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_圖文

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/m3668/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

4、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 XK3190-D9 山西萬立 五組分尾氣排放儀 AVL DIGOM 4000 AVL不透光煙度計 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 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°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

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,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

8、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。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 料時對供油系統(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 ?；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 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

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

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

12、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

13、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

14、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

15、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

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。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 N

17、Ox 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 各負荷工況下 EGR 率對 CO 排放的影響。由圖