李重重，熊江勇

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增壓二甲醚發(fā)動機(jī)排放試驗研究*

李重重，熊江勇

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

作為醚類含氧燃料，二甲醚優(yōu)異的性能使其在新能源領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。目前，部分國內(nèi)外學(xué)者對添加柴油后二甲醚的理化、燃燒、排放等性能進(jìn)行過研究。文章在理論研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行排放試驗研究，研究表明：試驗所有的發(fā)動機(jī)在加入燃用二甲醚-柴油混合氣后，發(fā)動機(jī)的輸出扭矩和燃燒室的工作最高溫度均比柴油機(jī)要低，且輸出動力性也有一定得下降。

排放；試驗；二甲醚

前言

近年來，二甲醚應(yīng)用于發(fā)動機(jī)上的研究吸引了全球工業(yè)強(qiáng)國的目光，他們目前對該項目也做了一定的研究。為了在低溫狀態(tài)下提高發(fā)動機(jī)啟動性能，二甲醚作為點火添加劑被用于酒精引擎中。在較低溫度下，十六烷基二甲醚的數(shù)量高，可以進(jìn)行自燃。在壓縮行程后期，二甲醚開始凸顯作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，接著帶動后面吸入的氣體燃燒。研究成果顯示，自然吸氣發(fā)動機(jī)能夠使NOx的排放低于2g/kW.H，二甲醚渦輪增壓發(fā)動機(jī)可使排放量降低到1.34 g/kW.H。由此可見在法規(guī)面前，發(fā)動機(jī)能夠達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

1 二甲醚發(fā)動機(jī)的燃料系統(tǒng)

二甲醚和柴油相比更易燃、常溫下蒸汽壓更高、粘度更低、特性差別較大。因此結(jié)合二甲醚常溫下的物理特性和二甲醚能量密度低等相關(guān)問題與傳統(tǒng)燃料各自的理化特性和區(qū)別，對密封件具有溶脹性等問題進(jìn)行考慮并設(shè)計開發(fā)出專門的二甲醚燃油噴射系統(tǒng)。

本次試驗所用的發(fā)動機(jī)為WD615柴油發(fā)動機(jī)，此型號發(fā)動機(jī)整體簡潔緊湊，容易布置于車內(nèi)，排放標(biāo)準(zhǔn)為國II。相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗用原型柴油機(jī)參數(shù)

1.1 使用增壓泵來增加燃料的壓力

二甲醚的飽和蒸汽壓力會隨著外在環(huán)境的變化而變化，因此在燃料供給系統(tǒng)中一定要采取措施，這樣就不會有氣阻產(chǎn)生。所以需要將二甲醚的壓力提升到一定程度后從儲存罐中運輸?shù)絿娮?。試驗中通過加入一個增壓泵來提升燃料的壓力，二甲醚燃料在通過增壓泵之后，壓力升高至1.2Mpa。此時的二甲醚處于液體狀態(tài)，將不會產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象。

1.2 提升噴射泵提供燃料的能力和增加噴嘴的噴射速率

二甲醚的能量密度小，熱值低僅僅為柴油的三分之二，所以我們需要通過增加二甲醚的供應(yīng)量來使發(fā)動機(jī)達(dá)到所需求的功率。要想增加二甲醚供應(yīng)量，結(jié)合該燃油供給系統(tǒng)，可以增加噴射泵長度來提升二甲醚供應(yīng)能力和速率。也可以將原先12mm的柱塞泵增加至13mm。另外還可以通過增加噴油泵的流通面積來達(dá)到泵油效果，將原先的0.24mm增加到0.4mm。這樣噴油器的通流面積將比原來多出77%。為了和改進(jìn)后的噴油泵噴嘴相吻合，高壓油管的內(nèi)徑要在原基礎(chǔ)上增加0.4mm，變?yōu)?.2mm。

1.3 用冷卻器降低燃料溫度

使用冷卻器的最主要原因是因為二甲醚通過噴射泵出來后溫度會升高，升高后的二甲醚溫度會改變其理化特性而帶來不少負(fù)面影響：會使二甲醚的密度下降，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的輸出功率達(dá)不到要求，溫度增加同時會使罐內(nèi)壓強(qiáng)也高于原壓強(qiáng)，可能會引起氣罐爆炸等不安全情況發(fā)生。所以我們需要將回流的二甲醚進(jìn)行降溫處理來保證發(fā)動機(jī)的正常工作。文中通過在系統(tǒng)中加入冷卻器來給燃料降溫并使溫度降至二十多度。

1.4 在燃料中混入添加劑來減小磨損

二甲醚燃料在25℃的動力粘度為9.1μPa.s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柴油在相同溫度下的粘度。為了達(dá)到類似效果，得通過使用添加劑來使二甲醚的粘度得到提升。經(jīng)過長時間的試驗，證明了混入添加劑的二甲醚燃料對噴射泵柱塞的磨損比不加入添加劑時產(chǎn)生的磨損要小得多。

1.5 更換燃料系統(tǒng)的密封件

二甲醚雖然不具有腐蝕性但卻會使橡塑材料發(fā)生溶脹現(xiàn)象，最終使密封件失去效用。所以我們采用特殊設(shè)計的密封件來防止發(fā)生溶脹。圖1所示為二甲醚發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)。二甲醚罐內(nèi)壓力設(shè)定為0.51MPa，即二甲醚常溫下的蒸汽壓。二甲醚流出二甲醚罐后進(jìn)入直流電動泵升壓至1.2MPa。該高壓二甲醚之后通過過濾器后進(jìn)入燃油噴射泵。進(jìn)入噴射泵后一部分二甲醚通過高壓油管進(jìn)入噴嘴后噴入氣缸內(nèi)，一部分二甲醚回流。也有一小部分二甲醚從噴油嘴處回流和之前回流的二甲醚匯集后經(jīng)過單向閥進(jìn)入回流管路中。管路中的溢流閥控制系統(tǒng)的壓力，使用壓力表來監(jiān)控系統(tǒng)的壓力。冷卻器用來降低回流二甲醚的溫度，最終回到燃料罐。此為二甲醚燃油系統(tǒng)的完整的回路。

圖1 二甲醚發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)示意圖

2 試驗系統(tǒng)、測試設(shè)備及試驗方法

圖2所示為試驗所采用的試驗系統(tǒng)圖。試驗通過使用天平來測出二甲醚質(zhì)量的變化，經(jīng)過計算得出二甲醚消耗的數(shù)值。通過測出單位時間內(nèi)消耗的值來得出二甲醚的燃油消耗率。

圖2 試驗系統(tǒng)圖

2.1 噴油提前角改變條件下缸內(nèi)溫度、壓力和氮氧化物排放的變化

液態(tài)二甲醚的熱值為2 8.8MJ/g，柴油的熱值為42.6 MJ/g，相比之下小很多。柴油的空燃比為14.3，而二甲醚的空燃比只有9.0，不到柴油空燃比的三分之二。因此我們必須得通過加大二甲醚的噴油量來達(dá)到和柴油機(jī)燃燒時釋放同樣能量的量。所以試驗在發(fā)動機(jī)功率需求達(dá)標(biāo)的條件下所用的二甲醚噴油質(zhì)量比柴油噴油質(zhì)量多出47%。

根據(jù)實驗所得：由于二甲醚具有較高的十六烷值，其在燃燒時燃燒溫度和最高壓力均比柴油要來的低。其在燃燒時不僅縮短了著火延遲期，并且在相同的時間內(nèi)混合物燃燒的量變少。而且二甲醚在汽化過程中比柴油的吸熱量多。從實驗中的曲線可以看出，發(fā)動機(jī)的動力性能只有小幅度的減弱，不超過2％。二甲醚十分容易汽化，進(jìn)入氣缸后迅速汽化與空氣融合，降低了燃燒的溫度，從而減少了部分燃燒產(chǎn)物的排放。比較發(fā)現(xiàn)，在相同的噴油提前角下，燃燒二甲醚產(chǎn)生的氮氧化物低于燃燒柴油時所產(chǎn)生的量。二甲醚易汽化，進(jìn)入氣缸后迅速汽化與空氣融合，降低了燃燒的溫度，從而減少了氮氧化物的排放；而且二甲醚的十六烷值比較大導(dǎo)致燃燒時燃料量相對的比柴油的量少。

2.2 不同負(fù)荷對缸內(nèi)壓力和溫度和氮氧化物排放的影響

根據(jù)實驗可以得出，負(fù)荷越大，汽缸內(nèi)的最大壓力和最高燃燒溫度也越高，氮氧化物的排放量也相應(yīng)增多。原因是隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的升高導(dǎo)致其噴油量增多，其燃燒的持續(xù)時間延長．從而氣缸的最大壓力和燃燒溫度都變高，氮氧化物的排放量也相應(yīng)增多。

2.3 不同噴孔直徑對氮氧化物排放的影響

眾所周知，氮氧化合物是氮高溫下的產(chǎn)物。從實驗中曲線可以看出，氮氧化合物隨著噴孔直徑越大其排量越小，這個前提是噴油提前角一致。這其中的原因是因為隨著噴孔直徑的增大，單位時間內(nèi)進(jìn)入氣缸的的二甲醚也增多，此時汽化吸收更多的熱量，使汽缸內(nèi)的燃燒溫度減小，進(jìn)而減少了氮氧化物的排放。當(dāng)噴孔直徑達(dá)到0.33mm后，氮氧化物的排放量減小幅度很小，沒有必要再增大噴孔直徑。所以我們將二甲醚發(fā)動機(jī)的噴孔直徑定為0.33mm，對氮氧化物的排放有明顯的控制作用。

3 總結(jié)

（1）使用燃用二甲醚后，此型號柴油機(jī)動力性能有小幅度的減弱，但其燃燒的最高溫度和爆發(fā)壓力的最大值均小于使用柴油。

（2）氮氧化合物在二甲醚燃燒排放時比柴油燃燒排放時要低很多。

（3）氮氧化合物隨著噴油提前角的增大而增大，隨著噴孔直徑的增大而減小。

（4）發(fā)動機(jī)的噴油提前角設(shè)定在11oCA附近，同時噴孔直徑設(shè)定在0.33mm時，該二甲醚發(fā)動機(jī)效率較高。

[1] 降連葆.甲醇燃料汽車的技術(shù)發(fā)展及在我國富煤省區(qū)的示范應(yīng)用[J].世界汽車,2003(7):36-39.

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[3] 金萍,俞小莉,嚴(yán)兆大.甲醇(M100)在汽油機(jī)上的應(yīng)用研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報,1997,9月(5):655-661.

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Experimental study on emission of turbocharged two methyl ether engine*

Li Chongchong, Xiong Jiangyong

( Nanjing Vocational College of Info mation Technology School of Automotive Engineering, Jiangsu Nanjing 210023 )

As an oxygenated fuel of ether, the excellent performance of two methyl ether has attracted wide attention in the field of new energy. At present, some domestic and foreign scholars have studied the physicochemical, combustion and emission properties of DME after adding diesel oil. On the basis of theoretical research, the exhaust test results show that the engine output torque and the maximum temperature of the combustion chamber are lower than those of the diesel engine, and the output power performance is also decreased.

exhaust; experiment; dimethyl ether

U464

B

1671-7988(2018)24-73-03

U464

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1671-7988(2018)24-73-03

李重重（1989-），男，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院教師，研究方向：汽車排放。課題來源于基金項目：江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究資助項目(17KJD470002)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.025