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        二甲醚發(fā)動機(jī)燃料噴射及其對燃燒和排放影響

        2012-11-16 06:14:02袁竹林高廣新
        綠色科技 2012年9期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī)影響

        袁竹林,高廣新

        (1.西安汽車科技職業(yè)學(xué)院,陜西 西安710038;2.西安交通大學(xué),陜西 西安710049)

        1 引言

        二甲醚(CH3-O-CH3)的分子結(jié)構(gòu)簡單,含氧量高達(dá)34.8%,且具有較高的十六烷值(55以上),非常適合柴油機(jī)作為替代燃料使用。二甲醚發(fā)動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無煙燃燒和較低的能夠達(dá)到國Ⅲ甚至國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的HC、CO 和 NOx排放[1-4]。二甲醚發(fā)動機(jī)的NOx和PM排放不存在像柴油機(jī)那樣的trade-off關(guān)系[5],故其NOx排放還可以通過EGR進(jìn)一步降低[6]。但是,由于二甲醚的物性與柴油差別較大,在噴射壓力和正時等控制參數(shù)等方面需要特別的關(guān)注。

        本文將一臺2102QB柴油機(jī)改裝成二甲醚燃料發(fā)動機(jī),開展了不同負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況下,二甲醚供給正時對燃料噴射及其發(fā)動機(jī)燃燒和排放影響的研究,為認(rèn)識二甲醚發(fā)動機(jī)的燃料噴射、燃燒和排放提供了參考數(shù)據(jù)。

        2 臺架試驗(yàn)

        改裝的二甲醚發(fā)動機(jī)原機(jī)是一雙缸、直噴、水冷、直立柴油機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

        表1 二甲醚發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)

        油管壓力傳感器為Kistler 4067,缸壓傳感器為Kistler7061B,電荷放大器為Kistler 5011,角標(biāo)傳感器為Kistler 2613B。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速主要選定為1400、1870和2340r/min,三個供油提前角分別是19、22和25°CA BTDC。

        3 二甲醚燃料的噴射過程

        圖1為發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下實(shí)測的管壓曲線。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,泵端壓力曲線整體向前推移,表示隨著轉(zhuǎn)速的提高,柱塞套進(jìn)油口的節(jié)流作用增強(qiáng),泄露量減少。二甲醚噴射的嘴端壓力曲線卻后移,表示二甲醚壓力波傳播時間以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)延長。發(fā)動機(jī)負(fù)荷對噴射過程的影響,主要是使泵端與嘴端油管壓力升高。

        圖1 二甲醚燃料的噴射過程

        4 噴射正時對二甲醚發(fā)動機(jī)燃燒的影響

        圖2(a)所示為二甲醚發(fā)動機(jī)在1870r/min較低負(fù)荷時供油提前角對缸壓曲線的影響,通過缸壓曲線可以進(jìn)一步計(jì)算出放熱率曲線如圖2(b)所示。相同轉(zhuǎn)速下,隨二甲醚燃料供給的提前,著火時刻提前,最大放熱率提高。反映到缸壓曲線上對應(yīng)的壓力升高時刻提前,缸壓峰值升高。

        圖2 供油提前角對缸壓和放熱率的影響

        結(jié)合圖1,不同負(fù)荷條件下供油提前角對噴射延遲期和滯燃期的影響如圖3所示。在1870r/min轉(zhuǎn)速下,當(dāng)供油提前角為19°CA BTDC和25°CA BTDC時,滯燃期分別為9°CA和10°CA,即當(dāng)噴油正時提前6°CA時,發(fā)動機(jī)滯燃期滯后量為1°CA。當(dāng)負(fù)荷增加時,缸內(nèi)溫度較高,滯燃期略有縮短。

        圖3 噴油始點(diǎn)和著火點(diǎn)隨供油提前角的變化

        圖4是2340r/min工況下3種供油提前角下的燃燒持續(xù)期。隨著供油提前角的增加,燃燒持續(xù)期變化在2°CA以內(nèi)。由此可見,由于二甲醚容易汽化并與空氣形成可燃混合氣,且自燃溫度較低,不同提前角下的燃燒似乎被整體的平移。

        圖4 總?cè)紵掷m(xù)期隨供油提前角變化

        5 噴射正時對二甲醚發(fā)動機(jī)排放的影響

        5.1 二甲醚與柴油發(fā)動機(jī)的排放對比

        圖5所示為二甲醚發(fā)動機(jī)與其原型柴油機(jī)HC、CO和NOx的排放對比。圖中可見,二甲醚發(fā)動機(jī)的氣體排放要比柴油機(jī)低50%以上。二甲醚具有良好的霧化與混合特性,高含氧促進(jìn)燃料的完全氧化,因此可以大大減少過稀區(qū)和過濃區(qū)域的產(chǎn)生,同時滯燃期短較低了最高燃燒溫度,使二甲醚發(fā)動機(jī)的NOx排放減少。

        5.2 二甲醚噴射正時對排放的影響

        圖6所示為二甲醚燃料供油提前角對排放的影響。圖中可見,當(dāng)二甲醚的供給提前角由上止點(diǎn)前25°CA推遲到19°CA時,二甲醚發(fā)動機(jī)的NOx排放減少超過50%。因此在不惡化二甲醚發(fā)動機(jī)的有效熱效率的情況下,推遲噴油是降低NOx排放最方便而有效的措施。

        圖5 發(fā)動機(jī)燃用二甲醚與柴油時排放對比

        圖6 供油提前角對二甲醚發(fā)動機(jī)排放的影響

        6 結(jié)語

        (1)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對二甲醚燃料的噴射延遲有顯著的影響,但對滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響較小,為二甲醚發(fā)動機(jī)燃燒通過噴射正時優(yōu)化提供方便。

        (2)二甲醚發(fā)動機(jī)的氣體排放較柴油機(jī)的降低超過50%,且HC和CO排放受供油提前角影響較小。供油提前角對二甲醚發(fā)動機(jī)的NOx排放有顯著的影響,因此二甲醚發(fā)動機(jī)的NOx排放可方便地由供給提前控制。

        [1] Zhou L B,Wang H W,Jiang D M.Study of performance and combustion characteristics of a DME-fueled light-duty direct-injection diesel engine[J].Sae Paper,1999(1):3669.

        [2] Wang Y,Zhou L B,Wang H W.Diesel emission improvements by the use of oxygenated DME/diesel blend fuels[J].Atmospheric Environment,2006(40):2313~2320.

        [3] 李 君,朱昌吉,馬光興,等.柴油機(jī)燃用二甲醚排放特性的研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2003,9(3):256~260.

        [4] Arcoumanis C,Bae C,Crookes R,et al.The potential of dimethyl ether(DME)as an alternative fuel for compression-ignition engines:A review [J].Fuel,2008,87(7):1014~1030.

        [5] Liu Jie,Liu Shenghua,Li Yi,et al.Regulated and Nonregulated E-missions from a Dimethyl Ether Powered Compression Ignition Engine[J].Energy & Fuels,2010,24(4):2465~2469.

        [6] Song R Z,Li K,F(xiàn)eng Y.Performance and emission characteristics of DME engine with high ratio of EGR[J].Energy and Fuels,2009(23):5460~5466.

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