增压二甲醚发动机排放试验研究

打开文本图片集

摘 要：作为醚类含氧燃料，二甲醚优异的性能使其在新能源领域获得了广泛关注。目前，部分国内外学者对添加柴油后二甲醚的理化、燃烧、排放等性能进行过研究。文章在理论研究的基础上进行排放试验研究，研究表明：试验所有的发动机在加入燃用二甲醚-柴油混合气后，发动机的输出扭矩和燃烧室的工作最高温度均比柴油机要低，且输出动力性也有一定得下降。

关键词：排放;试验;二甲醚

中圖分类号：U464  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2018）24-73-03

Experimental study on emission of turbocharged two methyl ether engine*

Li Chongchong， Xiong Jiangyong

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

Abstact： 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.Keywords： exhaust; experiment; dimethyl etherCLC NO.： U464  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2018）24-73-03

前言

近年来，二甲醚应用于发动机上的研究吸引了全球工业强国的目光，他们目前对该项目也做了一定的研究。为了在低温状态下提高发动机启动性能，二甲醚作为点火添加剂被用于酒精引擎中。在较低温度下，十六烷基二甲醚的数量高，可以进行自燃。在压缩行程后期，二甲醚开始凸显作用，发生氧化反应，接着带动后面吸入的气体燃烧。研究成果显示，自然吸气发动机能够使NOx的排放低于2g/kW.H，二甲醚涡轮增压发动机可使排放量降低到1.34 g/kW.H。由此可见在法规面前，发动机能够达到超低排放的标准。

1 二甲醚发动机的燃料系统

二甲醚和柴油相比更易燃、常温下蒸汽压更高、粘度更低、特性差别较大。因此结合二甲醚常温下的物理特性和二甲醚能量密度低等相关问题与传统燃料各自的理化特性和区别，对密封件具有溶胀性等问题进行考虑并设计开发出专门的二甲醚燃油喷射系统。

本次试验所用的发动机为WD615柴油发动机，此型号发动机整体简洁紧凑，容易布置于车内，排放标准为国II。相关技术参数如表1所示。

1.1 使用增压泵来增加燃料的压力

二甲醚的饱和蒸汽压力会随着外在环境的变化而变化，因此在燃料供给系统中一定要采取措施，这样就不会有气阻产生。所以需要将二甲醚的压力提升到一定程度后从储存罐中运输到喷嘴。试验中通过加入一个增压泵来提升燃料的压力，二甲醚燃料在通过增压泵之后，压力升高至1.2Mpa。此时的二甲醚处于液体状态，将不会产生气阻现象。

1.2 提升喷射泵提供燃料的能力和增加喷嘴的喷射速率

二甲醚的能量密度小，热值低仅仅为柴油的三分之二，所以我们需要通过增加二甲醚的供应量来使发动机达到所需求的功率。要想增加二甲醚供应量，结合该燃油供给系统，可以增加喷射泵长度来提升二甲醚供应能力和速率。也可以将原先12mm的柱塞泵增加至13mm。另外还可以通过增加喷油泵的流通面积来达到泵油效果，将原先的0.24mm增加到0.4mm。这样喷油器的通流面积将比原来多出77%。为了和改进后的喷油泵喷嘴相吻合，高压油管的内径要在原基础上增加0.4mm，变为2.2mm。

1.3 用冷却器降低燃料温度

使用冷却器的最主要原因是因为二甲醚通过喷射泵出来后温度会升高，升高后的二甲醚温度会改变其理化特性而带来不少负面影响：会使二甲醚的密度下降，导致发动机的输出功率达不到要求，温度增加同时会使罐内压强也高于原压强，可能会引起气罐爆炸等不安全情况发生。所以我们需要将回流的二甲醚进行降温处理来保证发动机的正常工作。文中通过在系统中加入冷却器来给燃料降温并使温度降至二十多度。

1.4 在燃料中混入添加剂来减小磨损

二甲醚燃料在25℃的动力粘度为9.1μPa.s，远远低于柴油在相同温度下的粘度。为了达到类似效果，得通过使用添加剂来使二甲醚的粘度得到提升。经过长时间的试验，证明了混入添加剂的二甲醚燃料对喷射泵柱塞的磨损比不加入添加剂时产生的磨损要小得多。

1.5 更换燃料系统的密封件

二甲醚虽然不具有腐蚀性但却会使橡塑材料发生溶胀现象，最终使密封件失去效用。所以我们采用特殊设计的密封件来防止发生溶胀。图1所示为二甲醚发动机燃油系统。二甲醚罐内压力设定为0.51MPa，即二甲醚常温下的蒸汽压。二甲醚流出二甲醚罐后进入直流电动泵升压至1.2MPa。该高压二甲醚之后通过过滤器后进入燃油喷射泵。进入喷射泵后一部分二甲醚通过高压油管进入喷嘴后喷入气缸内，一部分二甲醚回流。也有一小部分二甲醚从喷油嘴处回流和之前回流的二甲醚汇集后经过单向阀进入回流管路中。管路中的溢流阀控制系统的压力，使用压力表来监控系统的压力。冷却器用来降低回流二甲醚的温度，最终回到燃料罐。此为二甲醚燃油系统的完整的回路。

2 试验系统、测试设备及试验方法

图2所示为试验所采用的试验系统图。试验通过使用天平来测出二甲醚质量的变化，经过计算得出二甲醚消耗的数值。通过测出单位时间内消耗的值来得出二甲醚的燃油消耗率。

2.1 喷油提前角改变条件下缸内温度、压力和氮氧化物排放的变化

液态二甲醚的热值为2 8.8MJ/g，柴油的热值为42.6 MJ/g，相比之下小很多。柴油的空燃比为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。因此我们必须得通过加大二甲醚的喷油量来达到和柴油机燃烧时释放同样能量的量。所以试验在发动机功率需求达标的条件下所用的二甲醚喷油质量比柴油喷油质量多出47%。

根据实验所得：由于二甲醚具有较高的十六烷值，其在燃烧时燃烧温度和最高压力均比柴油要来的低。其在燃烧时不仅缩短了着火延迟期，并且在相同的时间内混合物燃烧的量变少。而且二甲醚在汽化过程中比柴油的吸热量多。从实验中的曲线可以看出，发动机的动力性能只有小幅度的减弱，不超过2%。二甲醚十分容易汽化，进入气缸后迅速汽化与空气融合，降低了燃烧的温度，从而减少了部分燃烧产物的排放。比较发现，在相同的喷油提前角下，燃烧二甲醚产生的氮氧化物低于燃烧柴油时所产生的量。二甲醚易汽化，进入气缸后迅速汽化与空气融合，降低了燃烧的温度，从而减少了氮氧化物的排放;而且二甲醚的十六烷值比较大导致燃烧时燃料量相对的比柴油的量少。

2.2 不同负荷对缸内压力和温度和氮氧化物排放的影响

根据实验可以得出，负荷越大，汽缸内的最大压力和最高燃烧温度也越高，氮氧化物的排放量也相应增多。原因是随着发动机负荷的升高导致其喷油量增多，其燃烧的持续时间延长.从而气缸的最大压力和燃烧温度都变高，氮氧化物的排放量也相应增多。

2.3 不同喷孔直径对氮氧化物排放的影响

众所周知，氮氧化合物是氮高温下的产物。从实验中曲线可以看出，氮氧化合物随着喷孔直径越大其排量越小，这个前提是喷油提前角一致。这其中的原因是因为随着喷孔直径的增大，单位时间内进入气缸的的二甲醚也增多，此时汽化吸收更多的热量，使汽缸内的燃烧温度减小，进而减少了氮氧化物的排放。当喷孔直径达到0.33mm后，氮氧化物的排放量减小幅度很小，没有必要再增大喷孔直径。所以我们将二甲醚发动机的喷孔直径定为0.33mm，对氮氧化物的排放有明显的控制作用。

3 总结

（1）使用燃用二甲醚后，此型号柴油机动力性能有小幅度的減弱，但其燃烧的最高温度和爆发压力的最大值均小于使用柴油。

（2）氮氧化合物在二甲醚燃烧排放时比柴油燃烧排放时要低很多。

（3）氮氧化合物随着喷油提前角的增大而增大，随着喷孔直径的增大而减小。

（4）发动机的喷油提前角设定在11 ^oCA附近，同时喷孔直径设定在0.33mm时，该二甲醚发动机效率较高。

参考文献

[1] 降连葆.甲醇燃料汽车的技术发展及在我国富煤省区的示范应用[J].世界汽车，2003（7）：36-39.

[2] 吴小虎.我国发展甲醇汽车前景分析[J].汽车与社会，2003（2）： 17-20.

[3] 金萍，俞小莉，严兆大.甲醇（M100）在汽油机上的应用研究[J].浙江大学学报，1997，9月（5）：655-661.

[4] 张红光，潘奎润等.车用492M甲醇发动机的试验研究[J].北京工业大学学报，2005（9）.