1二甲醚与柴油的理化特性和燃烧系统-bowenpublishing

1、二甲醚HCCI与柴油DI复合燃烧实验研究段俊法1,2，孙志强1,杨振中11.华北水利水电学院，河南 郑州450011；2.北京理工大学，北京 100081摘要:在一台电控共轨增压中冷柴油机上进行了二甲醚均质充量与柴油喷射复合燃烧的燃烧和排放特性实验研究。结果说明，二甲醚均质充量与柴油喷射复合燃烧方式的缸内压力和压力升高率的峰值有所提高，但峰值所处位置后移，缸内最高燃烧温度比纯柴油低，前期放热大于纯柴油喷射燃烧方式，但后期相反，具有三阶段的放热热性，其中第一段为二甲醚的均质压燃，第二段为二甲醚的均质压燃与柴油预喷的混合燃烧，第三阶段为柴油的预混和扩散燃烧；复合燃烧时发动机的NOx和碳烟排放均降低

2、，排气温度有所降低。关键词：二甲醚；均质充量；燃烧；排放Combustion and Emissions of Diesel Engine Operating on Compound Combustion Mode of DME HCCI and Diesel DIABSTRACT: Combustion and emissions characteristics were investigated on a high pressure common rail turbocharged diesel engine operating on compound combustion mode of

3、 Homogeneous charge of DME and diesel fuel injection. The results indicate that under a certain amount of premixing of DME with intake air, the maximum of cylinder pressure and pressure rise rate increase when the engine operating on compound combustion mode, however, the moments of these are delaye

4、d comparing with these of diesel fuel injection combustion mode. The peak of cylinder temperature is lower than that of the latter. The amount of heat release at the early stage is more than the diesel injection mode, however, the opposite at the later stage. The compound combustion mode has a chara

5、cteristic of three-stage combustion, i.e., DME homogeneous compression combustion, the compound combustion of DME homogeneous compression combustion and the premixed combustion of diesel injection, and the premixed and diffusion combustion of diesel injection. When the engine operating on the compou

6、nd combustion mode, NOx and Smoke emissions are reduced significantly; however, the increase of HC and CO emissions is observed. The exhaust temperature decreases.Key Words: DME; Homogeneous Charge; Combustion; Emissions引言柴油机因其良好的燃油经济性和适应性得到了越来越广泛的应用，但柴油机的碳烟和NOx排放问题较难解决，在柴油机中使用含氧燃料如醇类和醚类是解决排放问题的一条途径

7、，也是解决石油资源缺乏的有效方法。我国能源结构中石油比重低、煤比重高，煤基二甲醚的供给充足，探索二甲醚在柴油机上的燃烧规律有重要的意义。Westbrook CK1 和Ogawa H1 分别应用化学动力学对含氧燃料的燃烧进行了计算，结果说明含氧燃料可以降低发动机的碳烟和NOx排放。Konno 等人系统研究了纯二甲醚发动机的NO排放规律1，而Cipolat D等人的研究说明二甲醚作为引燃物可以改善压燃式发动机的燃烧1。上海交通大学的张俊军等人在一台增压柴油机改造燃料供给系统，进行了柴油发动机燃用二甲醚的仿真和实验研究，研究说明二甲醚发动机的NOx 排放比柴油机有明显下降，HC 和 CO 排放处于很

8、低水平，碳烟排放根本为零，但发动机的功率有所下降1- 1 。而西安交通大学的汪映等人进行了二甲醚和柴油PCCI-DI混合燃烧方式的实验研究，得到了柴油机小负荷工况时柴油掺烧一定比例二甲醚会造成碳烟和NOx排放规律1- 1。由于二甲醚的低粘度和燃烧值较低，采用纯二甲醚会造发动机功率的下降，而二甲醚和柴油的掺烧方式可能在维持柴油机优良的动力和经济性的同时，降低颗粒物和NOx排放。本文对柴油掺烧二甲醚的燃烧系统进行实验，探索发动机混合燃烧在常用转速时不同负荷的燃烧和排放规律。1 二甲醚与柴油的理化特性和燃烧系统常温常压下二甲醚是一种无色有轻微醚香味的气体，无腐蚀性，几乎没有毒性。二甲醚和柴油的主要理

9、化特性见表 1。表 1 二甲醚和柴油的理化特性1Tab. Physical and chemical properties of 二甲醚 and diesel fuel特性二甲醚柴油化学分子式CH3-O-CH3CxHy沸点()-24-蒸发压力(MPa)0.45(20)-液态粘度(cP)0.154.4-5.4低热值(MJ.kg-1)28.4342.5着火温度()235250十六烷值55-6545当量空燃比914.3汽化潜热(kJ.kg-1)466(20)290二甲醚的沸点很低,蒸发压力较高，在常温下即能迅速与空气形成可燃混合气。二甲醚自燃温度较低，十六烷值高，着火延迟期短，易于压燃且燃烧压力升高

10、率较低。适于首先自燃，并引燃柴油，并可缩短燃烧续期10。考虑到二甲醚常温下处于气态，本文设计的燃烧系统在进气管位置喷入二甲醚，使其在进气管内即开始局部气化，进入气缸后继续气化形成近似均值充量。而柴油通过原供油系统直接喷入汽缸，在高压下实现雾化和局部预混。在压缩行程末期，当缸内温度到达二甲醚自燃温度后，二甲醚均质压燃，引起气缸迅速温升，促进柴油自燃。二甲醚和柴油的供给系统分别独立，通过调整喷射压力和脉宽控制供给量。2.试验装置与方法2.1 发动机试验在一台四缸高压共轨、涡轮增压中冷带EGR直喷式柴油机上进行研究，其主要的技术参数见表2。试验过程中，燃油温度通过燃油温控装置控制在40以内；进气中冷

11、后温度在冷却控制装置的作用下维持在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柴油机的主要技术参数Tab. 2 Main parameters of engine工程 技术参数型式直列、四缸、涡轮增压、废气再循环缸数4缸径mm83.1行程mm92连杆长度(mm)145.8排量L2喷油器孔数7压缩比16.7：1标定功率kW110标定转速r/min4000最大扭矩N.m310最大扭矩转速r/min180028002.2 测试仪器设备试验使用的主要设备仪器有： PC2000型电涡流测功机和测控系统调节； KiBox燃烧分析仪； MEXA-7100D型气体排放测试仪测量

12、， DISMOKE 4000不透光烟度计， XK3100-B2+高精度电子称测量； ECU数据控制与监测系统。本试验采用双燃料供给系统：柴油经过高精度油耗仪后通过低压、高压油泵进入共轨管； 二甲醚燃料从储气罐经压力调节阀调压至0.2MPa左右，引入进气管迅速汽化并与空气混合，得到预混混合气，然后由进气岐管进入各气缸。试验装置和测试系统示意图如图 所示。1100kg电子天平2二甲醚燃料罐3压力调节阀4柴油箱 5智能油耗仪 6.发动机 7.电涡流测功机8角标信号传感器 9.缸压传感器10.燃烧分析仪11.AVL不透光烟度计 12.HORIBA排气分析仪图 1 试验测试系统示意图Fig. 1 Sch

13、ematic diagram of experimental setup3 试验结果与分析试验时，发动机分别以二甲醚均质充量与柴油喷射复合燃烧方式与纯柴油喷射燃烧方式运转，分析发动机转速为2000rpm的燃烧与排放特性。试验中二甲醚的供给量通过压力改变调节，柴油的供给量通过喷射脉宽调节。3.1燃烧特性从图 1中可以看出，二甲醚PCCI与柴油DI复合燃烧方式的缸内最高爆发压力为10.7MPa，对应的曲轴转角为上止点后1.90CA，而柴油喷射燃烧方式的缸内最高爆发压力为9.0MPa，其对应的曲轴转角为上止点后0.60CA。可以看出，前者大于后者，但位置后移。出现的原因是DME由进气管进入气缸之前，

14、已形成均质混合气，由于DME的自燃温度低，在压缩过程中上止点前很快燃烧。但复合燃烧方式的最大爆发压力出现位置稍有推迟。从图 2的压力升高率曲线可以看到，二甲醚PCCI与柴油DI复合燃烧方式的压力升高率曲线与纯柴油喷射燃烧方式从形态上存在较大差异，前者的峰值压力升高率为0.732MPa/0CA，后者为0.527 MPa/0CA，且位置由上止点前8.20CA前移至12.70CA，这是由于DME与空气在进气管内形成的均质混合气由于其较高的十六烷值而在压缩行程末期过早燃烧造成的。所以，发动机以复合燃烧方式运转时，DME的量不能太大，不然会导致发动机工作粗暴，动力性和经济性下降。 图 1 缸内压力随曲轴

15、转角的变化Fig. 3 Cylinder pressure versus crank angle图 2压力升高率随曲轴转角的变化Fig. 4 Cylinder pressure rise rate versus crank angle从图 3可以看出，复合燃烧方式在压缩上止点前150CA之前缸内温度低于柴油喷射燃烧方式。在上止点前150CA到上止点后300CA，复合燃烧方式的缸内温度高于纯柴油。而在上止点后300CA左右以后，复合燃烧方式的缸内温度低于于纯柴油。两种燃烧方式的缸内最高平均温度均出现在上止点300CA以后，纯柴油燃烧方式的最高温度1650K高于复合燃烧的最高温度1600K。由图

16、4可以看出，复合燃烧方式放热率与纯柴油喷射燃烧方式有很大区别，复合燃烧呈现出三阶段放热特性，第一段从上止点前300CA到上止点前200CA，为DME的低温燃烧阶段；随着温度的升高，第二阶段DME与柴油预喷混合燃烧，从上止点前200CA到上止点前100CA，主要是DME自身的快速氧化预喷柴油的预混合燃烧过程，此过程燃烧持续期短，放热峰值较大；第三阶段为喷入柴油后的燃烧。纯柴油喷射燃烧的放热有两局部，第一局部是第一次预喷的柴油放热过程，第二局部为主喷柴油的放热过程。 图 3缸内平均燃烧温度随曲轴转角的变化Fig. 5 Mean combustion temperature versus crank

17、 angle图 4瞬时放热率随曲轴转角的变化Fig. 6 Heat release rate versus crank angle3.2排放特性Error! Reference source not found.是不同负荷时NOx排放规律。在各种工况下，复合燃烧方式的NOx排放均低于纯柴油燃烧。主要因为复合燃烧方式二甲醚的气化潜热较高，在前期降低了缸内温度；同时二甲醚燃烧的热值较低，因而燃烧时的缸内温度低于纯柴油燃烧；保持二甲醚进气预混量为1.89kg/h，随着负荷的增加，NOx排放降低的比拟多，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。图 8是两种燃烧模式

18、时发动机碳烟排放随负荷变化的规律。由图可知，混合燃烧模式的仅为纯柴油燃烧的50%左右，这是由于二甲醚化学分子中无CC键的分子结构，燃烧时容易分解进行氧化反响燃烧，不容易聚合形成碳烟晶核，同时二甲醚的含氧量较高，易于完成C的氧化。在大负荷工况下，由于二甲醚均质压缩燃烧促进了后面柴油的扩散燃烧，因而碳烟排放比纯柴油燃烧方式降低了很多。图 7 NOx排放随负荷的变化Fig. 7 NOx versus engine load图 8碳烟排放随负荷的变化Fig. 8 Smoke versus engine load4结论1二甲醚均质充量与柴油的复合燃烧方式的最大爆发压力比纯柴油高，最高燃烧温度比纯柴油低，

19、具有三阶段的放热热性，其中第一阶段为二甲醚与空气的均质压燃，第二阶段为二甲醚与空气的均质压燃与柴油预喷形成的混合气的预混燃烧，第三段为柴油的预混和扩散燃烧。2二甲醚均质充量与柴油的复合燃烧方式在一定的二甲醚进气预混量下，能有效降低NOx排放和碳烟排放。3二甲醚均质充量与柴油的复合燃烧方式压力升高率较高，但选择适宜的替代比可以获得较低的压力升高率，降低燃烧噪声。参考文献1 Westbrook CK. Chemical kinetic modeling of oxygenated diesel fuels in advanced petroleum-based and alternative fu

20、els. DOE Report; 1999.2 Ogawa H, Miyamoto N, Yagi M. Chemical-kinetic analysis on PAH formation mechanisms of oxygenated fuels. SAE Paper 2003-01-3190, SAE Transanctions Journal of Fuels and Lubricants, 2003. 112(4):241321.3 Cipolat D., N. Bhana, Fuelling of a compression ignition engine on ethanol

21、with DME as ignition promoter: Effect of injector configuration. Fuel Processing Technology, 2021.4 Konno, M., Kajitani, S., Oguma, M., Iwase, T., Shima, K. NO emission charactheristics of a CI engine fueled with neat dimethyl ether C. SAE Paper 1999-01-1116, 1999.5 J-J Zhang, Z Huang, J-H Wu, X-G Qiao, and J-H Fang. Combustion and Performance ofHeavy-Duty Diesel Engines Fueled With Dimethyl Ether. Proceedings of the Institute ofMechanical Engineers, Part D, Journal of Automobile Engineering, 2021.6 Junjun Zhang，Xinqi Qiao，Bin Guan，Zhen Wang，Guangfei Xiao，Zh