（动力机械及工程专业论文）压燃式发动机燃用二甲醚的实验研究.pdf

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是才二人在导师的指导下， 猫：立迸行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包台任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 叉i 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。才声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二量篮一 日期：伽! 蛀团! 呈旦 关于学位 惫文使j l j 授权f 声明 本人同意学校保钳或向国家有又部门或机构送交论文的印刷竹和电子 版，允许论文被芗：j 阅和借阅；本人授权山东大学可以将本之位论文的全部或 部分 j 容编入有关数掘膨：进 j 检索，可以采用影印、鸯j 印或其他复制手段保 存论文和汇编水学位论文。 ( 跺密论文在钾密后应逆守几j t l 删十1 ；。- r ，定) 论文作老豁z ：赴导师签名：垃一日期：幽理 山东大学硕十学f 迕论文 目录 摭要i i i a b s t a c t 、， 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 二甲醚的理化性质及作为代用燃料的特点4 1 3 二甲醚燃料的国内外研究现状6 1 3 1 二甲醚作为着火改善剂在内燃机中的应用6 1 。3 2 压燃式发动机上燃用二甲醚发动机的研究现状7 1 4 本课题的选题意义及主要研究内容9 第二章试验台架及测量装置1 1 2 1 实验发动饥li 2 2 发动机供油系统改造1l 2 2 1 发动机燃月j 二甲醚气阻现象的产生和克服方案】j - 2 2 2 高压油泵的改造1 3 2 3 测点装置及发动机台架布置1 3 2 4 主要参数的测量方法及测量原理1 4 2 4 1 二甲琶消耗量的测量14 2 4 2 功率的测量15 2 4 3 发动机进气流量测量1 5 2 4 4 发动机排气成分测量1 5 第三章发动机供油系统参数的选择及排放测试1 7 3 1 压燃式内燃机供油系统概述17 3 2 发动机供油系统参数调整1 7 3 2 1 唢油器丌片；压力的调整1 8 3 2 2 供油提前角的调节j 1 8 3 2 3 喷油器喷孑l 直径i j 爿整1 9 3 3 供油系统参数实验1 9 3 3 i 杉l 系统参数：金方寰19 t 山东大学硕士学位论文 3 3 2 实验结果分析及供油参数选择2 0 3 4 高压油管压力测蹙2 6 3 5 二甲醚发动机排放测试2 8 3 5 1e s c 实验条件2 8 3 5 2e s c 实验工况点确定2 9 3 5 3e s c 实验及排放测试3 0 3 5 4e s c 实验排放计算3 1 3 6 本章小结3 4 第四章废气f 循环对二甲醚发动机性, r j e , 匕t a 的影响3 7 4 1e g r 系统的布置方案3 7 4 2e g r 冷却设计3 8 4 3e g r 对二q j 醚发动机排放的影响4 1 4 ，4e g r 对二甲醚发动机动力性能的影响4 4 4 5e g l 对二 ； 醚发动机经济性能的影响4 6 4 6 本章小结4 9 第五章二甲醚发动机燃烧特性分析5 1 5 1 压缩上止点的确定5 1 5 2 示功图的数据处理5 2 5 2 1 示功图光顺处理5 2 5 2 2 示功图均化处理5 3 5 2 3 示功图处理结果 b 3 燃烧放热率的计多j 及分析 5 3 1 累积放热率 j 5 3 2 瞬时放热率 5 4 本章小结 第六章全文工作总结 参考文献 附录 3 5 6 8 0 l 3 7 5 5 5 5 6 6 6 6 山东= j ：学硕十学位论文 摘婪 柴油机因其较高的热效率和可靠性，得到了广泛的应用。但随着人类生产实 践的不断发展，f 0 统柴油机正面临着化石燃料口渐枘竭和环境污染f 1 益严峻的双 重考验，开发高效清洁的新能源，解决传统柴油饥对化石燃料的依赖，同： 于减少 n o 。和嗣粒物排放，已成为当务之急。二甲醚十六烷值较高，适宜采用压缩点火， 传统劣：；由机只需改造供油系统即可使用。二甲醚属含氧燃料，可以承受较大的 e g r 率，同时其汽化潜热较大，可降低缸内的最高燃烧温度，这些都有利于城n o , 排放。二甲醚的分子结构中不含c - c 键，燃烧过程巾几乎不产生颗粒物和碳烟。 因此二 j 醚是柴油机理想的替代燃料。但凶其易气化、热值低、粘度小等特点， 也对供油系统提出了全新的要求。 本文在某增压中冷柴油机上，改造了供油系统，研究了喷油器歼启压力、供 油提i i ；s s 冉、唢油孔孔径等参数对二甲醚发动机动力性和排放性能的影响，并测景 了二q 1 醚发动机在e s c 实验中的排放值。为了进步降低发动机的n n 排7 ，：，_ = t 发了废气弭衢环( e g r ) 系统，并研究了e g r 对二甲醚发动机性能6 ，j 影响。同时 测量发动机在不同二i 况的缸内压力变化曲线，分析了二甲醚燃料的燃烧特性。 本文采用正交乡j 验方法，制定了6 套方案，供油提前角分别为8 。c a 和1 1 a ，唢 1 器丌启压力分别为1 4 m p a 、1 6 m p a 、1 8 m p a ，喷油孔孔径分别为0 3 6 m m 、 0 3 8 1 岫，研究了上迓参数对发动机性台l v , j 影响。综合考虑发动机的各项一i - t - ：f 毙，尤 其是动力性能、排放性能与可靠性，供油提前角bo c a 、喷油器开启压力1 6 m p a 、 0 3 9 r a m 唢孔直径的方案较好。在e s c 实验中，二甲醚发动机可满足国l l f l 4 i e 放标 冶i 。 为降低n ( ) 。排放满足更严格的排放法规，在上述工作的基础一l 设计开发了带 冷却的废气亍叮循环系统，并研究了三个e g r 控制i 1 ，。：j j l ：度( 2 5 、3 7 5 、5 0 ) 对 发动机一陛能的影响。对比实验数据，较小的e g r 率；卉j m 协l i t 匕i , 够使二甲醚发动机排放大 幅度卜降，满足f 日】，标准。随管e g r 的0 i 入，发动机的动力性稍有下降，下降幅 度随转速的i 升而f ：笮低。中小负荷时，发动机的燃i | ：经济性对e g r 不敏感，大负 荷, - i l j y l 。高l 3 。 本文中，通过测量缸内压力变化m 线，得到发动机示功图，进而计算放热率 曲线，研究分析了二甲醚燃烧的瞬时放热牢、燃烧持续期等燃烧特性。二甲醚燃 t i i j ：然烧过程中+ 页混燃烧不明显，扩散燃烧在燃烧过私冲所占比例很大，= 扩套：燃 烧速皮较快。 关键词：代用娩：辩二甲矗l 排放废气再循环燃烧 i v i | j 东大学硕士。学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sh i g ht h e r m a le f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y ，d i e s e le n g i n e i sw i d eu s e d b u tw i t hd e v e l o po fh u m a ns o c i e t ya n de c o n o l ：1 y ，t r a d i t i o n a l d i e s e le n g i n eh a v et of a c et h ep r o b l e ms u c ha sl a c ko ff o s s i lf u e l ， e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n s od e v e l o pn e wc l e a ne n e r g ys o u r c e st or e d u c e n o xa n dp me m i s s i o ni sv e r yi m p o r t a n t d i m e t h y le t h e r ( d m e ) h a v eh i g hc e t a n en u m b e r ，i sf i tt oc o m p r e s s i o n i g n i t i o n t r a d i t i o n a ld i e s e le n g i n ej u s tr e f o r mf u e ls u p p l ys y s t e ma n d t h e nitc o u l db u n , d m e d m eh a v eh i g t tp e r c e n t a g eo fo x y g e n ，s oi tc o u l d b u r nw i t hl a r g ee g rr a t i o ，a n di t sl a t e n th e a to fv a p o r i z a t i o ni sh i g h ， t h isc o u l dr e d u ( et h eh ig h e s tb u r nt e m p e r a t u r e ，a l lo fth e s ec o u dr e d u c e n o xe m i s s i o no fe n g i n e m o l e c u l a rs t r u c t u r eo fd d gd on o th a v ec - cb o n d ， s oc o m b u s t i o no fd m ep r o c e s sa l m o s th a v en op me m i s s i o n s od ：js a c c e p t a b l ea l t e r n a t i v ef u e lf o rd i e s e le n g i n e b u ti t sc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sl o wc a l o r i f i cv a u e ，v i s c o s i t ym a k ei tc o u l dn o tu s ei nd i e s e l e n g ；n ed i r e c t y t h isp a p e rr e f o r mf u e ls u p p ys y s t e mo fat u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e a n dr e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fi n j e c t o ro p e np r e s s u r e ，a d v a n c ea n g l eo f f u e ls u p p l y ，a n dd i a m e t e ro fs p r a yo r if i c et od y n a m i c a lp e r f o r m a n c ea n d e l l l is s i o n a n de m i s s i o no fd m ee n g i n ei ne s ce x p e r i m e n ti sm e a s u r e d i n o r d e rt or e d u c en o xe m is s i o n ，e x h a u s tg a sr e c y c l e ( e g r ) s y s t e misd e v e l o p e d t h ei n f l u e n c eo fe g rt od m ee n g i n ep e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e d t h i sp a p e r m e a s u r ep r e s s u r eo f c y lin d e r i nd i f f er e n t c o n d i t i o n ，a n da n a l y z e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co fd m e t h i sp a p e rm a k es i xe x p e r i m e n ts c h e m et or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo f i n j e c t o ro p e np r e s s u r e ，a d v a n c ea n g l eo ff u e ls u p p l y ，a n dd i a m e t e ro f s p r a yo r if i c et oe n g i n ep e r f o r m a n c e c o m p a r i n ge m i s s i o na n dd y n a m i c a l p 汀。! ! 。e ，8 。( 、 a d 、r q ! i c oa n g l ef 、ff u e ls u p p n1 刚in j e c t o 】，o p e n v 山东火学硕十学伊论文 p r e s s u r e ，0 3 8 n 1 i i ! d i a m e t e ro fs p r a yo r i f i c ei ss u i t a b l ef o rd ! , i e a n d e ；i s si o no fd 、, i ve n g i n ei sl o w e rt h a ne u r o p ei i ie m i s s i o ns t a n d a r d i no r d e rt or e d u c en 瓯e m is s i o n ，e 6 rs y s t e mw i t hc o o l e ri sd e v e l o p e ： c o m p a r i n ge x p e r i m e n td a t a ，l o we g rr a t i oc o u l dm a k et h a te m i s s i o no fd , i e e n g i n el o w e rt h a ne u r o p e e m i s s i o ns t a n d a r d a n dd y n a m i c a lp e r f o r m a n c e o fe n g i n eh a v eal o wd e c l ir l e t h ef u e lc o n s u m p t i o no fd m ee n g in ea l m o s t t h es a m ea st h a tt h e r ei sn oe g ra t 】o wl o a da n dr i s e 】t o3 a th e a v y l o a d t h o v g hm e a s u r ei n c y i n d e rp r e s s u r e ，h e a tr e l e a s er a t e c u r v ei s c a l c u l a t e d t r a n s i e n th e a tr e l e a s er a t ea n dc o m b t i s t i o nd u r a t i o ni s r e s e a r c h e d p r e m i x i n gc o m l ) u s t i o no fd 汀! i sl i t t l e d i f lu s i o nc o p , 1 ) u s t j o n o fd v i i 5t a k ea 】a r g ep e r c e n t a g ei nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n db u r n i n g v e l o c i t yo fd i f f u s i o nc o m b u s t i o no fd ! i e i sq u i c k k e yw o r d s ：a 】t e r ! i a t i v ( f u e l ，d 1 4 e ， e m is s i o n ， e ( ：r ， ( o m b u s t i o n v i 山东人! 硕十学伊论文 1 1 引言 第一章鳝? 论 由于内燃机具有热效率高、功率范围广、适应性好等优点，内燃机特别是 热效率高的柴油机，广泛应用于汽车、船舶动力、工程机械、工业生产、电力、 国防等各个领域。 ，i 着新材料的应用以及设计、加工工艺的不断提高，尤其是 电控技术在内燃机上的应用，内燃机的动力性、经济性、可靠性和排放性能不 断提高，满足了不同喟途的需要，对人类的活动和社会发展具有重要的意义。 然而存当今世界科技和经济发展中发辑：露f 重要作用的内燃机行业却越j 。面临着 来自能源和环境两方丽的压力。 石油资源作为一种不可1 雨+ j - 生能源势必会随着人类的不断开采丽少，甫f - l 至 枯剜。因此世界上多个工业发达国家，如美国、德阳、卜 本等_ 老i ；d r i 快了：莎l 上代用燃料的研究、开发和应用二f = 作，并刘此投入了较多的人力、物力。刈于 我围米说，目前汽车工业正处于快速发展期，机械电子发展规划巾已强调j7 要 把汽芎：制造业作为重要支柱产业。由于我因国民经济的迅速发展，我困汽车 保有量同益 。加，汽油、柴油的消耗量星直线上升趋势，我国石油生产的增长 越度已经难以满足乡务济发展的需要。丰! 掘困家能源局公布的数据，自从1 9 9 3 年成为石油净进口幽以来，中国的原油对外依存度山当年的6 一路攀升，到 2 0 0r ；年突破4 5 ，其后每年都以两个百分点左右的速度向上攀升，2 0 0 7 年为 4 7 ，2 0 0 8 年为4 9 。剑2 0 0 9 年，生产原汕1 8 ( ) 亿吨，净进口原油却达剑1 9 9 亿吨原油对外依存度已经超多5 0 7 0 的警戒线。i j 、! 此石油供需矛盾的突出已经成 为找国旧民经济发展砺临的重大挑战。因此开发出替代石汕的新型燃料并使之 应川于内燃机，对调整能渊结构，缓节内燃机对z i 油资源的消耗，保证同民经 济和社会生活的正常运行都有十分萤i 要的意义。 f d 时，由于目前日益尸旷峻的环垃问题，全世界范刚内对环保的关注程度都 是前所未有的。尽管内燃机扎术的不断岁i 新和发展，发动机的排放彳、= 断下降。 但灶由于汽车保有虹的不断上升，由内燃机造成的大气污染已经越来越严匝， 内燃机已经成为地球大气，特别是城市大气的主要污染源。在城市大气污染中， 山东：人学硕。 = 学位论文 内燃吼的彳害排放物已经占6 0 7 6 以上。这些有害气体如内燃机排放中的多、：氧化 物( n o i ) 和碳氢化合物( h c ) 在阳光下，进过一系列的光化学反应生成臭氧 ( 0 。) 、醛类、过氧乙酰基硝骏盐( p a n ) 以及其他产物，可以组成毒性很大的 光化学烟雾耻3 。同时柴油机排气中的颗粒可长期：恐浮在大气中而不沉降，会深 入人肺造茂机械性超负荷，损伤肺内各种通道的i i 净机制，促进其它污染物的 毒害作用。同时碳粒上还吸附有硫酸盐及多种有机物，其中包含多环芳烃 ( f j a i ，) ，具有不同j 2 度的诱变和致癌f 乍用 。虽然我国的汽车工业起步较晚， 但是随着经济的高速增长，汽车保有量也私迅速士 7 长。再加一二我国相对于欧美 等先进国家排放标准宽松，汽车污染物排放较多。区i 此，汽车排气污染更为严 重。 为了遏制汽乍捌放对人类生存环境带来的f l 益严重的危害，从6 0 年代开 始，美国、日本、欧盟相继制定了汽j _ i 排放限带4 标准。欧洲从1 9 9 2 年起开始 实旌欧i 排放标准，19 9 6 年超实施欧i i 排放标准，2 0 0 0 年起实施欧t t t ”- 1 l i - 放标 并j ，2 0 0 5 年起实施欧i 、7 排放概：准，2 0 0 8 起j 施欧v 排放标准。我同政府借鉴 欧汾i - h , l - 放标准，制订了自己的排放标准。全国已从2 0 0 8 年7 月1 起执行国 i i i j l l ：- 放标准( 相当于欧l i i 排放标准) ，并将会在不久后执行更加严格的国排 放标准( 相当于欧i ，排放标水) 。表1 - 1 给出了欧洲轻型车标准限值，表卜2 为欧洲重型车用柴油机排放限值，表卜3 为美闷加州轻型汽车排放标准限值h 3 。 表卜l 欧洲轻型汽车排放限制( g k i n ) 2 排放汽油车柴油车 机j 准 c ( )l c n o x c oh c n o x p m 欧l 2 7 2 o 9 72 7 20 9 7 欧i i 2 2 0 52 2 0 5 0 , 30 0 8 1 0 圆0 9 0 0 1 0 欧1 2 3 0 2 0o 1 5o 6 4o 5 6o 5 00 0 5 欧l v 】0o 100 0 8o 5 0o 3 0o 2 50 0 2 5 扎甑喷柴油机 直喷柴油机 实施欧i i l 以后，冷启动后马上测排放，而不是实施欧i i 有4 0 s 的滞后， 所以欧i 1 f i ：jc o 限值虽高于欧i i ，但实际上更严了。 山东入学玎士学位论文 表卜2 欧洲重型车厢柴油机排放限值 单位：g ( k w h ) 排放测试排放限值 标准循环c ot t ck j c c h 4n o x p m妒 欧i e c e4 51 1 8 oo 3 6 r 4 90 6 1 每 欧l i e c e4 o1 17 0o 5 l r 4 9 0 2 5 欧i l i e s c2 1o 6 65 00 1 0 0 。1 3 e l r o 8 e t c5 4 50 7 81 65 0o 1 6 动态消光炯度，i l l 一。 适用于功率小于8 5 k w 的柴油机。 适用于单缸 一作容积小于0 7 l 、标定转速大于3 0 0 0 r m in 的发动li 。 表1 - 3 美围加利福尼亚州轻型汽聋：押放标准心值 5 0 ，o ( 1 0 m i l e 以为( g m i l e ) 标准 c o n m o g mg o x微粒甲醛 1 9 9 33 40 2 铲0 40 0 8 t l e v 3 40 1 2 50 4o 0 8o 0 1 5 l e v 3 4 ( 】0 7 5o 20 0 8 o 0 1 5 u i 。e v 1 70 0 4 00 2o 0 40 0 0 8 1 0 0 ，0 0 0 m il e 以内( g m i l e ) 1 9 9 34 20 3 l1 0o 0 8 t i 。e v4 20 1 5 6o 。60 0 80 0 】8 i 。e v 4 2( i 0 9 00 30 0 8o 0 1 8 u l e v2 10 0 5 50 30 0 40 0 1 1 备注： n m 0 6 为非甲烷有机7e 体，1 9 9 3 年加州排放标准规定指非甲烷碳氢 化合物( n m i i c ) ，t i 。f v ，过皮低排放车辆，l e v ，低排放车辆，u l e v ，超 低排放车辆。 批放限制t i 二沼：的 台，迫仲汽车制造妒和相关的研究机构萨罕政府部门倾 3 山东大学硕+ 学位论文 注大量的人力和彩j 力、财力来研究降低氏燃饥排气中各种有宅：排放物的对策和 控爿：技术。为了溺足日益严析法规，发动机上采用了很多后处理技术及先进的 燃烧技术，甚至不借牺牲油耗来满足排放要求。这些技术措施无疑将大幅度提 高发动机运行的成本。 纺上所述，开发内燃机的清洁代用燃料一直被i7 。为是解决当前能源危机和 环境污染的重要途径之一，深入开展这一领域的砂f 究，对保证经济持续发展和 环节青i ：源、环境紧张局势有着重要的意义。 1 2z 甲醚的理化性质疑作为代用燃料的特点 二l i j 醚分子式为c h 。- o - c l l 。常温常压下，二日 酬：足一种无色、具有微蜀弓醚类 芳香昧的气体。室温下，它的蒸汽压在0 5 m p a 左右。二甲醚具有惰性，无霭蚀 性、无致癌性，几乎无毒等性质。它的基本物理化学性质与液化石油气很棚也7 ， 可应用现在已经比较成熟的液化石油气储藏和供应疗式。二甲醚与柴油机及其它 内燃机传代燃料物理化学性质对比见表卜4 嗍。 表1 - 4 二甲醚与柴油机其它燃料物。坚化学性质对比 1 1 j 较内容d m e槊油l p g( n ge p 醇 ，c i 一学 子式 c h ，0 ( 、h ，c 、 l ，c 、 k( ：h ：c m o j i 卜子骨4 6 0 7 1 9 0 2 2 04 41 63 2 溯，点( )- 2 4 918 0 ，3 6 0- 4 2 11 6 26 5 湫杰密唐k g r n 3 6 6 88 4 ( )5 9 06 1 07 9 0 列论卒燃比 9 014 61 5 717 26 5 + 六烷俯5 5 6 64 0 5 5 5 y i t k f ：r 勘sk1 k g4 102 0 03 7 ( 3 5 8 】1 1 0 彳! ( 热作ikt k g2 7 6 0 04 2 5 0 04 6 5 0 05 0 0 0 01 9 5 0 0 嫁j 乍极呲 3 4 1 7o 6 6 52 4 , - - , 9 55 1 55 5 2 6 f 1 纠；温j 鎏( )2 3 52 5 04 8 1 6 5 04 5 0 粮摩( c p )0 15 3 1 1 ( ) 0 1 80 7 6 8 c ( 雨南；)5 2 28 6 08 1 8 5 ( )3 7 5 i t ( 荤卤i )1 3 o14 01 8 22 5 01 2 5 ( ) ( 。亘量)3 4 80005 ( ) 蒸汽压( k p a )5 】2 1o 3 2 由于二e p 醚优良的物瑙! 化学性质，其作为压4 i 2 式发动机燃料具备以下几个方 面的优点： 4 d j 东大学硕士学位论文 ( 1 ) 二甲醚是最简单的醚类化合物，分予式为c 1 t 。- o - c h 。，二甲醚分子结构 中只有c 一 i 键和c - o 键，没考。c - c 键，此外它还是富氧燃料( 含氧量3 8 0 ；) ，这 两个待点都有利于减少燃烧生成的碳烟和微粒，使二甲醚可以实现零碳地排放。 同时二甲醚分子的高含氧量能够使二甲醚燃料承受较大的e g r ( 废气再循环) 率， 使其极限e g r 率远远大于柴油。使用二甲醚燃料的发动仉- j - ：q 台月, 匕l 够采用更大的e g r 率， 降低n o 、排放踊3 。 ( 2 ) 二甲醚的十六烷值( 5 5 6 6 ) 高于柴油( 4 0 - 5 5 ) 和其它代用燃料， 更适合在压燃式发动机上应用，因此可以直接在压燃，发动机上燃用二甲醚，不 像耳i 醇、乙醇、l p 6 和天然气那样需助燃措施；同时商的十六烷值可缩短着火滞 燃期，降低缸内最高燃烧温度和压力升高率，从而减少降低n o x 排放，还可以减 少内燃机工作的粗暴性，明显降低发动机的燃烧噪声n 。 ( 3 ) 二甲醚的汽化潜热为4 1 0 k j k g ，柴油为2 5 0 k j k g 。如果按等重量计算， 它的汽化潜热是柴油的1 6 4 倍，如果按照等放热量计算，二甲醚的汽化潜热为 柴； j j 的2 5 3 倍。这可以大幅度减低柴油机最高燃烧淤度，改善n o x 排放 。 ( 哇) 低沸点的优点使得二甲醚名- e t 赞射后即能汽化，所以其雾化特性将明显优 于柴油，有可能在较低的喷射压力下就能满足燃烧的要求四】。 二一：f i l 醚作为柴油机的替代燃料有着实际应用的巨大潜力。可是，二甲醚的一 些性从肘发动机的件能有着不利的影响。它在物理化学性质上与柴油的差异又决 定了聊订的柴 1 1 j 机不得不重新改造以适应燃用二甲酉：点的需要。其r l l 又, - j - 柴油机的改 造主要集中在燃汕供给系统方面： ( 1 ) 二e i f 醚在常沽i 常压下饱和蒸汽压是0 5 m p a ，随着温度的升高，其饱和 蒸汽压j 鞠大。凼此，低压f j i 油豸j 统也需要加压以防止发动机供油系统中管路出现 气阻现缘。 ( 2 ) 二甲醚的热值低，只有柴油机的6 4 7 。为_ j 7 保证原柴汕机的动力水平， 则、须带大二甲醚的每循环供汕量( 达到原柴油机的1 5 1 8 倍) 。存实验中我 们叫以采取加大喷油泵中柱塞直径和柱塞有效行程等方法来提离发动机的每循 环供；1 1 罱，以期达到发动机原有的动力性。 ( 3 ) 二甲醚的袖度只有柴油的0 0 5 o 1 ，这就使得燃油润滑效果极差，高 压 1 1 泵e 柱塞与柱塞副、出油f f q 与出油阀座、针阀与针阀体三大相对运动的精密 化f ，容! ： 围为。r , l 彳i 好而产丛：艨损。困此，必须存一甲酗t | 1 加入涧滑剂，增_ f ，燃 5 山东大学硕士学化论文 料自 1 滑性能，以保证发动机运转的可靠性与耐久性。 ( 4 ) 虽然二甲p l 对金属件没有腐蚀性，但对一般 ，j 塑料和椽胶件有腐蚀作 用，如长期浸泡在二甲醚【 j 会饺其密封性能恶化，必须将供油系统中的普通：象胶 密封垫更换为耐二甲醚橡胶。 ( 5 ) 在环境温度和压力下，二f ，隧的爆炸极限为3 1 7 ( 在空气中的比) ， 爆炸浓度范围宽广，其闪点温度低( - 4 1 ) 。匿此，在二甲醚的使用过私冲，要 注意防止二甲醚蒸气逸出。尉时二甲醚的低粘度同时也容易使其泄露，因此，在 柴油机燃用- e tr 醚，要解决好密封问题。 1 3 二：- 醚燃辩的国内外研究现状 1 3 1 ：二甲醚作为荔火改善剂在内燃机中的上麓只j 二f i 醚在内燃机上的最早应用是作为辞类燃料的着火改善剂。醇类燃料，尤 其是l f l 醇是最有前途的内燃机代用燃料之一，但是与柴油机相比，甲醇着火温度 高、汽化潜热火、十六烷值很低，因此将其应用于压燃，发动机中很x ：营火。在 压燃式发动机上燃用甲醇，就需要加入着火改善剂，用爿改善其低温启动性能。 _ - r i ：醚诒二内燃机的应用开始于作为发动机燃用甲醇的着火改善剂。二甲醚用作甲 醣着火改善剂后，使甲醇刚作压燃式发动机燃； ：；时不需要其它助燃措施，诸如火 花塞、电热塞等。- - t i t 醚作为着火改善剂足因为二甲醚较高的十六烷值，并且能 够在较低的温度下自燃。 e 机理是：二甲醚作为部分燃料先期进入气缸，在压缩行程的后期先氧化燃 烧，挝r 气缸比的孝；j 度，从而对后期喷入的i 燃判的着火起促进作用。在压燃式 发动机r i i 燃用甲酣燃料的简便疗案足在甲醇中力入一定量的着火改善剂二甲醚， 使其一 六烷值达到3 3 以上。用二甲醚改善醇类燃料发动机起动性能的方法，通 常是首九将醇燃料改质，使醣燃米4 通过催化剂作用，在高温下生成二甲醚，然后 将；e - 弓i 入发动机，或将其唢入犏殊设计的i j i 助燃烧室以形成着火源，前者称为二 甲醚自然吸入法，后崭称为火炬点火法或t i c 法。如将一定量的液态二甲醚与甲 醇 溶，制成混合燃料后使月j 的方i i i ，则称为溉合燃料法。自然吸入法的技术关 键是如何使二甲醚的吸入量迓应发动机负荷变化的需要。研究表明，在一定的负 番i 条件下，最t l 二甲醚的i 及入量等于保证该负荷下发动机能稳定运转的二甲醚用 6 山东大学谚+ 导f 节论文 量的下限值。二甲醚用量过火，会导致发动九等容燃烧度过低，而过早着火还会 增：i 兀燃烧的散热损失，从而引起发动机热效率的下降。若二甲醚用量过少，着火 性能往f 芒会恶化，使燃一哓出现不稳定，同样会使发功机的热效率下降通常f 占冼 下，二甲醚的添加率随发动机转速和负荷的增大而减少。这主要与发动机燃烧室 壁泣仃关：在高负j ：7 和高转速工况下，燃烧室壁温较高，从而有利于燃料的着火 和稳定燃烧。t i c 法是二甲醚在进气过程中通过电磁阀进入一个特殊设计的辅助 燃烧室中，该室容积很小，这样可5 【 制二甲醚在压缩行程中的扩散，以使少量的 二甲醚混合气先行着火，然后用形成的火焰使主燃烧室内的混合气着火。对比研 究表明，与自然吸入法相比，t i c 法的最佳二甲醚添加率可减少3 0 ，各种负荷 条件下的发动机热效率均有所提高。其中，低负荷工况的热效率可增长】( 1 ，c o 和h c 的排放大啊j 度降低，而n o x 排放量略有增加。t 1 c 法能有效促进从轴助燃烧 室流入主燃烧室的二甲醚的扩散混合和燃烧过程。影响t i c 法的因素有：辅f ! j j 燃 烧一? 的容积、安装位置、几何形状以及控s 。t ：。l l 一- - 甲醚的电磁阀的开肩定时等。n “1 1 3 2 压燃式发动机上燃, r ! l - - 甲醚发动机的弼f 究现状 在上个世纪9 0 年代，丹麦大学、h a r d o r 、t o p s o e 、a s 、a v l 、n a v i s t a r 、a i l l o o o c 等在柴油机上燃用二甲醚燃料，仅对原机的燃油系统进行了一些改进，在保汪原 机芹牙热效率和| i d 样的输出功率、转矩及燃油经济性的前提下，不用任何废气再循 环系统和废气处理装芏j ：， 0 x 的排放就l i 能大幅降低。刚时，碳烟排放为零，没有 任何加速烟度，颗粒排放电大幅度降低，排放仅来自少量的润滑油。并j 1 n o 。与 碳炯排放控制| 1 ，j 矛盾不再存在了。这蝗研究表明二甲醚燃料可实现清洁燃烧，实 现柴油发动机超低排放，被称为2 1l i j ：纪柴 | | 机十分到l 想的替代燃料n 引。 a v l 公司在a v i 。l a e d e r 柴油机上燃用d m e 结果表明，在全负荷范围p i d m e 的消耗 率大致与用柴油的消耗率相当，畈! 声比削柴油低1 0 d b ( a ) ，噪声水平接近汽油机 n 3 】 o 二r f 醚燃料技术己引起西方发达国家，政府和专家高度重视，近几年来欧美， 日，韩等发达l i ；j 家十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益，纷纷展开二 甲醚燃料发动 ：1 l 与汽车的影f 究和开发。在欧泖i v o l v o 汽车公司研制出燃用二甲醚 燃$ - t v , j 大客车样车，用于试车一了示范。在日本n k 公司和日本交通公害矽f 究所分别 7 l j i 东：久学硕? 卜学伊论文 研出了燃用二甲醚燃料的卡车样车，五十铃汽车公司研制了二甲醚燃利城市客 车 ! 车。美国一些机沟对l ) j ，i e 替代p 乓油做了大量工作，进行了燃烧性能对：匕。在 中型货车上门试验研究结果显示，d m e ； ；1 柴油在热效率、h c 矛h c o 的排放上具有可 比性。 在l ：霹内，二e f l 醚燃料发动机的研究始于上个世纪9 0 年代中期，相继有天津大 学，西安交大，上海交大，太原理工大学等，他们各自开展了二甲醚燃料喷雾和 燃烧2 ”i 的研究，以及在柴油机一l 燃用二甲醚时发功机的动力性，经济性和j 。三气 排放等方面的 j 弋验谚 究，都取得了一定的成果。 西：交通大学在福特基金的资助下，对直喷式柴汹机燃用二甲醚的燃烧特性 进行了研究，测量了示功图，计算了燃烧特性并与燃用柴油进行了比较。结果点 明，与柴油相比，发动机燃用二甲醚时滞燃明缩短，f 百爆发压力和最大压力升 高率均f 气 i 柴油机。西安交通大学与一汽集团公司、大连柴油机厂联合研制了以 二甲7 为燃料的清洁汽车。 丸漳夕、学在国象自然科学基耸的资助下，近几年来对柴油机燃用二r | 醚基础 理论 色做了相应的研究。在定容燃烧弹试验装置中用背景散射光成像法只j 比研究 二甲：弛勺喷芬特性，结果发现，二二甲醚的着火滞燃期比柴油短，着火位嚣比柴油 更铭近喷嘴一边，二：甲醚火焰亮度比柴油小，其火焰 矗度比柴油低，在燃烧丈i 程 t _ 无碳烟生成。 上海交通大学燃烧排放控制研究室在国家自然科学基金和斟家教委重点科 技项 l 资助下，针对城市大zc 污染日趋严重的情况，以解决柴油车黑烟的问题为 目杨：，砥在对二甲醚燃秘l 的喷身_ 燃烧机理进行研究，1 ：发高效能、低噪声、超 低排污的燎i 用二l p ：燃料4 二j j j 柴油机样机。样机的擗放指标为冬碳烟j | = 放，n o x 和弛粒排放达到超低排放标准。 太厥珧工大学进行了二甲醚与柴油不同比例张f 合，在柴油机上的应用磨合期 研究。柴 l 粘度商，。f 1 爿i 身就是柴汕机的燃料，二叶j 岛l 和柴油的二元泓合燃料有 利于提高二甲酗的粘度。多”1 别高压油泵进行了润滑和密封的试验研究。经台架 试验，二甲醚_ 二油：二元燃料在柴油上的燃用，动力性优于柴泔i 仉，尾气扮放n o x 比原机降 k ；7 0 5 ，则皮下降9 0 ，噪声降低5 d 1 3 ，发动机可靠运j j ：2 0 d , 时，在应用 技术上已有突破n 扣”1 。 8 山东了：学硕士学f ? ! 论文 1 4 本谅题的选题意义蔑，主要研2 p 1 出rj 容 e 内外对甲醚在压燃j 发动机上的研究报道，显示了它作为压燃式发葫 j l 清洁代用燃j ：；的巨大优越性。二甲醚可以从天然气、煤、煤层气和生物原料中制 l 汉。我国的灭然气储量丰富，煤炭资源极具有优势。以前，我国煤炭大部分以直 接燃烧的方式进行利用，效率低，浪费严重，同时造成严重的环境污染，破坏了 生态平衡。丌发煤炭转化和深层加工技术，以媒代臀石油，对于煤多油少r ，j 中国， 可较好解决汽、柴油等石油类液体燃料日益短缺对国民经济发展造成的锚约，这 也是斟家的一项重要能源政策。因此，应用二甲醚代用燃料对于缓解日益紧张的 能源环境问题具有重嘤的意义，同时促进煤等资源的深层次开发。 【 _ ：i 外关于- - r - 1 1 醚的研究报道，大多采用了比较先逊勺柴油机技术，如电控技 术、共轨式燃油喷射系统等。为了适合中固的斟情，彳：研究是在h 内典，型的多缸 直喷式柴油机上展开研究。本文主要进行了以下几方面的研究： 1 扎建发动机实马台架并对压燃式发动机进行改造( 对发动，f 【的：致造主要集 中z i ：燃料供给系统) ，使其适f 二甲醚燃料的使用。 2 泓；叠二甲醚发动机在刁i 同供油参数下的动力、擗放性能。列比实硷结果， 为二q ：弦发动机选定合适的供油参数。然后对二f f j 醚发动机进行十三工况实验， 测量：扑放结果，与囡毛洲 放标准进行对比，确定二甲醚发动机排放水平。 3 为二 醚发动影。设计带中冷器的废气再循环装置，研究废气再循环对二甲 醚发动饥 j ：放、动力性涫皂及经济性能的影响。 4 ；t ! ! 量r i l 一甲醚发动机礼不同工况下的缸内压力信号，绘制出示功图。分析二 f 1 1 ：燃j ：，j 燃烧4 “i 。 9 山东火学顶士学位论文 山东大学硕士学f t 论文 2 1 实验发动机 第二章试验台粲及测薹? 装置 本课题研究实验所厢原型发动机为潍柴动力股份有限公司的t b d 2 2 6 b - 6 i i 直 喷柴i 硅l ：l ：l ，并对发动机进行了改造( 主要是供油系统改造) 使其能够燃用二甲醚 燃料。发动机原型机主要技术参数如表2 1 所示。发动机所用机油为1 5 w 4 0c d 级机油，实验用二甲醚由临沂久泰化工有限公司提供。 表2 - 1 实验原型机技术参数 机型 t b d 2 2 6 b - 6i i 项目 蚕j 直列、六缸、水冷、增压中冷、缸矿i 直喷 缸径行程( m m ) 1 0 5 】2 0 总排量( l ) 6 2 3 4 压绗i 比 18 额定功率( k w ) 15 5 额定j 一? 速( r m in ) 2 3 0 0 最大