电控高压共轨柴油机掺烧甲缩醛燃料燃烧特性研究*

李强1,2　徐向阳2

（1.山东交通职业学院，潍坊261206；2.北京航空航天大学，北京100191）

电控高压共轨柴油机掺烧甲缩醛燃料燃烧特性研究*

李强1,2徐向阳2

（1.山东交通职业学院，潍坊261206；2.北京航空航天大学，北京100191）

【摘要】以某电控高压共轨柴油机为研究对象，研究燃用4种比例的甲缩醛柴油混合燃料对其燃烧特性的影响。通过发动机台架试验发现，不改变柴油机的燃油供给系统和燃烧系统，在等过量空气系数和等转速下，添加甲缩醛后，最大压力升高率提高64.3%，压力峰值提前；热效率增加，放热率峰值提前；扩散燃烧期缩短，预混燃烧期未明显增长，燃烧持续期缩短；当量油耗降低。研究结果表明，添加甲缩醛改善了柴油机的燃烧特性。

1　前言

为了加强环境保护、满足日益严格的法规要求和节约石油资源，在柴油中掺混含氧燃料以改善发动机排放和燃烧特性的研究工作在国内外广泛进行[1～10]。姚春德等人进行了电控共轨柴油机应用柴油和乙醇组合燃烧的气体排放及燃料经济性研究[1]。任毅等人进行了柴油机燃用甲缩醛（DMM）柴油混合燃料的燃烧特性和排放研究[8]。吕兴才等人进行了预混合DMM对生物柴油发动机燃烧和排放的影响研究[9]。朱瑞军等人进行了柴油机掺烧DMM的燃烧与排放性能研究[10]。以上研究虽然取得了一些研究成果，但针对电控高压共轨柴油机燃用DMM燃料燃烧性能的研究还不够广泛，试验方法、评定方法及参数选取还不够全面，仍存在一些问题需要进一步深入研究。

本文以一台JE493ZLQ4CB型电控高压共轨柴油机为研究对象，在不改变柴油机的燃油供给系统和燃烧系统的情况下，采用DMM掺混比例为0、10 %、15 %、20 %的混合燃料进行燃烧试验，并在等转速和等过量空气系数条件下，研究柴油机燃用该4种混合燃料时的燃烧特性及燃油经济性。

2　DMM与柴油的对比

DMM常温下为无色、无毒的液体，在常温常压下能完全溶解于柴油，含有42.1 %的氧，分子结构中无C-C键，只有C-H键和C-O键；其沸点低，有助于燃料的混合、雾化；其低热值低于柴油，汽化潜热值比柴油大。

DMM和柴油的物理性质如表1所列。

表1　DMM和柴油物理性质比较

3　试验设备及方案

3.1试验设备

试验采用KISTLER石英压力传感器、角标器和电荷放大器来测录发动机示功图；利用FC2210智能油耗仪来测录发动机油耗；利用GW300电涡流测功机测量扭矩和转速；利用FC2000发动机自动测试系统来控制发动机的转速、温度、压力、流量等有关参数。

表2所示为试验用柴油机参数。

表2　试验用柴油机参数

3.2试验方案

图1所示为试验所用的台架布置方案。

图1　试验设备布置方案

4　试验结果与分析

4.1 DMM对柴油主要性质的影响

图2为DMM含量对混合燃料十六烷值的影响。可以看出，混合燃料的十六烷值随着DMM添加比例的增加而降低。因DMM的十六烷值低，随着DMM添加比例的增加，混合燃料的十六烷值减小，所以当DMM添加比例增加到一定程度，将导致发动机燃烧品质的恶化。

图2　DMM对混合燃料十六烷值的影响

图3为试验用燃料的低热值随DMM添加比例的变化趋势。图4为DMM含量对混合燃料含氧量的影响。可以看出，混合燃料的低热值随燃料中DMM比例的增加而降低；而其含氧量与DMM的含量成线性正比例关系。由于混合燃料中含氧，且DMM的低热值比柴油低，因此随着燃料中DMM比例的增加，若不增加循环供油量，则将会降低发动机的扭矩和功率。

图3　DMM对混合燃料低热值的影响

图5为DMM含量对燃料汽化潜热的影响。可以看出，随着DMM的增加，混合燃料的汽化潜热随之增加，燃油的汽化会使缸内温度下降。

4.2 DMM对柴油机燃烧特性的影响

图4　DMM对混合燃料含氧量的影响

图5　DMM对混合燃料汽化潜热的影响

为了研究DMM对柴油机燃烧特性的影响，选用过量空气系数λ=2.2、转速n=2 000 r/min来进行试验。

图6和图7分别为燃用不同比例DMM混合燃料时柴油机缸内压力变化规律曲线和压力升高率变化规律曲线。可以看出，添加DMM后的燃料最大爆发压力和最大压力升高率比纯柴油大，最大压力升高率增幅可达64.3 %，压力峰值提前，最高压力随DMM添加比例的增加先增加后略有降低。这是由于低比例DMM时，DMM富含氧且沸点低，促进了油分子和氧分子的碰撞，从而使燃烧过程得到改善，预混合燃烧燃油量增多，加快了燃烧进程，燃烧持续期变短，缸内压力和压力升高率也随之升高；高比例DMM时，DMM的十六烷值和低热值都比柴油低，过多的DMM使得燃烧品质受到一定程度影响，最高压力与低比例DMM时略有降低，但燃烧持续期变短，压力升高率仍然较高。

图6　压力示功图

图7　压力升高率曲线

图8和图9分别为燃用不同比例DMM混合燃料时发动机放热率曲线和累计放热率曲线。可以看出，添加DMM的混合燃料和纯柴油具有相似的放热规律，且随着DMM添加比例的增加，放热率峰值随之上升，同时添加DMM的混合燃料扩散燃烧期减小，预混燃烧期略有增加，燃烧持续期缩短。这是因为放热率峰值直接反映参与混合燃烧的燃料量，放热率峰值越大则参与预混燃烧的燃油份额就越大；虽然DMM的十六烷值低，但沸点也低，燃料进入燃烧室后，DMM迅速气化并形成可燃混合气，同时混合气中的含氧量提高，促进了燃烧进程，从而使得扩散燃烧期缩短，预混合燃烧期没有明显变长，燃烧持续期缩短，提高了发动机热效率，有利于抑制碳烟和颗粒物的形成及CO的氧化。

4.3 DMM对柴油机经济性的影响

图8　放热率曲线

图9　累计放热率曲线

由于DMM的低热值低于柴油，所以不能用油耗率来比较燃用DMM和柴油混合燃料的经济性。为此引入当量有效燃油消耗率：式中，b为有效燃油消耗率；HLb为混合燃料的低热值；HLd为柴油的低热值。

图10和图11为两种转速下不同DMM比例混合燃料柴油机当量燃油消耗率曲线。可以看出，添加DMM后，在中低转速下当量油耗低于纯柴油，混合燃料的经济性好，在高转速大负荷下与纯柴油的当量油耗相当。DMM添加比例为10 %～15 %时降低油耗的效果最为理想，燃油经济性最好，同时基本保持原机功率。能够降低油耗的原因是DMM富含氧，在燃烧过程中氧元素起助燃作用，尤其在喷雾核心等燃料浓度高的区域，提高了燃料与空气的比例，降低了燃料缺氧燃烧的机率，使得燃烧过程得到改善，有效热效率高于柴油。

图10　n=2 300 r/min时DMM对柴油机当量油耗的影响

图11　n=3 600 r/min时DMM对柴油机当量油耗的影响

5　结束语

a.等转速、等过量空气系数和等喷油正时保证了统一的燃烧条件，能够合理的评定掺混不同比例的DMM燃料对柴油机燃烧特性的影响。在不改变柴油机燃油供给系统和燃烧系统的情况下，DMM掺混比例不大于20 %对改善柴油机燃烧性能较好。

b.在同一工况下，添加DMM使柴油机最高爆发压力和最大压力升高率增大，最高压力峰值提前，最高压力随DMM添加比例的增加先增加后略有降低。

c.添加DMM燃料后，使得柴油机放热率峰值增大，热效率提高，扩散燃烧期减小，预混燃烧期没有明显变长，燃烧持续期缩短。

d.添加DMM燃料后，在中低转速下当量油耗较低，经济性好；在高转速大负荷下，当量油耗变化不大。DMM添加比例为10 %～15 %时燃油经济性最好，且基本保持原机功率。

参考文献

1姚春德,刘军恒,阳向兰,等.电控共轨柴油机应用柴油/乙醇组合燃烧的气体排放及燃料经济性.内燃机学报，2011, 29（2）:105～111.

2魏立江,姚春德,刘军恒,等.柴油/甲醇二元燃料重载柴油机的进排气分析与燃料效率.工程热物理学报，2013, 34（3）:563～567.

3雷基林,申立中,毕玉华,等.乙醇生物柴油混合燃料对柴油机性能和排放的影响.农业机械学报, 2012, 43（11）:6, 21～25.

4顾小磊,俞建达,黄佐华,等.正丁醇和异丁醇对柴油机燃烧与排放特性的影响.内燃机学报，2014, 32（2）:131～ 137.

5陈贵升，李伟东，沈颖刚，等. DMF/柴油和汽油/柴油混合燃料对柴油机燃烧和排放特性的影响.内燃机工程, 2014, 35（3）:6～13.

6朱一德,梅德清,吴焓,等.柴油机燃用混合含氧燃料的燃烧与排放.长安大学学报, 2014, 34（4）: 179～183.

7李仁春,王忠,袁银男,等.甲醇-柴油发动机缸内燃烧过程分析.车用发动机, 2014（1）:82～85.

8任毅,黄佐华,蒋德明,等.柴油机燃用柴油/二甲氧基甲烷混合燃料的燃烧特性研究.内燃机学报, 2005, 23（2）: 97～104.

9吕兴才,马骏骏,吉丽斌,等.预混合二甲氧基甲烷对生物柴油发动机燃烧与排放的影响.燃烧科学与技术，2008, 14（6）:511～516.

10朱瑞军,王锡斌,苗海燕,等.柴油机掺烧DMM的燃烧和排放性能影响研究.内燃机学报, 2009, 27（4）: 321～327.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2015年9月1日。

Research on Combustion Characteristics of a High-Pressure Common
Rail Diesel Engine Fuelled with Hybrid Dimethoxymethane Diesel

Li Qiang1,2, Xu Xiangyang2（1.Shandong Transport Vocational College, Weifang 261206; 2. Beihang University, Beijing 100191）

【Abstract】With an electrically-controlled high-pressure common rail diesel engine as research object, this paper studies the influence of four diesel- dimethoxymethane (DMM) fuels with four proportions of DMM on combustion characteristics. The results show that when the engine fuel supply system and combustion system do not modify and under the conditions of same engine speed and equal excess air coefficient, adding DMM increases the maximum pressure rise rate of 64.3%, and the pressure peak value appears in advance. The thermal efficiency increases and the heat release rate peak value appears in advance. The period of diffusive burning shortens, and the premixed combustion period does not lengthen obviously while the total combustion duration shortens, and equivalent fuel consumption decreases. Therefore, adding dimethoxymethane to diesel improves the combustion characteristics of diesel engine.

Key words:Diesel engine，High-pressure common rail，Dimethoxymethane (DMM)，Combustion characteristics

中图分类号:U464.172

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0057-04

*基金项目：国家科技支撑计划项目（2011BAG09B00），国家自然科学基金项目（51105017）。

主题词:柴油机电控高压共轨甲缩醛燃烧特性