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二甲醚柴油混合燃料互溶性试验研究

随着世界环境的恶化和排放法律法规的日益严格,我们必须努力降低汽车燃料的性能。机颗粒和NOx排放的措施已成为内燃机研究的一项重要课题.二甲醚(DME)作为压燃式柴油机的清洁代用燃料近年来受到国内外学者的广泛关注.研究表明,二甲醚能够实现发动机高效、超低排放、柔和和无烟燃烧.在柴油中添加低比例的二甲醚构成混合燃料,可以充分利用二甲醚的雾化性能好和柴油的润滑性,解决纯二甲醚发动机供油系统的磨损和泄漏问题,且仍然能够同时大幅度降低NOx和颗粒排放.本文进行了几种不同配比的二甲醚/柴油混合燃料的互溶性及发动机性能的试验研究,目的是寻求二甲醚在柴油中合适的添加比例,使柴油机燃烧系统参数在尽量不作改动的情况下燃用混合燃料并获得良好的性能.1甲醚/柴油混合燃料的互溶性由于二甲醚的理化性能与柴油存在差异,在进行发动机试验前需要进行柴油与二甲醚的互溶性试验研究.本文主要开展了不同比例的二甲醚/柴油混合燃料的饱和蒸气压力和浊点(即临界互溶点)的测量,从而确定混合燃料在发动机上应用的安全温度和输运压力范围.1.1饱和蒸气压与温度的关系由于发动机燃油供应系统靠近发动机机体,并且高压油泵在往复泵油时摩擦生热,试验测定,发动机稳定工作在标定工况时,在有较大量回油的情况下,高压油泵油腔内燃油的温度在40℃左右.因此,必须测量混合燃料饱合蒸气压与温度之间的关系,以便对混合燃料供油系统增加足够的压力,才能保证混合燃料以液体状态进入高压油泵,保证油路中无气阻现象.分别将纯二甲醚以及不同比例的二甲醚/柴油混合燃料装入耐压极限为3MPa、容积为0.1L的特制石英容器内,放入恒温槽,通过温度控制系统和压力测试系统测得纯二甲醚和混合燃料的饱和蒸气压pG随环境温度Ta的变化关系曲线如图1所示.由图可以看出,二甲醚/柴油混合燃料的饱和蒸气压相对纯二甲醚大大降低.随着二甲醚添加比例的增大,二甲醚/柴油混合燃料的饱和蒸气压上升.发动机燃用二甲醚/柴油混合燃料时,低压油路的压力可根据图1利用压力调节阀设定在0.5~0.7MPa左右.1.2混合燃料的选择在环境温度降低到混合燃料浊点以下后,二甲醚和柴油混合将出现不能互溶的现象,外观表现为燃料中出现絮状物并浑浊,此时的燃料由于流动性差,无法保证发动机正常工作.通过温度控制系统逐渐降低恒温槽内的温度,并在每一温度下保温几分钟,直至通过观察窗看到容器内的混合燃料出现絮状物,将此时的温度作为燃料的浊点,得出二甲醚与0#柴油混合溶液的浊点随二甲醚质量分数的变化关系如图2所示,图中Tcr为临界互溶温度.柴油中所掺入二甲醚组分越多,混合燃料的浊点较柴油降低越明显.当混合燃料中二甲醚的质量分数达到30%时,燃料的浊点可以降低到-6℃.由此可见,混合燃料可以较柴油在更低的温度下使用,从而有效提高了发动机对环境的适应能力.2燃料供给系统系统试验所用柴油机为无锡柴油机厂生产的CA4113柴油机,其主要技术参数如下所述:缸径、行程分别为113、125mm,4缸,排量为5.014L,压缩比为17,供油提前角为14°.本试验对燃料供给系统进行了技术改造:储油箱采用车用液化石油气储罐;将原有回油系统的塑料油管改为铜管,以承受一定的压力;原机中纸质滤清器更换为专用耐压耐腐蚀的细滤器;考虑原机低压输油泵的输油压力和密封性,在新燃油系统中使用专用转子输油泵.图3为本试验台架安装系统示意图.试验中采用奥地利AVL公司生产的AVLDigas4000发动机排气分析仪测量发动机排气中的NOx、CO和HC排放.烟度测量采用AVLDiSmoke4000部分流不透光烟度计.3发动机动力性能试验比较试验比较了柴油机燃用柴油和D10、D15、D20、D30燃料的发动机动力性能,比较了供油提前角优化前后的发动机性能.试验工况为发动机外特性和最大扭矩点转速的负荷特性.3.1在原飞机参数下测试3.1.1甲醚密度对燃料燃烧特性的影响由图4可以看出,在整个发动机工作转速范围内,混合燃料中二甲醚含量越大,发动机的功率P下降越大.其中D10燃料功率下降约3.5~5kW,D15燃料功率下降约6~7kW,D20燃料功率下降约8~10kW.由于功率下降较大,D30燃料不适合发动机燃用.混合燃料发动机功率下降的原因是,二甲醚的热值较纯柴油低,导致混合燃料的热值较纯柴油的热值低,并且由于二甲醚密度小,导致混合燃料循环供油量的质量变小.虽然掺烧二甲醚可以改善柴油的燃烧特性,但此时混合燃料的功率变化主要取决于燃料热值降低和循环供油量减少带来的影响.3.1.2二甲醚/柴油混合燃料由图5可以看出,D10、D15两种燃料的等热值燃油消耗率be比柴油的燃油消耗率低.在柴油中添加二甲醚能提高发动机燃料经济性的原因是,二甲醚中氧的原子量与二甲醚的分子量之比为34.8%,二甲醚/柴油混合燃料由于加入二甲醚使混合燃料在燃烧过程中具有自供氧能力,并且二甲醚雾化性能好,改善了燃料的燃烧.D20燃油消耗率相对D10、D15燃料有所升高,这是因为随着混合燃料中二甲醚含量的升高,供油持续期延长,后燃增加,导致燃油消耗率升高.3.1.3甲醚/柴油混合燃料混合燃料在柴油调湿由图6可以看出:在中低负荷时,不同掺烧比例的混合燃料的碳烟排放与柴油相比变化不大,这是因为柴油机在此负荷区域过量空气系数大,富氧状态使燃料燃烧充分,碳烟排放处于很低的水平;在高负荷时由于过量空气系数变小,纯柴油燃烧时混合气的形成与燃烧变差,导致碳烟急剧增加,而此时混合燃料由于二甲醚含氧及其良好的雾化性能,仍然能保证燃料充分燃烧,从而大幅度地降低碳烟排放,降低幅度达60%以上,而且碳烟排放随二甲醚掺烧比例的增加而降低.由图7可以看出,在柴油中掺入二甲醚可以明显地降低柴油机的NOx排放.燃用二甲醚/柴油混合燃料的NOx排放与柴油相比下降了300×10-6,下降幅度达20%左右.二甲醚/柴油混合燃料能够降低发动机NOx排放的原因是二甲醚的自燃温度低、十六烷值高、滞燃期短、预混燃烧量少、气缸内的最高燃烧温度较低,从而抑制了NOx的生成.其次,二甲醚的气化潜热比柴油大,气化过程中要吸收大量的热,使得气缸内的最高温度下降,这也在一定程度上抑制了NOx的产生.另外,燃用二甲醚/柴油混合燃料的实际供油角度相对柴油滞后,延迟供油也降低了NOx排放.3.2模型2:调节好燃烧过程的负功柴油机燃用二甲醚/柴油混合燃料后,由于雾化改善,滞燃期缩短,会使燃烧提前,适当地推迟供油提前角φ可以减小压缩过程的负功,有利于提高热功转换效率,提高发动机的功率输出,并对NOx排放也产生有利的影响.然而,推迟喷油过多将使燃烧过程较多地在膨胀过程中进行,不仅会引起发动机动力性和经济性变坏,排气温度升高,同时烟度等排放也相应增加.因此,对于一定掺烧比的混合燃料,存在最佳的供油提前角,它可以使发动机的功率输出及排放指标处于较好的水平.3.2.1延迟强化后三大燃料功率对比图8为供油提前角推迟2°供油后发动机燃用柴油和不同混合比例的燃料外特性功率的对比.从推迟喷油前后发动机的功率对比可以看出,推迟供油能够提高二甲醚/柴油混合燃料发动机的功率.当推迟2°供油后,发动机燃用混合燃料与原机燃用柴油时相比:D10燃料功率下降2~4kW,下降幅度为3%~5%;D15燃料功率下降4~6kW,功率下降幅度为5%~7%;D20燃料功率下降7~9kW,下降幅度为8%~10%.3.2.2燃料经济性对比图9为柴油和不同混合比例燃料的经济性对比.通过推迟喷油前后燃料经济性对比可以看出,二甲醚/柴油混合燃料的等热值燃油消耗率比推迟前有所降低,这是因为推迟喷油后减少了压缩负功的影响.3.2.3不同可燃性燃料模型的供热提前角图10为供油提前角推迟2°时不同混合比例燃料的碳烟排放对比.通过推迟喷油前后碳烟排放对比可以看出,碳烟排放并无明显变化.从图11可以看出,供油提前角推迟2°后,NOx排放进一步降低,与燃用柴油相比下降了500×10-6,下降幅度达30%左右.试验表明,继续减小供油提前角至10°时,发动机不能稳定工作.综合比较发动机各方面的性能,CA4113发动机燃用二甲醚/柴油混合燃料的最佳供油提前角为12°.4甲醚/柴油混合燃料发动机(

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