孙志强，段俊法，2，杨振中

(1.华北水利水电学院机械学院，河南郑州450011;2.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)

0 引言

近年来，中国的能源紧缺问题日益突出，同时对环保问题也日益重视。随着中国汽车保有量的不断上升，数量庞大的汽车发动机在燃烧矿物能源的过程中，不仅加快了地球有限能源的消耗，也造成了环境的严重污染。为了缓解能源压力，降低汽车尾气排放污染，人们开始研究一些新的燃烧方式，同时，发展新型替代燃料来解决这类问题。

均质压燃(HCCI)燃烧技术作为一种机内净化措施，可以实现高的热效率和超低的氮氧化物(NOx)和微粒排放。但是，目前HCCI发动机还存在许多问题[1-3］。虽然目前对HCCI发动机的研究较多，但因问题的复杂性和工作的不稳定性，离投入实际应用还有一定距离。二甲醚(DME)作为一种代用燃料，非常适合作为车用燃料，而且来源丰富，可从生物质中制取，不会存在枯竭问题，对缓解能源危机有不可忽视的作用。二甲醚作为燃料具有高的蒸汽压、低沸点、压燃性好及混合气形成容易等特性，非常适合均质压缩燃烧方式[4-6］。

液化石油气(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已经进行了大量研究[7-9］。文献[10］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。文献[11］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。文献[12］的研究结果证明:以DME为燃料的压缩着火发动机，如果采用高废气再循环(EGR)率配以稀NOx捕捉器，不但可以满足未来的NOx排放法规，而且又因为不受氮氧化物-微粒排放量(NOx-PM)的限制，其微粒排放量(PM)也可以满足非常严格的排放法规。文献[13］认为:通常情况下，DME的颗粒排放非常低，HC和CO排放与柴油相当，NOx排放结果不一致，有的高，有的低，这与发动机本身的特点有关。文献[14］在一台1.9 L高压共轨增压发动机上开展了排放研究，研究结果表明:HC排放大致与柴油相当，CO排放在小负荷时稍低，在大负荷时相反，NOx排放均低于柴油。CO排放在大负荷时上升的原因在文献[14］中解释为:大负荷时当量比大于0.8，并且喷油结束时刻较晚。但这一解释很牵强。

本文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方式，并由此开展对发动机性能影响的研究。在研究过程中，对试验所用的GW4D20电控高压共轨增压中冷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

二甲醚简称DME，其分子式为CH3—O—CH3，是一种最简单的醚结构。表1为二甲醚和柴油主要理化特性对比。常温常压下DME是一种无色、有轻微醚香味的气体，无腐蚀性，几乎没有毒性。分子中氧的质量分数为34.8%，没有C—C键，沸点为-24.9℃。环境温度下的饱和蒸汽压为0.51 MPa，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[15］。

表1 二甲醚和柴油的理化特性

2 装置与方法

2.1 发动机

本试验在长城GW4D20型四缸、电控高压共轨、涡轮增压中冷带EGR直喷式柴油机上进行，其主要的技术参数见表2。在试验过程中，为了使发动机的性能优良，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 GW4D20型增压柴油机的主要技术参数

2.2 测试仪器设备

试验过程中使用的主要设备仪器有:测功机采用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°曲轴转角记录1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，测量烟度用消光系数来表示;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GW4D2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。在本试验中，燃料供给系统采用两条通道: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。将DME出口压力调至0.2 MPa，是因为在常用转速范围内工作时，经发动机增压中冷后的进气压力在0.2 MPa以内。二甲醚和进气管采用耐高压管连接，然后通过压力调节阀，可以将二甲醚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。试验装置和测试系统示意图如图1所示。

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，所以本试验就选该转速开展研究。

3.1 经济性

表3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量随负荷变化进行对比，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

图1 试验测试系统示意图

其中，Bm为总燃料消耗，kg/h;Bd为柴油消耗量，kg/h;BD为DME消耗量，kg/h;HuD为DME低热值，MJ/kg;Hud为柴油低热值，MJ/kg。

由表3可知:二甲醚均质充量与柴油复合燃烧方式的燃料消耗率在小负荷时(平均有效压力0.31 MPa以下)比纯柴油燃烧模式稍高，在中大负荷时(平均有效压力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。这一结果也反映在表4所示的热效率随负荷的变化上。所以，采用复合燃烧方式后，可以提高中大负荷时(平均有效压力0.41 MPa以上)的有效热效率。

表3 燃料消耗量随负荷的变化

表4 有效热效率随负荷的变化

3.2 排放特性

表5为NOx排放随负荷的变化，由表5可以发现:DME均质充量与柴油复合燃烧方式下的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410 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，柴油的量比传统方式纯柴油的量少，预混燃烧的量相应也会减少，而NOx排放主要是在柴油的预混燃烧中生成，因此也使得NOx排放降低。在DME进气预混量为1.89 kg/h条件下，随着负荷的增加，NOx排放降低的比较多，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[16-17］。

表6是发动机碳烟排放随负荷变化的对比。本试验所用发动机为四气阀电控高压共轨涡轮增压发动机，发动机的碳烟排放很低，这是因为采用四气阀和废气涡轮增压后大大增加发动机的充气量，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，因而显著降低了发动机的碳烟排放[18］。由表6可知:二甲醚均质充量与柴油复合燃烧模式的碳烟排放相当低，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燃烧，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[19］，所以碳烟排放比纯柴油大幅降低。同时，还由于在相同工况下，在DME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时的柴油量少，且碳烟主要是在扩散燃烧产生，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，碳烟排放比纯柴油燃烧方式降低了很多。

表5 NOx排放随负荷的变化

表6 碳烟随负荷的变化

表7是发动机的CO排放随负荷变化的对比。由表7可知:在中低负荷时(平均有效压力0.50 MPa以下)二甲醚均质充量与柴油复合燃烧模式的CO排放相当高，但随着负荷的增加，CO排放不断下降。在低负荷时，CO排放高的原因是:二甲醚是从进气管被引入，进行均质预混压缩燃烧，而柴油喷入时刻比较晚，此时混合气稀薄，燃烧温度低，燃烧速率变慢，CO的生成会大大增加。随着负荷的增加，柴油喷入量逐渐增多，二甲醚均质燃烧所占比例逐渐降低，缸内温度逐渐上升，CO排放越来越低。

表8是发动机的HC排放随负荷变化的对比。由表8可知:在低负荷时，二甲醚均质充量与柴油复合燃烧模式的HC排放比按纯柴油运行时的HC排放浓度高，但随着负荷的增加，HC排放浓度不断下降，逐渐接近并低于纯柴油的HC浓度排放。由于这种复合燃烧方式造成进气和压缩过程中，气缸内充满二甲醚与空气的均质混合气，类似于火花点火发动机。在低负荷时，随后的柴油喷射量也很小，使总的混合气浓度过稀，又因其燃烧温度较低，使得燃料不能完全燃烧，特别是缸壁处的混合气燃烧困难，造成HC排放偏高，而且由于燃烧室中有各种狭窄的缝隙(如活塞、活塞环与气缸壁之间的间隙，进排气门与气缸盖气门座面相匹配的密封带狭缝等)，气缸压力升高时一部分燃料混合气被挤入缝隙中，当缝隙中压力高于气缸压力时，陷入缝隙中的混合气逐渐回流气缸，增加了HC排放[13］。随着负荷的增加，柴油喷入量逐渐增多，缸内温度逐渐上升，未燃物继续参与反应，所以HC排放逐渐降低。

表7 CO排放随负荷的变化

表8 HC排放随负荷的变化

4 结论

(1)在一定的二甲醚进气预混量下，二甲醚均质充量与柴油的复合燃烧方式可以提高大负荷时的有效热效率，并能有效降低NOx排放和碳烟排放。

(2)二甲醚均质充量与柴油的复合燃烧方式的CO、HC排放量在低负荷时增加，在大负荷时逐渐接近直至低于纯柴油燃烧时的排放数值。

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