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二甲醚發動機與汽車研究(上)

     摘要:在車用能源供應短缺與大氣環境保護的雙重壓力下,人們一直在尋求內燃機新型清潔代用燃料。本文結合上海交通大學10 年來對二甲醚發動機與汽車的應用基礎研究,系統介紹了二甲醚發動機燃料噴射、燃燒、性能、排放特性和二甲醚城市客車的動力性、經濟性、排放和噪聲情況。研究表明二甲醚發動機能實現高效、清潔燃燒,對緩解我國石油供需矛盾和保護城市大氣環境具有重要意義。 d73中國城市燃氣協會

關鍵詞:二甲醚;發動機;汽車;燃料噴射;燃燒過程;排放控制 d73中國城市燃氣協會
中圖分類號:TK464 文獻標志碼:Ad73中國城市燃氣協會
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引言 d73中國城市燃氣協會
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    隨著我國經濟快速發展,能源消費逐年增長,石油對外依存度不斷遞增,石油安全已成為我國亟待解決的重大問題。同時,能源利用過程中產生的環境污染問題也困擾著我國的經濟發展。面對能源供給和環境保護的雙重巨大壓力,針對我國自然條件和能源資源特色,合理利用我國的能源資源,尤其是煤炭資源,開發新型的清潔能源迫在眉睫。 d73中國城市燃氣協會
能從煤、煤層氣、天然氣、生物質等多種資源制取的二甲醚燃料是近年來新出現的汽車代用燃料。二甲醚(Dimethyl ether) ,簡稱DME,化學分子式為CH3OCH3,是一種無毒含氧燃料,常溫常壓下為氣態,常溫下可在5 個大氣壓下液化,易于儲存與輸運;由于其十六烷值高達55~60,具有優良的壓燃性,是非常適合于壓燃式發動機使用的代用燃料。作為一種新型二次能源,二甲醚具有很大的發展潛力和市場前景。 d73中國城市燃氣協會
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    國內外關于二甲醚作為柴油機代用燃料的研究只有10 余年的歷史,研究的重點是如何開發適合二甲醚燃料特性的發動機,實現高效清潔燃燒。丹麥技術大學、AMOCO、NAVISTAR、AVL和AIST等在柴油機上先后進行了燃用二甲醚的試驗研究[1-7],結果表明,燃用二甲醚燃料的發動機,在保持原柴油機高熱效率和動力性的前提下,氮氧化物顯著降低,碳煙排放為零。由于DME燃料的卓越性能,近年來日韓和歐洲多國紛紛開展二甲醚發動機與汽車的研發。在國內,上海交通大學、西安交通大學、天津大學、吉林大學、華中科技大學等各自開展了二甲醚燃料噴霧和燃燒特性、發動機性能的研究[8-10]。d73中國城市燃氣協會
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    上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室自1996 年以來對二甲醚發動機的燃料噴射過程、噴霧特性、燃燒與性能、可靠性和材料相容性進行了深入系統的研究,研發了適合于二甲醚燃料特性的發動機供給系統、噴射系統、燃燒系統和6114ZLQB二甲醚發動機[11-20]。本文介紹了二甲醚發動機燃料噴射、燃燒、性能和排放特性,并介紹了二甲醚城市客車的動力性、經濟性、排放和噪聲情況。研究表明二甲醚發動機整機動力性、經濟性、排放和噪聲都優于原機,能實現高效、清潔燃燒,對發展具有中國特色的汽車代用燃料體系,緩解我國石油供需矛盾,保證我國能源安全及環境保護具有戰略意義。 d73中國城市燃氣協會
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1 燃料物化特性與試驗裝置 d73中國城市燃氣協會
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    二甲醚與柴油的物理化學性質見表1,可見二甲醚燃料具有高蒸汽壓、低沸點、低粘度、較高的壓縮性、較低熱值、壓燃性好及混合氣形成容易等特性,其理化特性與柴油有很大不同。必須根據二甲醚燃料的特殊理化特性,對二甲醚發動機燃油噴射與燃燒系統進行專門設計和開發。
    本文研究采用的原型柴油機為上海柴油機股份有限公司生產的2135 非增壓直噴式柴油機和D6114ZLQB 增壓中冷柴油機。發動機的主要技術參數如表2、3 所示。
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    本文針對二甲醚的特性,通過大量實驗研究和發動機參數優化,對發動機進行了五個方面專門設計開發和改進,①采用直流電動增壓泵來增加二甲醚燃料的供給壓力,防止燃料系統中發生氣阻現象;②采用增大高壓燃油泵柱塞直徑和行程、噴孔直徑和高壓油管內徑等方法,強化噴油泵供油能力、提高噴嘴高通流截面和噴射速率;③增加冷卻器降低二甲醚燃料的回油溫度,控制二甲醚燃料溫度;④開發了二甲醚燃料潤滑添加劑,使用添加劑有效改善了由于二甲醚燃料引起的噴油系統運動偶件磨損問題;⑤開發了具有較好耐二甲醚燃料的橡膠和塑料密封件,保證了發動機有關部件的有效密封。以此保障了二甲醚發動機可靠運行。d73中國城市燃氣協會
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    二甲醚發動機試驗裝置和測試設備如圖1 所示。試驗中采用電子天平來測試二甲醚的燃料消耗量,為了方便和原機燃油消耗率對比,根據等熱值的原則,將二甲醚的消耗率轉化為等熱值的柴油消耗率。氣體排放和顆粒物分別采用AVL 公司CEB系列排放儀和型號為472 Smart Sampler PC 顆粒分析儀來測量。試驗中,采集了缸內示功圖,并用零維熱力學分析模型計算放熱規律,分析了其燃燒特性和主要因素的影響。
2 二甲醚發動機試驗結果與分析d73中國城市燃氣協會
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2.1 二甲醚噴射與燃燒特性 d73中國城市燃氣協會
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    由于二甲醚燃料具有高蒸汽壓、較高的壓縮性、低沸點等特性,與柴油有很大不同,本研究中,首先針對直噴式2135 柴油機的泵-管-嘴燃油系統,對DME 燃料噴射特性與燃燒特性,包括泵端和嘴端油管壓力、針閥升程、缸內壓力和著火時刻進行了測試,根據試驗數據分析了DME 和柴油在發動機不同負荷時的音速、噴油延遲和滯燃期,并將二甲醚與柴油燃料的進行了比較。d73中國城市燃氣協會
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    試驗結果表明,在幾何供油提前角、轉速和負荷相同的情況下,使用二甲醚時,泵端和嘴端油管壓力峰值均比使用柴油時的小;并且二甲醚油管壓力上升和下降均比柴油的緩慢。圖2 給出了發動機負荷率分別為50%、75%和100%時油管中二甲醚與柴油的壓力波傳播速度對比,由圖可見,由于二甲醚彈性模量小,二甲醚更易于壓縮,二甲醚的音速分別為810m/s、675 m/s 和578.6 m/s,柴油的音速分別為1,227.3m/s、1,157.1 m/s、1,094.5 m/s,顯然,二甲醚的音速在各個負荷下均遠小于柴油,隨負荷的減小,燃料的音速進一步下降。圖3 進一步顯示了由于油管中二甲醚的音速遠低于柴油,導致二甲醚的噴油延遲期遠大于柴油,當發動機負荷率分別為100%、75%和50%時,二甲醚燃料的噴油延遲期較柴油增加了36.4%,43.5%和46.2%;在另一方面,由于二甲醚十六烷值高,滯燃期短,在發動機負荷率分別為100%、75%和50%時,滯燃期則較柴油分別縮短了23.1%,21.15%和18.5%。在相同幾何供油提前角的情況下,由于二甲醚燃料噴油延遲的增加要比滯燃期的減少顯著,最終導致二甲醚的著火時刻落后于柴油,且隨負荷減小落后越明顯。
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2.2 二甲醚發動機性能d73中國城市燃氣協會
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    本文進一步對所開發的D6114ZLQB 增壓中冷二甲醚發動機進行了燃燒、性能和排放研究。圖4 為二甲醚發動機和原柴油機在外特性下800 r/min、1,400 r/min 和2,200 r/min 轉速時的示功圖、放熱率=累計放熱率和壓力升高率的比較,由圖可知發動機燃用二甲醚時的最高爆發壓力和放熱峰值比柴油機低且相位上滯后。如在發動機轉速800,r/min 下100%負荷時,對二甲醚發動機,供油提前角12°CA BTDC時最高爆發壓力為9.3 MPa,出現在上止點后13°CA 處,供油提前角9°CA BTDC 時最高爆發壓力約為8.2 MPa,出現在上止點后15°CA 位置,隨著供油提前角的減少,爆發壓力降低,并離開上止點。而供油提前角9°CA BTDC 時柴油機的最高爆發壓力為10.1 MPa,出現在上止點后11°CA 位置;相同幾何供油提前角情況下,二甲醚發動機最高爆發壓力比柴油機晚4°CA 出現。從圖中還可看到,二甲醚發動機的最大壓力升高率遠低于柴油機。在轉速為1400r/min和2200r/min 時可以發現相同的規律。二甲醚的十六烷值比柴油高,滯燃期比柴油短,滯燃期內二甲醚發動機缸內積聚可燃混合氣比柴油少,造成二甲醚發動機最高爆發壓力比柴油機的低,壓力升高率低。此外,二甲醚的噴油延遲比柴油大,相同幾何供油提前角情況下,二甲醚的噴油提前角比柴油小,雖然二甲醚的十六烷值高,比柴油更易著火,從放熱規律可見,二甲醚發動機著火時刻明顯晚于柴油機,造成二甲醚發動機的最高爆發壓力和放熱峰值所對應的位置比柴油機晚,供油提前角12°CA BTDC 時二甲醚的著火點與供油提前角9°CA BTDC 時的柴油著火點相當或稍晚。
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圖4 二甲醚發動機與柴油機缸內壓力、放熱率、累計放熱率 d73中國城市燃氣協會
和壓力升高率的對比
    從圖4 中的二甲醚發動機和柴油機累計放熱率還可以看出,雖然二甲醚發動機著火比柴油機晚,但燃燒速度快,放熱結束并不比柴油遲,這在中低轉速情況下,尤為明顯,二甲醚的燃燒持續期比柴油短。這是由于二甲醚燃料蒸汽壓高、沸點低,含氧高,霧化與氣化容易,有利于可燃混合氣形成和燃燒,特別是有利于擴散燃燒的進行。 d73中國城市燃氣協會
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    綜上所述,二甲醚發動機最高爆發壓力、最大壓力升高率和放熱峰值均比柴油機低且相位上滯后,二甲醚燃料燃燒速度快,燃燒持續期比柴油短,發動機工作柔和,噪聲低。圖5 為外特性下二甲醚發動機和柴油機的轉矩和功率的對比。由圖可知,在所有轉速范圍內,二甲醚發動機的外特性轉矩均比原柴油機大,相應的功率也比原柴油機大。特別是在發動機轉速低于1,400r/min 時,二甲醚發動機的外特性轉矩有較大的提高。當發動機轉速為900,r/min 和1,000,r/min 時,二甲醚發動機外特性轉矩比原柴油機分別提高了32.8%和29.1%。由于發動機燃用二甲醚時碳煙排放為零,沒有柴油機的冒煙極限的限制,有利于提高發動機的轉矩。二甲醚發動機這一特點對頻繁起停、需要低速轉矩大的城市公交車特別適合。
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