二甲醚非标柴油混合燃料 对发动机性能影响的试验研究_图文

1、二甲醚/非标柴油混合燃料对发动机性能影响的试验研究 原霞,王铁 ,冯丹华(太原理工大学 机械工程学院,太原 030024摘要:为了研究二甲醚 /非标柴油混合燃料对发动机性能的影响,本文首先利用 FIRE 软件对柴油和混合燃 料的排放进行模拟仿真。然后在云内 4100增压中冷柴油机上进行了柴油、 D30混合燃料(即质量比二甲醚 30%,非标柴油 70% 、 D50混合燃料的排放性、动力性、经济性试验研究。结果表明燃用混合燃料可以有 效降低发动机的排放,试验结论和仿真结果一致。最后就 EGR 技术对 D50混合燃料发动机的排放影响进行 研究,结论表明:合理选择 EGR 率可以在进一步降低 NOx

2、排放的基础上避免对烟度、 CO 、 HC 排放造成负面 影响。关键词:二甲醚;非标柴油; EGR ;排放性面临能源和环保问题的挑战,代用燃料的研 究和开发对能源结构的调整具有重要的战略意 义。 目前柴油机使用的代用燃料主要有:天然气、 液化石油气、醚类燃料、醇类燃料、乳化燃料、 生物柴油等。国内,天津大学、上海交通大学、 西安交通大学、吉林大学、华中科技大学等各自 开展了各种代用燃料喷雾和燃烧特性、发动机性 能的研究 1。太原理工大学从 2000年开展了在柴 油机燃用二甲醚与柴油的混合燃料的试验研究。 2009年开展了柴油机上燃用二甲醚 /非标柴油混 合燃料的课题。同年在 D1110直喷式柴油

3、机上进 行了低比例 D10(二甲醚非标柴油质量分数比为 1: 9 、 D20、 D30混合燃料和高比例 D70、 D80、 D90混合燃料的实验研究 2-3。本文在对 4100QBZL 增 压柴油机上燃用二甲醚 /非标柴油混合燃料进行 仿真和台架试验研究。1 试验测试设备及试验方案1.1 燃料理化特性表 1 二甲醚、0#柴油、非标柴油的理化特性 性能指标 二甲醚 柴油 非标柴油 密度(20 /(kg/m3668/s 3.1 5.57 非标柴油不同于现在柴油机使用的石油产 品。它是一种石油馏分的产物,是由重油、重柴 油与渣油等低值油调制而成的。目前国内尚未制 定相关标准。表 1为二甲醚、 0#柴

4、油、非标柴油 主要理化特性对比。1.2 试验测试设备本试验机为昆明云内 4100QBZL 直列四缸、 强 制水冷发动机,缸径 ×行程为 100×105mm,压缩 比为 17.5:1,直喷 型燃烧室,标定功率 /转速 70kW /3200rpm。试验测试设备和试验系统图如表 2所示。表 2 主要测试设备及仪器实验用设备仪器 型 号 生产厂家 电涡流测功机 DW160 四川诚邦 发动机测试系统 ET2000 四川诚邦 智能油耗仪 ET2400 四川诚邦 电子计量秤 XK3190-D9 山西万立 五组分尾气排放仪 AVL DIGOM 4000 AVL不透光烟度计 AVL DISM

5、OKE 480 AVL缸压传感器 6125B Kistler 缸压电荷放大器 4618A2 Kistler 燃烧分析仪 DEWE-800-CA-SE DEWETRON1.3 试验方案1进行二甲醚与非标柴油的互溶性试验。 2 对原机不做任何改动的情况下, 测试发动 机燃用 0#柴油的各项性能。3 对原机供油系统进行改造, 燃用 D30、 D50二甲醚 /非标柴油混合燃料, 测试混合燃料发动机 的动力性、经济性、排放性能。4 对 D50混合燃料发动机的供油提前角进行 优化匹配后,研究 EGR 对排放性能的影响。2 仿真研究本 文 使 用 AVL 公 司 的 FIRE 软 件 模 拟 2200r/m

6、in全负荷工况下燃用不同燃料的缸内排 放情况。因为试验柴油机为半开式 型燃烧室, 喷油器的 6个喷孔沿周向均匀分布,因此选 1/6作为燃烧室模型。将压缩行程上止点对应的曲轴 转角定义为 720°CA, 进气门关闭时刻为 588°CA, 排气门开启时刻为 834.3°CA。 模拟过程从进气门 关闭开始,排气门开启前结束。2.1 NOx生成浓度场分析表 3 燃烧室内 NOx 生成浓度场 736°CA740°CA745°CA750°CA由表 3可知:三种燃料 NOx 生成的主要区域都处于燃烧室内的底部和燃烧室右侧的活塞余隙中。 随

7、着二甲醚掺烧比例的增加, NOx 生成速率降低,因此,掺烧二甲醚可以降低 NOx 排放。 2.2 烟度生成浓度场分析表 4 燃烧室内 Soot 生成浓度场 722°CA724°CA726°CA728°CA本文选取了碳烟生成速率最高的 722°CA到728°CA区间作为研究对象。 表 4为三种燃料在选取的模拟区间内碳烟的生成浓度场。由表可见:碳烟主要生成区域在燃烧室底部和燃烧室的左侧,随着二甲醚掺混比例的增加碳烟生成浓度场明显降低。3 试验结果分析3.1 互溶性试验结果由表 1可知二甲醚和非标柴油理化特性相差较大,二甲醚与非标柴油的互溶

8、性决定了发动机能否稳定工作。因此台架试验前需进行二甲醚与非标柴油的互溶性试验。试验结果如表 5所示 4。本试验是在 27以上的室温条件下进行的。试验结果表明:在压力密度计中将二甲醚 /非标柴 油混合燃料摇匀加压到 0.6MPa , 静置 24小时后混 合燃料无分层无絮状物生成。3.2 排放性对比 由于二甲醚特殊理化特性因此在使用混合燃 料时对供油系统进行以下改进,喷油泵柱塞直径 增大为 9.5mm , 适当增加柱塞的有效行程, 增大高 压油管的直径。利用增压泵和溢流阀保证供油系 统中的混合燃料为液态。回油管加装冷却器,确 保混合燃料罐内的温度保持在 30°C以下。将滤 清器的滤芯由原

9、来的铸铁材料更换为碳钢材料。 供油系统中高压油管和喷油器回油管更换为不锈 钢,将进油管和回油管用耐醇管代替。 3.2.1 NOx排放对比 图 1 NOx排放影响曲线图 1为三种燃料在 2200r/min负荷特性工况 下的 NOx 排放曲线。 2200r/min全负荷工况下柴油机 NOx 排放为 1278×10-6, D30发动机 NOx 排放降 幅达 10.3%; D50发动机 NOx 排放降幅达 25.6%。 NOx 排放降低的主要原因一是二甲醚和非标柴油 的十六烷值均高于 0#柴油,因此混合燃料的着火 性能得到了较为明显的改善。二是二甲醚汽化潜 热较大,蒸发汽化过程中吸收了大量热

10、量,使得 气缸内最高温度与燃烧压力均降低,从而抑止了 NOx 的生成。 再者是因为二甲醚本身含氧, 因此二 甲醚的掺烧缓解了燃烧室内的缺氧状况, 使得 NOx 排放有所降低。 3.2.2 烟度排放对比图 2给出三种燃料 2200r/min负荷特性工况 下的烟度排放曲线。图中可见:随着二甲醚掺烧 比例的提高,烟度排放降低,各工况下 D50发动 机的烟度排放保持在较低的范围内。原因在于二 甲醚是一种含氧燃料,分子结构中不存在 C-C 键 和由碳单键和双键交替组成的苯环结构。其沸点 低、 易汽化,有利于混合燃料与空气的均匀混合,而且二甲醚燃烧速度较快。这些特点抑制了燃烧 过程中碳烟的生成。图 2烟度

11、排放影响曲线3.2.3 CO排放对比图 3 CO排放影响曲线图 3为三种燃料在 2200r/min负荷特性工况 下的 CO 排放。图中可见:随着二甲醚掺烧比例的 增加, CO 排放降低。原因在于二甲醚的自含氧, 缓解了燃烧室内的缺氧状况,而且燃烧后期缸内 温度较高,在高温富氧条件下 CO 氧化成 CO 2,因 此 CO 排放降低。 3.2.4 HC排放对比图 4为三种燃料 2200r/min负荷特性工况下 的 HC 排放曲线。 由图可见, 混合燃料发动机的 HC 排放高于柴油机,尤其在低负荷工况下;随着二 甲醚掺烧比例的增加 HC 排放有所降低,而且 D50发动机 HC 排放在高负荷工况下低于

12、柴油机。 原因 在于非标柴油粘度大,不容易汽化蒸发,尤其是 在低负荷工况下,缸内温度和压力较低,未燃混 合气增多, HC 排放增大。 随着二甲醚比例的增加, 混合燃料的雾化性能有所提高, HC 排放降低。 图 4 HC排放影响曲线3.3 经济性对比 图 5 外特性油耗率影响曲线图 5为三种燃料的经济性对比曲线。由图可 见:低速工况下二甲醚 /非标柴油混合燃料发动机 的当量油耗率比柴油机略有升高。 中高速工况下, D30发动机的当量油耗率仍比柴油机高, D50发动 机油耗率比柴油的当量油耗率低。原因在于低转 速时,二甲醚汽化会降低缸内温度,混合燃料与 空气混合的质量变差,燃烧恶化导致当量油耗率

13、升高。中高速工况下,混合燃料的雾化质量提高, 滞燃期缩短,扩散燃烧速度加快,提高了燃烧效 率。3.4 动力性对比图 6为三种混合燃料的动力性对比曲线。由 图可见,在 16002400r/min转速范围内两种混 合燃料与柴油相比扭矩降幅不大, D30在该范围内 的最大降幅为 1.1%, D50为 5.1%。发动机主要是 在中等转速工况下工作,因此采用混合燃料对发 动机动力性影响不大。图 6外特性动力性影响曲线3.5 EGR率对发动机性能的影响EGR 技术是降低柴油机 NOx 排放简单而有效 的措施。为满足更为严格的排放法规,本文探讨 了采用废气再循环 (EGR对降低 NOx 排放的影响。 本文在

14、上述试验基础上对供油提前角进行优化, 采用涡前压后的废气引流方式,研究 EGR 对 D50混合燃料发动机排放影响的研究。 3.5.1 EGR率对 NOx排放的影响图 7 EGR率对 NOx 排放的影响图 7为 2200r/min各负荷工况下 EGR 率对 NOx 排放的影响。由图可见,转速和负荷一定的 工况下, 随着 EGR 率的增加, NOx 排放得到显著 的改善,高负荷工况下尤其明显。 NOx 生成的三 大要素为高温、富氧以及高温下的滞留时间 5。 采用 EGR 系统引入废气, 首先降低了缸内氧气的 浓度,其次废气中存在比热容较大的惰性气体, 降低了缸内温度,破坏了 NOx 生成的条件,排

15、放 降低。3.5.2 EGR 率对烟度排放的影响中国内燃机学会燃烧节能净化分会 2011 年学术年会 CSICE2011-097 废气中比热容较大的惰性气体吸热降低了缸内温 度，导致燃烧恶化，造成 HC 排放升高。 图8 EGR 率对烟度排放的影响 图 10 EGR 率对 HC 排放的影响 图 8 为 2200r/min 各负荷工况下 EGR 率对烟 度排放的影响。由图可见，转速和负荷一定的工 况下，随着 EGR 率的增加，中低负荷工况下烟度 排放略增；高负荷工况下在较低的 EGR 率范围内 排放增幅不大，在大 EGR 率工况下工作时排放呈 指数增加。因此在高负荷工况下，应采用较低的 EGR

16、率，以保证烟度排放处于较低水平。 3.5.3 EGR 率对 CO 排放的影响 4 结论 本文通过对柴油机供油系统进行改进和调整 供油系统参数， 对柴油机燃用二甲醚/非标柴油混 合燃料进行仿真和试验研究，结果表明： 1）与柴油机相比混合燃料发动机的 NOx 排放降 低；烟度排放大幅降低；CO 排放略有降低；HC 排 放略有升高，但整体上处于较低水平。仿真结果 和台架试验结果一致。 2） 与柴油机相比常用转速范围内混合燃料和柴 油机的动力性基本相当。 3）与柴油机相比低速工况下混合燃料发动机的 当量油耗率略有升高，中高速工况下随着二甲醚 掺混比例的增大，当量油耗率降低。 4） 技术是降低发动机 N

17、Ox 排放的有效手段， EGR 合理选择 EGR 率可以在进一步降低 NOx 排放的基 础上避免烟度、CO、HC 排放增加。 参考文献 1 黄 震 ， 乔 信 起 ， 张 武 高 等 内 燃 机 学 报 J2008(12：115-125. 2 王克亮非标柴油-二甲醚柱塞偶件磨损研究硕士 学位论文太原：太原理工大学，2009 3 饶海生非标柴油-二甲醚混合燃料发动机的试验研 究硕士学位论文太原：太原理工大学，2009 4 冯丹华 非标柴油/二甲醚混合燃料在增压柴油机上 的应用研究硕士学位论文太原：太原理工大学， 2011 5 蒋德明内燃机燃烧与排放学西安：西安交通大 学出版社，2001 图9 EGR 率对 CO 排放的影响 图 9 为 2200r/min 各负荷工况下 EGR 率对 CO 排放的影响。由图