二甲醚非標柴油混合燃料 對發(fā)動機性能影響的試驗研究

1、二甲醚/非標柴油混合燃料對發(fā)動機性能影響的試驗研究 原霞,王鐵 ,馮丹華(太原理工大學 機械工程學院,太原 030024摘要:為了研究二甲醚 /非標柴油混合燃料對發(fā)動機性能的影響,本文首先利用 FIRE 軟件對柴油和混合燃 料的排放進行模擬仿真。然后在云內(nèi) 4100增壓中冷柴油機上進行了柴油、 D30混合燃料(即質量比二甲醚 30%,非標柴油 70% 、 D50混合燃料的排放性、動力性、經(jīng)濟性試驗研究。結果表明燃用混合燃料可以有 效降低發(fā)動機的排放,試驗結論和仿真結果一致。最后就 EGR 技術對 D50混合燃料發(fā)動機的排放影響進行 研究,結論表明:合理選擇 EGR 率可以在進一步降低 NOx

2、排放的基礎上避免對煙度、 CO 、 HC 排放造成負面 影響。關鍵詞:二甲醚;非標柴油; EGR ;排放性面臨能源和環(huán)保問題的挑戰(zhàn),代用燃料的研 究和開發(fā)對能源結構的調(diào)整具有重要的戰(zhàn)略意 義。 目前柴油機使用的代用燃料主要有:天然氣、 液化石油氣、醚類燃料、醇類燃料、乳化燃料、 生物柴油等。國內(nèi),天津大學、上海交通大學、 西安交通大學、吉林大學、華中科技大學等各自 開展了各種代用燃料噴霧和燃燒特性、發(fā)動機性 能的研究 1。太原理工大學從 2000年開展了在柴 油機燃用二甲醚與柴油的混合燃料的試驗研究。 2009年開展了柴油機上燃用二甲醚 /非標柴油混 合燃料的課題。同年在 D1110直噴式柴油

3、機上進 行了低比例 D10(二甲醚非標柴油質量分數(shù)比為 1: 9 、 D20、 D30混合燃料和高比例 D70、 D80、 D90混合燃料的實驗研究 2-3。本文在對 4100QBZL 增 壓柴油機上燃用二甲醚 /非標柴油混合燃料進行 仿真和臺架試驗研究。1 試驗測試設備及試驗方案1.1 燃料理化特性表 1 二甲醚、0#柴油、非標柴油的理化特性 性能指標 二甲醚 柴油 非標柴油 密度(20 /(kg/m3668840 867 低熱值 /(MJ/kg 27.6 42.5 45.6 運動粘度 (40 /(mm 20.22/s 3.1 5.57 非標柴油不同于現(xiàn)在柴油機使用的石油產(chǎn) 品。它是一種石油

4、餾分的產(chǎn)物,是由重油、重柴 油與渣油等低值油調(diào)制而成的。目前國內(nèi)尚未制 定相關標準。表 1為二甲醚、 0#柴油、非標柴油 主要理化特性對比。1.2 試驗測試設備本試驗機為昆明云內(nèi) 4100QBZL 直列四缸、 強 制水冷發(fā)動機,缸徑 ×行程為 100×105mm,壓縮 比為 17.5:1,直噴 型燃燒室,標定功率 /轉速 70kW /3200rpm。試驗測試設備和試驗系統(tǒng)圖如表 2所示。表 2 主要測試設備及儀器實驗用設備儀器 型 號 生產(chǎn)廠家 電渦流測功機 DW160 四川誠邦 發(fā)動機測試系統(tǒng) ET2000 四川誠邦 智能油耗儀 ET2400 四川誠邦 電子計量秤 XK3

5、190-D9 山西萬立 五組分尾氣排放儀 AVL DIGOM 4000 AVL不透光煙度計 AVL DISMOKE 480 AVL缸壓傳感器 6125B Kistler 缸壓電荷放大器 4618A2 Kistler 燃燒分析儀 DEWE-800-CA-SE DEWETRON1.3 試驗方案1進行二甲醚與非標柴油的互溶性試驗。 2 對原機不做任何改動的情況下, 測試發(fā)動 機燃用 0#柴油的各項性能。3 對原機供油系統(tǒng)進行改造, 燃用 D30、 D50二甲醚 /非標柴油混合燃料, 測試混合燃料發(fā)動機 的動力性、經(jīng)濟性、排放性能。4 對 D50混合燃料發(fā)動機的供油提前角進行 優(yōu)化匹配后,研究 EGR

6、 對排放性能的影響。2 仿真研究本 文 使 用 AVL 公 司 的 FIRE 軟 件 模 擬 2200r/min全負荷工況下燃用不同燃料的缸內(nèi)排 放情況。因為試驗柴油機為半開式 型燃燒室, 噴油器的 6個噴孔沿周向均勻分布,因此選 1/6作為燃燒室模型。將壓縮行程上止點對應的曲軸 轉角定義為 720°CA, 進氣門關閉時刻為 588°CA, 排氣門開啟時刻為 834.3°CA。 模擬過程從進氣門 關閉開始,排氣門開啟前結束。2.1 NOx生成濃度場分析表 3 燃燒室內(nèi) NOx 生成濃度場 736°CA740°CA745°CA750&#

7、176;CA由表 3可知:三種燃料 NOx 生成的主要區(qū)域都處于燃燒室內(nèi)的底部和燃燒室右側的活塞余隙中。 隨著二甲醚摻燒比例的增加, NOx 生成速率降低,因此,摻燒二甲醚可以降低 NOx 排放。 2.2 煙度生成濃度場分析表 4 燃燒室內(nèi) Soot 生成濃度場 722°CA724°CA726°CA728°CA注:三種發(fā)動機燃燒室內(nèi) Soot 生成濃度場的縱坐標最大值依次為:0.1、 0.03、 0.001本文選取了碳煙生成速率最高的 722°CA到728°CA區(qū)間作為研究對象。 表 4為三種燃料在選取的模擬區(qū)間內(nèi)碳煙的生成濃度場。由

8、表可見:碳煙主要生成區(qū)域在燃燒室底部和燃燒室的左側,隨著二甲醚摻混比例的增加碳煙生成濃度場明顯降低。3 試驗結果分析3.1 互溶性試驗結果由表 1可知二甲醚和非標柴油理化特性相差較大,二甲醚與非標柴油的互溶性決定了發(fā)動機能否穩(wěn)定工作。因此臺架試驗前需進行二甲醚與非標柴油的互溶性試驗。試驗結果如表 5所示 4。本試驗是在 27以上的室溫條件下進行的。試驗結果表明:在壓力密度計中將二甲醚 /非標柴 油混合燃料搖勻加壓到 0.6MPa , 靜置 24小時后混 合燃料無分層無絮狀物生成。表 5 二甲醚/非標柴油互溶性試驗結果 試驗比例 D30 D40 D50 二甲醚量 /(kg 0.06 0.08 0

9、.10 重柴油量 /(kg 0.14 0.12 0.10 混合時壓力 /(MPa 0.55 0.59 0.56 混合時溫度 /(°C 33.1 35 33 搖勻后壓力 /(MPa 0.33 0.47 0.45 搖勻后溫度 /(°C 33.1 35 33 靜置 5小時壓力 /(MPa 0.33 0.45 0.45 靜置 5小時溫度 /(°C 26.5 28.5 26 靜置 24小時壓力 /(MPa 0.38 0.39 0.45 靜置 24小時溫度 /(°C 29.5 27.5 29.53.2 排放性對比 由于二甲醚特殊理化特性因此在使用混合燃 料時對供油系

10、統(tǒng)進行以下改進,噴油泵柱塞直徑 增大為 9.5mm , 適當增加柱塞的有效行程, 增大高 壓油管的直徑。利用增壓泵和溢流閥保證供油系 統(tǒng)中的混合燃料為液態(tài)?；赜凸芗友b冷卻器,確 保混合燃料罐內(nèi)的溫度保持在 30°C以下。將濾 清器的濾芯由原來的鑄鐵材料更換為碳鋼材料。 供油系統(tǒng)中高壓油管和噴油器回油管更換為不銹 鋼,將進油管和回油管用耐醇管代替。 3.2.1 NOx排放對比 圖 1 NOx排放影響曲線圖 1為三種燃料在 2200r/min負荷特性工況 下的 NOx 排放曲線。 2200r/min全負荷工況下柴油機 NOx 排放為 1278×10-6, D30發(fā)動機 NOx

11、排放降 幅達 10.3%; D50發(fā)動機 NOx 排放降幅達 25.6%。 NOx 排放降低的主要原因一是二甲醚和非標柴油 的十六烷值均高于 0#柴油,因此混合燃料的著火 性能得到了較為明顯的改善。二是二甲醚汽化潛 熱較大,蒸發(fā)汽化過程中吸收了大量熱量,使得 氣缸內(nèi)最高溫度與燃燒壓力均降低,從而抑止了 NOx 的生成。 再者是因為二甲醚本身含氧, 因此二 甲醚的摻燒緩解了燃燒室內(nèi)的缺氧狀況, 使得 NOx 排放有所降低。 3.2.2 煙度排放對比圖 2給出三種燃料 2200r/min負荷特性工況 下的煙度排放曲線。圖中可見:隨著二甲醚摻燒 比例的提高,煙度排放降低,各工況下 D50發(fā)動 機的煙

12、度排放保持在較低的范圍內(nèi)。原因在于二 甲醚是一種含氧燃料,分子結構中不存在 C-C 鍵 和由碳單鍵和雙鍵交替組成的苯環(huán)結構。其沸點 低、 易汽化,有利于混合燃料與空氣的均勻混合,而且二甲醚燃燒速度較快。這些特點抑制了燃燒 過程中碳煙的生成。圖 2煙度排放影響曲線3.2.3 CO排放對比圖 3 CO排放影響曲線圖 3為三種燃料在 2200r/min負荷特性工況 下的 CO 排放。圖中可見:隨著二甲醚摻燒比例的 增加, CO 排放降低。原因在于二甲醚的自含氧, 緩解了燃燒室內(nèi)的缺氧狀況,而且燃燒后期缸內(nèi) 溫度較高,在高溫富氧條件下 CO 氧化成 CO 2,因 此 CO 排放降低。 3.2.4 HC

13、排放對比圖 4為三種燃料 2200r/min負荷特性工況下 的 HC 排放曲線。 由圖可見, 混合燃料發(fā)動機的 HC 排放高于柴油機,尤其在低負荷工況下;隨著二 甲醚摻燒比例的增加 HC 排放有所降低,而且 D50發(fā)動機 HC 排放在高負荷工況下低于柴油機。 原因 在于非標柴油粘度大,不容易汽化蒸發(fā),尤其是 在低負荷工況下,缸內(nèi)溫度和壓力較低,未燃混 合氣增多, HC 排放增大。 隨著二甲醚比例的增加, 混合燃料的霧化性能有所提高, HC 排放降低。 圖 4 HC排放影響曲線3.3 經(jīng)濟性對比 圖 5 外特性油耗率影響曲線圖 5為三種燃料的經(jīng)濟性對比曲線。由圖可 見:低速工況下二甲醚 /非標柴

14、油混合燃料發(fā)動機 的當量油耗率比柴油機略有升高。 中高速工況下, D30發(fā)動機的當量油耗率仍比柴油機高, D50發(fā)動 機油耗率比柴油的當量油耗率低。原因在于低轉 速時,二甲醚汽化會降低缸內(nèi)溫度,混合燃料與 空氣混合的質量變差,燃燒惡化導致當量油耗率 升高。中高速工況下,混合燃料的霧化質量提高, 滯燃期縮短,擴散燃燒速度加快,提高了燃燒效 率。3.4 動力性對比圖 6為三種混合燃料的動力性對比曲線。由 圖可見,在 16002400r/min轉速范圍內(nèi)兩種混 合燃料與柴油相比扭矩降幅不大, D30在該范圍內(nèi) 的最大降幅為 1.1%, D50為 5.1%。發(fā)動機主要是 在中等轉速工況下工作,因此采用

15、混合燃料對發(fā) 動機動力性影響不大。圖 6外特性動力性影響曲線3.5 EGR率對發(fā)動機性能的影響EGR 技術是降低柴油機 NOx 排放簡單而有效 的措施。為滿足更為嚴格的排放法規(guī),本文探討 了采用廢氣再循環(huán) (EGR對降低 NOx 排放的影響。 本文在上述試驗基礎上對供油提前角進行優(yōu)化, 采用渦前壓后的廢氣引流方式,研究 EGR 對 D50混合燃料發(fā)動機排放影響的研究。 3.5.1 EGR率對 NOx排放的影響圖 7 EGR率對 NOx 排放的影響圖 7為 2200r/min各負荷工況下 EGR 率對 NOx 排放的影響。由圖可見,轉速和負荷一定的 工況下, 隨著 EGR 率的增加, NOx 排

16、放得到顯著 的改善,高負荷工況下尤其明顯。 NOx 生成的三 大要素為高溫、富氧以及高溫下的滯留時間 5。 采用 EGR 系統(tǒng)引入廢氣, 首先降低了缸內(nèi)氧氣的 濃度,其次廢氣中存在比熱容較大的惰性氣體, 降低了缸內(nèi)溫度,破壞了 NOx 生成的條件,排放 降低。3.5.2 EGR 率對煙度排放的影響中國內(nèi)燃機學會燃燒節(jié)能凈化分會 2011 年學術年會 CSICE2011-097 廢氣中比熱容較大的惰性氣體吸熱降低了缸內(nèi)溫 度，導致燃燒惡化，造成 HC 排放升高。 圖8 EGR 率對煙度排放的影響 圖 10 EGR 率對 HC 排放的影響 圖 8 為 2200r/min 各負荷工況下 EGR 率對

17、煙 度排放的影響。由圖可見，轉速和負荷一定的工 況下，隨著 EGR 率的增加，中低負荷工況下煙度 排放略增；高負荷工況下在較低的 EGR 率范圍內(nèi) 排放增幅不大，在大 EGR 率工況下工作時排放呈 指數(shù)增加。因此在高負荷工況下，應采用較低的 EGR 率，以保證煙度排放處于較低水平。 3.5.3 EGR 率對 CO 排放的影響 4 結論 本文通過對柴油機供油系統(tǒng)進行改進和調(diào)整 供油系統(tǒng)參數(shù)， 對柴油機燃用二甲醚/非標柴油混 合燃料進行仿真和試驗研究，結果表明： 1）與柴油機相比混合燃料發(fā)動機的 NOx 排放降 低；煙度排放大幅降低；CO 排放略有降低；HC 排 放略有升高，但整體上處于較低水平。

18、仿真結果 和臺架試驗結果一致。 2） 與柴油機相比常用轉速范圍內(nèi)混合燃料和柴 油機的動力性基本相當。 3）與柴油機相比低速工況下混合燃料發(fā)動機的 當量油耗率略有升高，中高速工況下隨著二甲醚 摻混比例的增大，當量油耗率降低。 4） 技術是降低發(fā)動機 NOx 排放的有效手段， EGR 合理選擇 EGR 率可以在進一步降低 NOx 排放的基 礎上避免煙度、CO、HC 排放增加。 參考文獻 1 黃 震 ， 喬 信 起 ， 張 武 高 等 內(nèi) 燃 機 學 報 J2008(12：115-125. 2 王克亮非標柴油-二甲醚柱塞偶件磨損研究碩士 學位論文太原：太原理工大學，2009 3 饒海生非標柴油-二甲醚混合燃料發(fā)動機的試驗研 究碩士學位論文太原：太原理工大學，2009 4 馮丹華 非標柴油/二甲醚混合燃料在增壓柴油機上 的應用研究碩士學位論文太原：太原理工大學， 2011 5 蔣德明內(nèi)燃機燃燒與排放學西安：西安交通大 學出版社，2001 圖9 EGR 率對 CO 排放的影響 圖 9 為 2200r/min 各負荷工