说明问题，对1400 r/min工况下燃油中LPG的含量对燃烧持续期的影响进行分析，结果如图6所示。由图6可知，随着LPG含量的增加，燃烧持续期逐渐缩短。以Pe=0.76 MPa时为例，与燃用纯DME燃料时发动机的燃烧持续期(30.6°CA)相比，燃用掺混30%、45%、60%LPG燃料时燃烧持续期分别缩短了1.5°CA、2.0°CA和2.80°CA。这主要是因为随燃料中LPG含量增多，着火延迟增长，预混合气增加，燃烧速率加快；同时由于LPG的热值比DME高，掺混30% LPG时混合燃料的热值为33.71 MJ/kg，掺混60% LPG时混合燃料的热值为39.02 MJ/kg，随着LPG含量的增加，混合燃料热值增加，达到相同平均有效压力所需燃料的总量减少，相当于提高了燃料喷射速率，这使得燃烧速率加快，从而直接导致燃烧持续期缩短。

图5　LPG含量对燃油消耗率的影响

图6　LPG含量对燃烧持续期的影响

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

3优化后二甲醚发动机与原柴油机燃油经济性比较

图7　优化后二甲醚发动机与原柴油机燃油消耗率对比

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

4结论

(1)将二甲醚发动机喷射泵柱塞直径由12 mm改为13 mm，可使油泵供油速率增加， 燃油喷射持续期缩短，燃烧持续期缩短，使发动机燃油消耗率降低。

(3)在纯DME燃料中掺混质量分数为30%的 LPG时，二甲醚发动机燃油消耗率低，燃油经济性最佳。

(4)在燃油系统参数优化后的二甲醚发动机上燃用掺混了质量分数为30%LPG的DME燃料，在发动机的燃油经济性与燃用柴油的原柴油机相比有明显改善，特别是在低转速范围内的优势更加明显。

参考文献

[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]张光德，李梦，谢露，等. 二甲醚发动机低压共轨系统轨压特性研究[J]. 武汉科技大学学报，2012，35(3)：211-214,218.

[3]吴君华，张光德. 甲醇含量对二甲醚发动机性能和排放的影响[J]. 武汉科技大学学报，2014，37(1)：50-53.

[4]张俊军,乔信起,管斌,等. 柴油机燃用二甲醚复合燃烧试验[J].农业机械学报，2008，39(6):13-16,45.

[5]张俊军，乔信起，管斌，等.柴油机燃用二甲醚复合燃烧优化控制试验研究[J].内燃机学报，2008，26(3)：193-199.

[6]吴君华.增压二甲醚发动机燃烧和排放控制试验研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[责任编辑郑淑芳]

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975212)；湖北省自然科学基金资助项目(2015CFA113).

作者简介：吴君华(1974-)，男，南京林业大学教授，博士.E-mail:wj_h@163.com

中图分类号：TK464

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)01-0058-04