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上海交大
二甲醚发动机与汽车研究(上)
作者/来源:黄震,乔信起,张武高,吴君华,张俊军   日期: 2009-05-07   点击率:3698

摘要:在车用能源供应短缺与大气环境保护的双重压力下,人们一直在寻求内燃机新型清洁代用燃料。本文结合上海交通大学10 年来对二甲醚发动机与汽车的应用基础研究,系统介绍了二甲醚发动机燃料喷射、燃烧、性能、排放特性和二甲醚城市客车的动力性、经济性、排放和噪声情况。研究表明二甲醚发动机能实现高效、清洁燃烧,对缓解我国石油供需矛盾和保护城市大气环境具有重要意义。
关键词:二甲醚;发动机;汽车;燃料喷射;燃烧过程;排放控制
中图分类号:TK464 文献标志码:A

引言

    随着我国经济快速发展,能源消费逐年增长,石油对外依存度不断递增,石油安全已成为我国亟待解决的重大问题。同时,能源利用过程中产生的环境污染问题也困扰着我国的经济发展。面对能源供给和环境保护的双重巨大压力,针对我国自然条件和能源资源特色,合理利用我国的能源资源,尤其是煤炭资源,开发新型的清洁能源迫在眉睫。
能从煤、煤层气、天然气、生物质等多种资源制取的二甲醚燃料是近年来新出现的汽车代用燃料。二甲醚(Dimethyl ether) ,简称DME,化学分子式为CH3OCH3,是一种无毒含氧燃料,常温常压下为气态,常温下可在5 个大气压下液化,易于储存与输运;由于其十六烷值高达55~60,具有优良的压燃性,是非常适合于压燃式发动机使用的代用燃料。作为一种新型二次能源,二甲醚具有很大的发展潜力和市场前景。

    国内外关于二甲醚作为柴油机代用燃料的研究只有10 余年的历史,研究的重点是如何开发适合二甲醚燃料特性的发动机,实现高效清洁燃烧。丹麦技术大学、AMOCO、NAVISTAR、AVL和AIST等在柴油机上先后进行了燃用二甲醚的试验研究[1-7],结果表明,燃用二甲醚燃料的发动机,在保持原柴油机高热效率和动力性的前提下,氮氧化物显著降低,碳烟排放为零。由于DME燃料的卓越性能,近年来日韩和欧洲多国纷纷开展二甲醚发动机与汽车的研发。在国内,上海交通大学、西安交通大学、天津大学、吉林大学、华中科技大学等各自开展了二甲醚燃料喷雾和燃烧特性、发动机性能的研究[8-10]。

    上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室自1996 年以来对二甲醚发动机的燃料喷射过程、喷雾特性、燃烧与性能、可靠性和材料相容性进行了深入系统的研究,研发了适合于二甲醚燃料特性的发动机供给系统、喷射系统、燃烧系统和6114ZLQB二甲醚发动机[11-20]。本文介绍了二甲醚发动机燃料喷射、燃烧、性能和排放特性,并介绍了二甲醚城市客车的动力性、经济性、排放和噪声情况。研究表明二甲醚发动机整机动力性、经济性、排放和噪声都优于原机,能实现高效、清洁燃烧,对发展具有中国特色的汽车代用燃料体系,缓解我国石油供需矛盾,保证我国能源安全及环境保护具有战略意义。

1 燃料物化特性与试验装置

    二甲醚与柴油的物理化学性质见表1,可见二甲醚燃料具有高蒸汽压、低沸点、低粘度、较高的压缩性、较低热值、压燃性好及混合气形成容易等特性,其理化特性与柴油有很大不同。必须根据二甲醚燃料的特殊理化特性,对二甲醚发动机燃油喷射与燃烧系统进行专门设计和开发。

    本文研究采用的原型柴油机为上海柴油机股份有限公司生产的2135 非增压直喷式柴油机和D6114ZLQB 增压中冷柴油机。发动机的主要技术参数如表2、3 所示。


    本文针对二甲醚的特性,通过大量实验研究和发动机参数优化,对发动机进行了五个方面专门设计开发和改进,①采用直流电动增压泵来增加二甲醚燃料的供给压力,防止燃料系统中发生气阻现象;②采用增大高压燃油泵柱塞直径和行程、喷孔直径和高压油管内径等方法,强化喷油泵供油能力、提高喷嘴高通流截面和喷射速率;③增加冷却器降低二甲醚燃料的回油温度,控制二甲醚燃料温度;④开发了二甲醚燃料润滑添加剂,使用添加剂有效改善了由于二甲醚燃料引起的喷油系统运动偶件磨损问题;⑤开发了具有较好耐二甲醚燃料的橡胶和塑料密封件,保证了发动机有关部件的有效密封。以此保障了二甲醚发动机可靠运行。

    二甲醚发动机试验装置和测试设备如图1 所示。试验中采用电子天平来测试二甲醚的燃料消耗量,为了方便和原机燃油消耗率对比,根据等热值的原则,将二甲醚的消耗率转化为等热值的柴油消耗率。气体排放和颗粒物分别采用AVL 公司CEB系列排放仪和型号为472 Smart Sampler PC 颗粒分析仪来测量。试验中,采集了缸内示功图,并用零维热力学分析模型计算放热规律,分析了其燃烧特性和主要因素的影响。

2 二甲醚发动机试验结果与分析

2.1 二甲醚喷射与燃烧特性

    由于二甲醚燃料具有高蒸汽压、较高的压缩性、低沸点等特性,与柴油有很大不同,本研究中,首先针对直喷式2135 柴油机的泵-管-嘴燃油系统,对DME 燃料喷射特性与燃烧特性,包括泵端和嘴端油管压力、针阀升程、缸内压力和着火时刻进行了测试,根据试验数据分析了DME 和柴油在发动机不同负荷时的音速、喷油延迟和滞燃期,并将二甲醚与柴油燃料的进行了比较。

    试验结果表明,在几何供油提前角、转速和负荷相同的情况下,使用二甲醚时,泵端和嘴端油管压力峰值均比使用柴油时的小;并且二甲醚油管压力上升和下降均比柴油的缓慢。图2 给出了发动机负荷率分别为50%、75%和100%时油管中二甲醚与柴油的压力波传播速度对比,由图可见,由于二甲醚弹性模量小,二甲醚更易于压缩,二甲醚的音速分别为810m/s、675 m/s 和578.6 m/s,柴油的音速分别为1,227.3m/s、1,157.1 m/s、1,094.5 m/s,显然,二甲醚的音速在各个负荷下均远小于柴油,随负荷的减小,燃料的音速进一步下降。图3 进一步显示了由于油管中二甲醚的音速远低于柴油,导致二甲醚的喷油延迟期远大于柴油,当发动机负荷率分别为100%、75%和50%时,二甲醚燃料的喷油延迟期较柴油增加了36.4%,43.5%和46.2%;在另一方面,由于二甲醚十六烷值高,滞燃期短,在发动机负荷率分别为100%、75%和50%时,滞燃期则较柴油分别缩短了23.1%,21.15%和18.5%。在相同几何供油提前角的情况下,由于二甲醚燃料喷油延迟的增加要比滞燃期的减少显著,最终导致二甲醚的着火时刻落后于柴油,且随负荷减小落后越明显。


2.2 二甲醚发动机性能

    本文进一步对所开发的D6114ZLQB 增压中冷二甲醚发动机进行了燃烧、性能和排放研究。图4 为二甲醚发动机和原柴油机在外特性下800 r/min、1,400 r/min 和2,200 r/min 转速时的示功图、放热率=累计放热率和压力升高率的比较,由图可知发动机燃用二甲醚时的最高爆发压力和放热峰值比柴油机低且相位上滞后。如在发动机转速800,r/min 下100%负荷时,对二甲醚发动机,供油提前角12°CA BTDC时最高爆发压力为9.3 MPa,出现在上止点后13°CA 处,供油提前角9°CA BTDC 时最高爆发压力约为8.2 MPa,出现在上止点后15°CA 位置,随着供油提前角的减少,爆发压力降低,并离开上止点。而供油提前角9°CA BTDC 时柴油机的最高爆发压力为10.1 MPa,出现在上止点后11°CA 位置;相同几何供油提前角情况下,二甲醚发动机最高爆发压力比柴油机晚4°CA 出现。从图中还可看到,二甲醚发动机的最大压力升高率远低于柴油机。在转速为1400r/min和2200r/min 时可以发现相同的规律。二甲醚的十六烷值比柴油高,滞燃期比柴油短,滞燃期内二甲醚发动机缸内积聚可燃混合气比柴油少,造成二甲醚发动机最高爆发压力比柴油机的低,压力升高率低。此外,二甲醚的喷油延迟比柴油大,相同几何供油提前角情况下,二甲醚的喷油提前角比柴油小,虽然二甲醚的十六烷值高,比柴油更易着火,从放热规律可见,二甲醚发动机着火时刻明显晚于柴油机,造成二甲醚发动机的最高爆发压力和放热峰值所对应的位置比柴油机晚,供油提前角12°CA BTDC 时二甲醚的着火点与供油提前角9°CA BTDC 时的柴油着火点相当或稍晚。


图4 二甲醚发动机与柴油机缸内压力、放热率、累计放热率
和压力升高率的对比

    从图4 中的二甲醚发动机和柴油机累计放热率还可以看出,虽然二甲醚发动机着火比柴油机晚,但燃烧速度快,放热结束并不比柴油迟,这在中低转速情况下,尤为明显,二甲醚的燃烧持续期比柴油短。这是由于二甲醚燃料蒸汽压高、沸点低,含氧高,雾化与气化容易,有利于可燃混合气形成和燃烧,特别是有利于扩散燃烧的进行。

    综上所述,二甲醚发动机最高爆发压力、最大压力升高率和放热峰值均比柴油机低且相位上滞后,二甲醚燃料燃烧速度快,燃烧持续期比柴油短,发动机工作柔和,噪声低。图5 为外特性下二甲醚发动机和柴油机的转矩和功率的对比。由图可知,在所有转速范围内,二甲醚发动机的外特性转矩均比原柴油机大,相应的功率也比原柴油机大。特别是在发动机转速低于1,400r/min 时,二甲醚发动机的外特性转矩有较大的提高。当发动机转速为900,r/min 和1,000,r/min 时,二甲醚发动机外特性转矩比原柴油机分别提高了32.8%和29.1%。由于发动机燃用二甲醚时碳烟排放为零,没有柴油机的冒烟极限的限制,有利于提高发动机的转矩。二甲醚发动机这一特点对频繁起停、需要低速转矩大的城市公交车特别适合。

(待续)



协办单位: 四川天一科技有限公司   云南高清能源开发有限公司   河南天一化工科技有限公司  
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