二甲醚非標(biāo)柴油混合燃料 對發(fā)動機(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/m3668840 867 低熱值 /(MJ/kg 27.6 42.5 45.6 運(yùn)動粘度 (40 /(mm 20.22/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

4、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 生產(chǎn)廠家 電渦流測功機(jī) DW160 四川誠邦 發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng) ET2000 四川誠邦 智能油耗儀 ET2400 四川誠邦 電子計量秤 XK3

5、190-D9 山西萬立 五組分尾氣排放儀 AVL DIGOM 4000 AVL不透光煙度計 AVL DISMOKE 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)不做任何改動的情況下, 測試發(fā)動 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)動機(jī) 的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能。4 對 D50混合燃料發(fā)動機(jī)的供油提前角進(jìn)行 優(yōu)化匹配后,研究 EGR

6、 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/min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)閉時刻為 588°CA, 排氣門開啟時刻為 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&#

7、176;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注:三種發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi) Soot 生成濃度場的縱坐標(biāo)最大值依次為:0.1、 0.03、 0.001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

8、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)柴油的互溶性決定了發(fā)動機(jī)能否穩(wěn)定工作。因此臺架試驗(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小時后混 合燃料無分層無絮狀物生成。表 5 二甲醚/非標(biāo)柴油互溶性試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)比例 D30 D40 D50 二甲醚量 /(kg 0.06 0.08 0

9、.10 重柴油量 /(kg 0.14 0.12 0.10 混合時壓力 /(MPa 0.55 0.59 0.56 混合時溫度 /(°C 33.1 35 33 搖勻后壓力 /(MPa 0.33 0.47 0.45 搖勻后溫度 /(°C 33.1 35 33 靜置 5小時壓力 /(MPa 0.33 0.45 0.45 靜置 5小時溫度 /(°C 26.5 28.5 26 靜置 24小時壓力 /(MPa 0.38 0.39 0.45 靜置 24小時溫度 /(°C 29.5 27.5 29.53.2 排放性對比 排放對比 圖 1 NOx排放影響曲線圖 1為三種燃料

10、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 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煙度排放影響曲線排放對比圖 3 CO排放影響曲線圖 4為三種

11、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)動機(jī) HC 排放在高負(fù)荷工況下低于柴油機(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)動機(jī) 的

12、當(dāng)量油耗率比柴油機(jī)略有升高。 中高速工況下, D30發(fā)動機(jī)的當(dāng)量油耗率仍比柴油機(jī)高, D50發(fā)動 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,二甲醚汽化會降低缸內(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 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(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) 動機(jī)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(jī)性能的影響排放的影響圖 7 EGR率對 NOx 排放的影響圖 7為 2200r/m