二甲醚非標(biāo)柴油混合燃料 對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究_圖文

1、二甲醚/非標(biāo)柴油混合燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究 原霞,王鐵 ,馮丹華(太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024摘要:為了研究二甲醚 /非標(biāo)柴油混合燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行模擬仿真。然后在云內(nèi) 4100增壓中冷柴油機(jī)上進(jìn)行了柴油、 D30混合燃料(即質(zhì)量比二甲醚 30%,非標(biāo)柴油 70% 、 D50混合燃料的排放性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)研究。結(jié)果表明燃用混合燃料可以有 效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放,試驗(yàn)結(jié)論和仿真結(jié)果一致。最后就 EGR 技術(shù)對 D50混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放影響進(jìn)行 研究,結(jié)論表明:合理選擇 EGR 率可以在進(jìn)一步降低 NOx

2、排放的基礎(chǔ)上避免對煙度、 CO 、 HC 排放造成負(fù)面 影響。關(guān)鍵詞:二甲醚;非標(biāo)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(jié)構(gòu)的調(diào)整具有重要的戰(zhàn)略意 義。 目前柴油機(jī)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(xué)、上海交通大學(xué)、 西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、華中科技大學(xué)等各自 開展了各種代用燃料噴霧和燃燒特性、發(fā)動(dòng)機(jī)性 能的研究 1。太原理工大學(xué)從 2000年開展了在柴 油機(jī)燃用二甲醚與柴油的混合燃料的試驗(yàn)研究。 2009年開展了柴油機(jī)上燃用二甲醚 /非標(biāo)柴油混 合燃料的課題。同年在 D1110直噴式柴油

3、機(jī)上進(jìn) 行了低比例 D10(二甲醚非標(biāo)柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為 1: 9 、 D20、 D30混合燃料和高比例 D70、 D80、 D90混合燃料的實(shí)驗(yàn)研究 2-3。本文在對 4100QBZL 增 壓柴油機(jī)上燃用二甲醚 /非標(biāo)柴油混合燃料進(jìn)行 仿真和臺(tái)架試驗(yàn)研究。1 試驗(yàn)測試設(shè)備及試驗(yàn)方案1.1 燃料理化特性表 1 二甲醚、0#柴油、非標(biāo)柴油的理化特性 性能指標(biāo) 二甲醚 柴油 非標(biāo)柴油 密度(20 /(kg/m3668/s 3.1 5.57 非標(biāo)柴油不同于現(xiàn)在柴油機(jī)使用的石油產(chǎn) 品。它是一種石油餾分的產(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(guān)標(biāo)準(zhǔn)。表 1為二甲醚、 0#柴

4、油、非標(biāo)柴油 主要理化特性對比。1.2 試驗(yàn)測試設(shè)備本試驗(yàn)機(jī)為昆明云內(nèi) 4100QBZL 直列四缸、 強(qiáng) 制水冷發(fā)動(dòng)機(jī),缸徑 ×行程為 100×105mm,壓縮 比為 17.5:1,直噴 型燃燒室,標(biāo)定功率 /轉(zhuǎn)速 70kW /3200rpm。試驗(yàn)測試設(shè)備和試驗(yàn)系統(tǒng)圖如表 2所示。表 2 主要測試設(shè)備及儀器實(shí)驗(yàn)用設(shè)備儀器 型 號(hào) 生產(chǎn)廠家 電渦流測功機(jī) DW160 四川誠邦 發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng) ET2000 四川誠邦 智能油耗儀 ET2400 四川誠邦 電子計(jì)量秤 XK3190-D9 山西萬立 五組分尾氣排放儀 AVL DIGOM 4000 AVL不透光煙度計(jì) AVL DISM

5、OKE 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(yàn)方案1進(jìn)行二甲醚與非標(biāo)柴油的互溶性試驗(yàn)。 2 對原機(jī)不做任何改動(dòng)的情況下, 測試發(fā)動(dòng) 機(jī)燃用 0#柴油的各項(xiàng)性能。3 對原機(jī)供油系統(tǒng)進(jìn)行改造, 燃用 D30、 D50二甲醚 /非標(biāo)柴油混合燃料, 測試混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能。4 對 D50混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的供油提前角進(jìn)行 優(yōu)化匹配后,研究 EGR 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/m

6、in全負(fù)荷工況下燃用不同燃料的缸內(nèi)排 放情況。因?yàn)樵囼?yàn)柴油機(jī)為半開式 型燃燒室, 噴油器的 6個(gè)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(diǎn)對應(yīng)的曲軸 轉(zhuǎn)角定義為 720°CA, 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻為 588°CA, 排氣門開啟時(shí)刻為 834.3°CA。 模擬過程從進(jìn)氣門 關(guān)閉開始,排氣門開啟前結(jié)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°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(cè)的活塞余隙中。 隨

7、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(cè),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(yàn)結(jié)果分析3.1 互溶性試驗(yàn)結(jié)果由表 1可知二甲醚和非標(biāo)柴油理化特性相差較大,二甲醚與非標(biāo)柴油的互溶

8、性決定了發(fā)動(dòng)機(jī)能否穩(wěn)定工作。因此臺(tái)架試驗(yàn)前需進(jìn)行二甲醚與非標(biāo)柴油的互溶性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表 5所示 4。本試驗(yàn)是在 27以上的室溫條件下進(jìn)行的。試驗(yàn)結(jié)果表明:在壓力密度計(jì)中將二甲醚 /非標(biāo)柴 油混合燃料搖勻加壓到 0.6MPa , 靜置 24小時(shí)后混 合燃料無分層無絮狀物生成。3.2 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(shí)對供油系統(tǒng)進(jìn)行以下改進(jìn),噴油泵柱塞直徑 增大為 9.5mm , 適當(dāng)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)。回油管加裝冷卻器,確 ?；旌先剂瞎迌?nèi)的溫度保持在 30°C以下。將濾 清器的濾芯由原

9、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(jìn)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(fù)荷特性工況 下的 NOx 排放曲線。 2200r/min全負(fù)荷工況下柴油機(jī) NOx 排放為 1278×10-6, D30發(fā)動(dòng)機(jī) NOx 排放降 幅達(dá) 10.3%; D50發(fā)動(dòng)機(jī) NOx 排放降幅達(dá) 25.6%。 NOx 排放降低的主要原因一是二甲醚和非標(biāo)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

10、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?yàn)槎酌驯旧砗? 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(fù)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(dòng) 機(jī)的煙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(jié)構(gòu)中不存在 C-C 鍵 和由碳單鍵和雙鍵交替組成的苯環(huán)結(jié)構(gòu)。其沸點(diǎn) 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(diǎn)抑制了燃燒 過程中碳煙的生成。圖 2煙度

11、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(fù)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排放對比圖 4為三種燃料 2200r/min負(fù)荷特性工況下 的 HC 排放曲線。 由圖可見, 混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的 HC 排放高于柴油機(jī),尤其在低負(fù)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(dòng)機(jī) HC 排放在高負(fù)荷工況下低于

12、柴油機(jī)。 原因 在于非標(biāo)柴油粘度大,不容易汽化蒸發(fā),尤其是 在低負(fù)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(jì)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(jì)性對比曲線。由圖可 見:低速工況下二甲醚 /非標(biāo)柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 的當(dāng)量油耗率比柴油機(jī)略有升高。 中高速工況下, D30發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量油耗率仍比柴油機(jī)高, D50發(fā)動(dòng) 機(jī)油耗率比柴油的當(dāng)量油耗率低。原因在于低轉(zhuǎn) 速時(shí),二甲醚汽化會(huì)降低缸內(nèi)溫度,混合燃料與 空氣混合的質(zhì)量變差,燃燒惡化導(dǎo)致當(dāng)量油耗率

13、升高。中高速工況下,混合燃料的霧化質(zhì)量提高, 滯燃期縮短,擴(kuò)散燃燒速度加快,提高了燃燒效 率。3.4 動(dòng)力性對比圖 6為三種混合燃料的動(dòng)力性對比曲線。由 圖可見,在 16002400r/min轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)主要是 在中等轉(zhuǎn)速工況下工作,因此采用混合燃料對發(fā) 動(dòng)機(jī)動(dòng)力性影響不大。圖 6外特性動(dòng)力性影響曲線3.5 EGR率對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響EGR 技術(shù)是降低柴油機(jī) NOx 排放簡單而有效 的措施。為滿足更為嚴(yán)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

14、上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上對供油提前角進(jìn)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(dòng)機(jī)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(fù)荷工況下 EGR 率對 NOx 排放的影響。由圖可見,轉(zhuǎn)速和負(fù)荷一定的 工況下, 隨著 EGR 率的增加, NOx 排放得到顯著 的改善,高負(fù)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(shí)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

15、放 降低。3.5.2 EGR 率對煙度排放的影響中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì) 2011 年學(xué)術(shù)年會(huì) 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(dǎo)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(fù)荷工況下 EGR 率對煙 度排放的影響。由圖可見，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷一定的工 況下，隨著 EGR 率的增加，中低負(fù)荷工況下煙度 排放略增；高負(fù)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(shí)排放呈 指數(shù)增加。因此在高負(fù)荷工況下，應(yīng)采用較低的 EGR

16、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(jié)論 本文通過對柴油機(jī)供油系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整 供油系統(tǒng)參數(shù)， 對柴油機(jī)燃用二甲醚/非標(biāo)柴油混 合燃料進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明： 1）與柴油機(jī)相比混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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。仿真結(jié)果 和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果一致。 2） 與柴油機(jī)相比常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)混合燃料和柴 油機(jī)的動(dòng)力性基本相當(dāng)。 3）與柴油機(jī)相比低速工況下混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的 當(dāng)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(dāng)量油耗率降低。 4） 技術(shù)是降低發(fā)動(dòng)機(jī) N

17、Ox 排放的有效手段， EGR 合理選擇 EGR 率可以在進(jìn)一步降低 NOx 排放的基 礎(chǔ)上避免煙度、CO、HC 排放增加。 參考文獻(xiàn) 1 黃 震 ， 喬 信 起 ， 張 武 高 等 內(nèi) 燃 機(jī) 學(xué) 報(bào) J2008(12：115-125. 2 王克亮非標(biāo)柴油-二甲醚柱塞偶件磨損研究碩士 學(xué)位論文太原：太原理工大學(xué)，2009 3 饒海生非標(biāo)柴油-二甲醚混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研 究碩士學(xué)位論文太原：太原理工大學(xué)，2009 4 馮丹華 非標(biāo)柴油/二甲醚混合燃料在增壓柴油機(jī)上 的應(yīng)用研究碩士學(xué)位論文太原：太原理工大學(xué)， 2011 5 蔣德明內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)西安：西安交通大 學(xué)出版社，2001 圖9 EGR 率對 CO 排放的影響 圖 9 為 2200r/min 各負(fù)荷工況下 EGR 率對 CO 排放的影響。由圖