柴油机燃用二甲醚-柴油混合燃料燃烧特性的试验研究

李 维,王孔波,王有名,南 旭

(西京学院 机械工程学院,陕西 西安 710123)

二甲醚(DME)的十六烷值为55～60，自然性较好，柴油机可直接燃用.此外，二甲醚的氧含量高，柴油机燃用二甲醚可以实现无烟排放，有利于解决柴油机排放中很难同时解决的炭烟颗粒和NOx的污染问题.因此，二甲醚被认为是21世纪压燃式发动机理想的清洁替代燃料[1-2].二甲醚的黏度小,只有柴油的0.05～0.1倍,这就使得柴油机上依靠燃油润滑的柱塞副、出油阀与出油阀座、针阀与针阀体3大偶件润滑效果很差,极易因润滑不良而造成严重的磨损和泄漏[3-4].

为了改善二甲醚的润滑性能，必须在二甲醚中加入润滑添加剂，但随着燃料中润滑添加剂含量的增加，二甲醚发动机的NOx排放和碳烟亦增加[5-6].进一步的研究表明:二甲醚-柴油混合燃料可在改善纯二甲醚润滑性能的基础上，保持二甲醚良好的雾化特性.通过适当调整循环燃料量，柴油机燃用二甲醚-柴油混合燃料时，炭烟排放和氮排放同时大幅度降低，燃油经济性也得到改善[7].

为了进一步研究柴油机燃用二甲醚-柴油混合燃料的特点，在一台两缸四冲程柴油机上对发动机燃用D20混合燃料(二甲醚与柴油质量比为2∶8)时的供油提前角进行优化匹配，测试了混合燃料发动机的动力性、经济性、排放性能，并测录了原柴油机和混合燃料发动机不同工况下的示功图.本文仅对发动机燃用柴油和混合燃料的燃烧特性进行对比分析.

1 试验装置

试验用发动机的主要技术参数见表1.试验台的布置如图1所示.

表1 发动机主要技术参数

图1 试验装置示意图

柴油机试验用柴油为0#商用柴油，DME的纯度为99.9%.为了防止在低压燃油管路发生气阻，采用电子泵将混合燃料加压至0.8 MPa，同时在低压油路中设置一稳压筒以减少压力波动.气缸压力采用KISTLER7061B型压力传感器测量，数据采用日本横河DL750动态分析仪采集.

2 燃烧特性分析

2.1 示功图

图2为不同转速、不同负荷下，D20发动机与柴油机示功图的对比.从图2可看出，发动机燃用混合燃料时，各工况下D20发动机的最大爆发压力均比柴油机低，而且其所对应的曲轴转角也相对延迟.1 700 r/min转速下，低负荷时，原柴油机的最高爆发压力为7.58 MPa，出现在上止点后4°CA位置左右；相同供油提前角下，D20的最高爆发压力为7.28 MPa，峰值压力比柴油机晚1°CA出现.供油提前角为18°CA时最高爆发压力约为6.87 MPa，出现在上止点后约6°CA位置.随着供油提前角的减少，爆发压力降低，并逐渐远离上止点.高负荷时，柴油机的最大爆发压力为8.85 MPa.原机供油参数下，D20的最大爆发压力比原机略有降低，差异没有在低转速下那么明显.推迟喷油至最佳提前角18°CA时，D20最大爆发压力降低为8.23 MPa，出现位置比柴油机晚2°CA.2 300 r/min转速下，各工况下最大爆发压力的变化趋势与1 700 r/min时基本相同.供油提前角为18°CA时，D20发动机的最大爆发压力为6.96 MPa，低于此时原机水平(7.91 MPa)，峰值压力的出现位置同样比原柴油机晚2°CA.

图2 D20发动机与柴油机示功图比较

2.2 放热率

图3为根据示功图计算出的放热规律曲线.D20混合燃料由于滞燃期短，预混合燃烧放出的热量更少，放热峰值比柴油机低.同时还可以看出，在所有的转速、负荷试验工况内，最大放热率随着供油提前角的减小而减小，并且与最大放热率对应的曲轴转角也相应推迟.这是因为随着供油的不断推迟，燃料初始喷入时的缸内空气温度、压力均大大增加，有助于减小滞燃期，预混燃烧的燃料份额也相应减小，从而降低了最大放热率.供油提前角为18°CA时，放热率重心最靠近上至点，燃料燃烧迅速充分，而且燃烧定容性好，因此，具有最高的热效率.这也与燃油经济性的优化分析结果基本一致.供油推迟至16°CA时，最大放热率所处的曲轴转角已处于燃烧上止点之后，这说明此时燃料燃烧主要都在膨胀冲程中进行，定容性差且燃烧过程很不充分，因此燃料利用率最低.

供油提前角都为22°CA时，二甲醚放热比柴油晚.这可能是由于D20混合燃料的喷油延迟比柴油大，相同供油提前角时，混合燃料的喷油提前角比柴油小，虽然混合燃料的十六烷值高，比柴油更易着火，但相比之下对喷油延迟的影响更大一些.

图3 D20发动机与柴油机放热率的比较

2.3 压力升高率

对于缸内最大压力升高率来说，推迟喷油后，最大压力升高率也将相应降低，这主要是因为滞燃期减小引起预混燃烧量减少的结果.图4为不同转速、不同负荷下，D20 发动机与柴油机压力升高率的对比.从图4可以看出，供油提前角为18°CA时，与原柴油机水平相比较，优化后的D20发动机在1 700 r/min、大负荷的工况下(BMEP=0.605 MPa)，最大压力升高率由0.84 MPa/°CA降低为0.69 MPa/°CA.2 300 r/min时大负荷的工况下(BMEP=0.469 MPa)， 最大压力升高率由0.67 MPa/°CA降低为0.48 MPa/°CA.可见，优化后的D20发动机与原机相比，机械效率、机械噪声及运转平稳性等工作参数都得到明显改善.

图4 D20发动机与柴油机压力升高率的比较

图5 D20发动机与柴油机缸内燃烧温度的比较

2.4 缸内燃烧温度

缸内燃烧温度对发动机的排放特性有至关重要的影响.其中最高燃烧温度大小以及燃料在最高燃烧温度左右停留的时间是决定NOx排放的两个重要因素；同时，膨胀过程中保持适当的缸内温度可以对于HC、CO排放等不完全燃烧产物进行后期氧化，控制排出发动机外的污染物.

图5给出了不同工况下D20 发动机与柴油机缸内燃烧温度的对比.从图5可以看出，供油提前角为18°CA时，与原柴油机水平相比较，优化后的D20发动机在1 700 r/min、大负荷的工况下(BMEP=0.605 MPa)，缸内最高燃烧温度由2 073 K降低为1 996 K，降低了77 K.2 300 r/min时大负荷的工况下(BMEP=0.469 MPa)，最高燃烧温度由1 939 K降低为1 847 K，降低了92 K.最高燃烧温度的降低将会明显减少NOx排放[8].

此外，过度推迟喷油至16°CA时，燃烧后期(图5中30°～40°CA范围)的缸内温度显著增加，甚至超过原柴油机水平.这主要是因为混合燃料燃烧迅速，此时由于喷油过迟，膨胀过程中的后燃加剧，导致了后期燃烧温度的增加.而此时由于燃烧位置距上止点较远，燃烧很不充分，经济性变差，碳烟排放也会显著增加.

3 结论

发动机燃用D20混合燃料时，在对供油提前角进行优化后，不同工况下的最大气缸内压力均比原柴油机的要低一些，其对应的曲轴转角延迟约2°CA.

混合燃料发动机的最大压力提升率下降约20%，有利于提高其机械效率和操作的平滑性.

混合燃料发动机的最大热释放速率比柴油机低，对应的曲轴转角推迟，但由于燃烧速度加快，燃烧持续时间并未延长.

混合燃料发动机的燃烧温度下降约80～100 K，这有助于减少发动机的NOx排放.

参考文献：

[1] LI X L,HUANG Z,WANG J S,et al.Characteristics of ultrafine particles emitted from a dimethyl ether (DME) engine[J].Chinese Science Bulletin,2008,53(2):304-312.

[2] 李维,汪映,朱威.煤基车用替代燃料的润滑性评定方法的研究[J].润滑与密封,2008,33(10):100-102.

[3] 王铁,冯丹华,王娜,等.柴油机应用非标柴油-二甲醚混合燃料的性能研究[J].车用发动机,2011(5):63-67.

[4] 徐立军,陈子辰,李孝禄,等.柴油与二甲醚在线混合系统的设计与研究[J].汽车工程,2016,38(3):274-279.

[5] 吴君华,张光德.改善二甲醚发动机燃油经济性的试验研究[J].武汉科技大学学报,2016,39(1):58-61.

[6] 张海波,黄孝慈.新型燃料柴油机性能和排放研究[J].小型内燃机与车辆技术,2016,45(3):52-55.

[7] 侯军兴,刘建伟,文振华,等.柴油机燃用不同替代燃料的燃烧与排放特性分析[J].农机化研究,2016(2):249-251.

[8] 李跟宝,周龙保.柴油机燃用二甲醚/柴油混合燃料时的特性研究[J].内燃机工程,2010,31(1):13-16.