二甲醚均质充量与柴油喷射复合燃烧方式对发动机性能的影响

孙志强，金 阳，段俊法，2，李巧英

(1.华北水利水电学院机械学院，河南郑州450045;2.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)

二甲醚(Dimethyl Ether，DME)作为一种代用燃料，可作为车用燃料，而且来源丰富，可从生物质中制取，对缓解能源危机有不可忽视的作用.同时，二甲醚作为燃料具有蒸汽压高、低沸点、压燃性好及混合气形成容易等特性，适合均质压缩燃烧方式［1－3］.

已有大量文献关于LPG、丙烷、氢气、天然气与DME配合或纯DME作为燃料在压缩着火发动机上的应用研究［4－6］.Chen 等［7］研究了 DME 加入到天然气中的比例对发动机性能和排放的影响.Yeom等［8］开展了燃用LPG并辅以DME均质压燃方式运转的带有可变气门定时的发动机的燃烧、敲缸和排放特性的试验研究.Arcoumanis C等［9］的研究结果证明，以DME为燃料的压缩着火发动机如果采用高EGR率配以稀NOx捕捉器，可同时降低NOx和PM.

该试验是先将二甲醚燃料引入发动机进气总管，然后与空气进行混合，形成均质混合气后进入燃烧室.在压缩行程至上止点附近，利用发动机的燃油喷射系统将柴油喷入燃烧室，从而实现了二甲醚与柴油的复合燃烧.研究过程中，对试验所用的GW4D20电控高压共轨发动机的进气系统进行改造，并对缸内压力和排放进行了测试.

1 二甲醚与柴油理化特性比较

二甲醚分子结构式为CH3－O－CH3，常温下能迅速与新鲜空气形成良好的混合气，缩短着火延迟，使发动机具有较好的冷启动性能.二甲醚的十六烷值大于55，高于柴油，具有良好的自燃特性，非常适合压燃式发动机，被称为21世纪最理想的柴油代用燃料［10］.表1为二甲醚和柴油的主要理化特性对比.

表1 二甲醚和柴油的理化特性

2 试验装置与方法

2.1 发动机

试验在长城GW4D20型4缸、电控高压共轨、涡轮增压中冷带EGR直喷式柴油机上进行，其主要技术参数见表2.试验过程中，为使发动机性能优良，燃油温度通过燃油温控装置控制在40℃以内，通常在38℃左右;进气中冷后温度维持在50℃以内;发动机冷却水出水温度维持在80℃左右;润滑油温度维持在90℃左右.

表2 GW4D20型增压柴油机主要技术参数

2.2 测试仪器设备

试验过程中使用的主要仪器设备:发动机参数测试仪器选择由湘仪动力有限公司生产的PC2000型电涡流测功机和测控调节系统;燃烧分析系统为瑞士KISTLER公司生产的KiBox燃烧分析仪，每0.1°CA记录一次;尾气排放仪器由日本HORIBA公司生产的MEXA－7100D型气体排放测试仪测量，所测气体包括NOx，HC，CO，CO2和O2，HC 和CO 排放采用不分光红外吸收法测量，NOx排放采用电化学原理测量;烟度测量采用的是AVL公司生产的DISMOKE 4000不透光烟度计;DME消耗量由上海友生衡器有限公司制造的XK3100－B2+高精度电子称测量，其精度为1 g;利用DELPHI公司的VISU 98软件系统对电控高压共轨柴油机的ECU进行数据控制与监测.

为了能够成功实现二甲醚均质充量与柴油复合燃烧，对长城GW4D20发动机的进气系统进行了改造.因为DME的物理性质与液化石油气接近，采用液化石油气储罐储存二甲醚.试验中，燃料供给系统采用2条通道:通道1为传统的柴油供给系统，经过柴油滤清器到油耗仪，然后进入发动机;通道2为DME燃料的供给，DME燃料从气罐经压力调节阀调压至0.2 MPa左右，引入进气管，气罐放在高精度电子称上可以实现DME消耗量的测量.之所以将DME出口压力调至0.2 MPa，是因为在常用转速较大负荷时发动机增压中冷后压力在0.2 MPa以内.二甲醚的进气管采用耐高压管连接，然后通过压力调节阀，可以使二甲醚被直接引入到进气总管中，在进气总管迅速汽化并与空气混合，得到预混混合气，然后由进气管进入各气缸.根据前期试验，进气预混量的大小对发动机性能影响较大，进气预混量太大，发动机容易出现爆震;进气预混量太小，对燃烧的改善效果不明显.其中在DME均质充量与柴油复合燃烧方式中，在不发生爆燃的情况下，维持DME进气预混量为1.89 kg/h不变.试验测试系统如图1所示.

图1 试验测试系统示意图

3 试验结果与分析

由于正常使用过程中发动机的常用转速在2 000 r/min左右，所以试验选该转速为研究基准点.

3.1 经济性分析

图2是发动机按纯柴油燃烧方式运行和按DME均质充量预混与柴油复合燃烧方式运行的燃料消耗随负荷变化的对比，对比分析时，燃料的消耗量为柴油的消耗量与将二甲醚按热值折算成柴油后的消耗量之和，即

式中:Bm为总燃料消耗，kg/h;Bdiesel为柴油消耗量，kg/h;BDME为DME消耗量，kg/h;HuDME为DME低热值，MJ/kg;Hudiesel为柴油低热值，MJ/kg.

由图2可知，二甲醚均质充量与柴油复合燃烧的燃料消耗在小负荷时比纯柴油燃烧模式稍高，在中等或大负荷时(平均缸内压力0.41 MPa以上)稍低.这是由于在小负荷时，二甲醚的相对量占总燃料消耗量较大，而柴油热值是二甲醚热值的1.5倍，在发出的功率相同的前提下，必然造成总燃料消耗量的增加;在中等或大负荷时，二甲醚占总燃料消耗的比例减小，如平均有效压力在0.41 MPa时，柴油的消耗量为12.39 kg/h，而二甲醚的消耗量仍维持在1.89 kg/h，折算成柴油为 1.26 kg/h.另外，随着负荷的增加，从进气管引入DME后，由于二甲醚的自燃温度低，在压缩上止点前DME就开始进行均质压缩燃烧，使得缸内温度水平提高，而柴油喷入时刻比较晚，这样就使柴油燃烧的滞燃期、预混燃烧和混合控制燃烧均有不同程度的加快，总的燃烧时间缩短，定容度增加，所以，经济性提高.这一结果也反映在图3所示的热效率随负荷变化的曲线上.所以，采用复合燃烧方式后，可以提高中等或大负荷时(平均缸内压力0.41 MPa以上)的有效热效率.

3.2 排放性分析

由图4可以发现，DME均质充量与柴油复合燃烧下的NOx排放比纯柴油燃烧时的NOx排放少.这是因为DME在20℃时的蒸发压力为0.45 MPa，而中冷后的空气压力在0.2 MPa以下，所以DME进入进气管后，迅速汽化，并与空气混合，又因为DME在20℃的汽化潜热为 466 kJ/kg，远高于柴油的290 kJ/kg.所以，DME汽化时吸收大量的热，使经过中冷器后的空气温度进一步降低，从而降低了缸内的燃烧温度.而NOx的生成速率主要取决于温度，尤其是缸内燃烧温度在1 800 K及以上时，会使NOx的生成速率呈指数上升，温度稍有变化，就会影响NOx的生成.采用部分均质充量引入少量的DME后，可以降低缸内燃烧温度，从而降低NOx排放;另外在DME均质充量与柴油复合燃烧方式下，燃烧所需柴油量比传统纯柴油机所需量少，预混燃烧的量相应也减少，NOx排放量也少.在DME进气预混量为1.89 kg/h条件下，随着负荷的增加，NOx排放降低得比较多，可能是由于在大负荷时废气再循环对复合燃烧方式中二甲醚均质压缩燃烧阶段影响较大［11－12］.

图4 NOx排放随负荷的变化曲线

图5是发动机碳烟排放量随负荷的变化曲线.试验所用发动机为4气阀电控高压共轨涡轮增压发动机，发动机的碳烟排放量很低.这是因为采用四气阀和废气涡轮增压后大大增加了发动机的充气量，提高了燃料燃烧时的空燃比.并且柴油采用多孔小孔径喷嘴喷射，大大提高了雾化质量，降低了发动机的碳烟排放［13］.

图5 碳烟排放随负荷的变化曲线

由图5可知，二甲醚均质充量与柴油复合燃烧模式的碳烟排放量相当低.这是由于在二甲醚均质燃烧阶段，二甲醚化学分子中无C—C键的分子结构，燃烧时容易分解进行氧化反应，不容易聚合形成碳烟晶核;二甲醚又是自含氧燃料，氧的质量分数高达34.8%.如果发动机燃用纯二甲醚时可以实现无烟排放，所以比纯柴油发动机的碳烟排放量大幅降低;同时由于在相同工况下，在二甲醚均质充量与柴油复合燃烧方式中柴油的量较纯柴油燃烧方式的纯柴油量少，且碳烟主要是在扩散燃烧中产生，而二甲醚的均质压缩燃烧促进了后面柴油的扩散燃烧，因此在大负荷时，碳烟排放比纯柴油的燃烧方式降低了很多.

4 结语

1)在二甲醚进气预混量控制在不发生爆燃的前提下，二甲醚均质充量与柴油的复合燃烧方式对于提高大负荷时的有效热效率有显著的作用，并且能够降低燃油消耗量.

2)二甲醚均质充量与柴油的复合燃烧方式能有效降低NOx排放和碳烟排放，所以二甲醚可以作为一种新型的环保燃料在汽车发动机方面进行广泛的研究和推广.

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