二甲醚發動機燃料噴射及其對燃燒和排放影響

袁竹林，高廣新

（1.西安汽車科技職業學院，陜西 西安710038；2.西安交通大學，陜西 西安710049）

1 引言

二甲醚（CH3－O－CH3）的分子結構簡單，含氧量高達34.8%，且具有較高的十六烷值（55以上），非常適合柴油機作為替代燃料使用。二甲醚發動機可以實現無煙燃燒和較低的能夠達到國Ⅲ甚至國Ⅳ排放標準的HC、CO 和 NOx排放［1－4］。二甲醚發動機的NOx和PM排放不存在像柴油機那樣的trade－off關系［5］，故其NOx排放還可以通過EGR進一步降低［6］。但是，由于二甲醚的物性與柴油差別較大，在噴射壓力和正時等控制參數等方面需要特別的關注。

本文將一臺2102QB柴油機改裝成二甲醚燃料發動機，開展了不同負荷和轉速工況下，二甲醚供給正時對燃料噴射及其發動機燃燒和排放影響的研究，為認識二甲醚發動機的燃料噴射、燃燒和排放提供了參考數據。

2 臺架試驗

改裝的二甲醚發動機原機是一雙缸、直噴、水冷、直立柴油機，其主要技術參數如表1所示。

表1 二甲醚發動機主要性能參數

油管壓力傳感器為Kistler 4067，缸壓傳感器為Kistler7061B，電荷放大器為Kistler 5011，角標傳感器為Kistler 2613B。發動機轉速主要選定為1400、1870和2340r／min，三個供油提前角分別是19、22和25°CA BTDC。

3 二甲醚燃料的噴射過程

圖1為發動機不同轉速和負荷工況下實測的管壓曲線。隨著發動機轉速的升高，泵端壓力曲線整體向前推移，表示隨著轉速的提高，柱塞套進油口的節流作用增強，泄露量減少。二甲醚噴射的嘴端壓力曲線卻后移，表示二甲醚壓力波傳播時間以曲軸轉角計延長。發動機負荷對噴射過程的影響，主要是使泵端與嘴端油管壓力升高。

圖1 二甲醚燃料的噴射過程

4 噴射正時對二甲醚發動機燃燒的影響

圖2（a）所示為二甲醚發動機在1870r／min較低負荷時供油提前角對缸壓曲線的影響，通過缸壓曲線可以進一步計算出放熱率曲線如圖2（b）所示。相同轉速下，隨二甲醚燃料供給的提前，著火時刻提前，最大放熱率提高。反映到缸壓曲線上對應的壓力升高時刻提前，缸壓峰值升高。

圖2 供油提前角對缸壓和放熱率的影響

結合圖1，不同負荷條件下供油提前角對噴射延遲期和滯燃期的影響如圖3所示。在1870r／min轉速下，當供油提前角為19°CA BTDC和25°CA BTDC時，滯燃期分別為9°CA和10°CA，即當噴油正時提前6°CA時，發動機滯燃期滯后量為1°CA。當負荷增加時，缸內溫度較高，滯燃期略有縮短。

圖3 噴油始點和著火點隨供油提前角的變化

圖4是2340r／min工況下3種供油提前角下的燃燒持續期。隨著供油提前角的增加，燃燒持續期變化在2°CA以內。由此可見，由于二甲醚容易汽化并與空氣形成可燃混合氣，且自燃溫度較低，不同提前角下的燃燒似乎被整體的平移。

圖4 總燃燒持續期隨供油提前角變化

5 噴射正時對二甲醚發動機排放的影響

5.1 二甲醚與柴油發動機的排放對比

圖5所示為二甲醚發動機與其原型柴油機HC、CO和NOx的排放對比。圖中可見，二甲醚發動機的氣體排放要比柴油機低50%以上。二甲醚具有良好的霧化與混合特性，高含氧促進燃料的完全氧化，因此可以大大減少過稀區和過濃區域的產生，同時滯燃期短較低了最高燃燒溫度，使二甲醚發動機的NOx排放減少。

5.2 二甲醚噴射正時對排放的影響

圖6所示為二甲醚燃料供油提前角對排放的影響。圖中可見，當二甲醚的供給提前角由上止點前25°CA推遲到19°CA時，二甲醚發動機的NOx排放減少超過50%。因此在不惡化二甲醚發動機的有效熱效率的情況下，推遲噴油是降低NOx排放最方便而有效的措施。

圖5 發動機燃用二甲醚與柴油時排放對比

圖6 供油提前角對二甲醚發動機排放的影響

6 結語

（1）發動機轉速對二甲醚燃料的噴射延遲有顯著的影響，但對滯燃期和燃燒持續期的影響較小，為二甲醚發動機燃燒通過噴射正時優化提供方便。

（2）二甲醚發動機的氣體排放較柴油機的降低超過50%，且HC和CO排放受供油提前角影響較小。供油提前角對二甲醚發動機的NOx排放有顯著的影響，因此二甲醚發動機的NOx排放可方便地由供給提前控制。

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