電控高壓共軌柴油機摻燒甲縮醛燃料燃燒特性研究*

李強1,2　徐向陽2

（1.山東交通職業學院，濰坊261206；2.北京航空航天大學，北京100191）

?

電控高壓共軌柴油機摻燒甲縮醛燃料燃燒特性研究*

李強1,2徐向陽2

（1.山東交通職業學院，濰坊261206；2.北京航空航天大學，北京100191）

【摘要】以某電控高壓共軌柴油機為研究對象，研究燃用4種比例的甲縮醛柴油混合燃料對其燃燒特性的影響。通過發動機臺架試驗發現，不改變柴油機的燃油供給系統和燃燒系統，在等過量空氣系數和等轉速下，添加甲縮醛后，最大壓力升高率提高64.3%，壓力峰值提前；熱效率增加，放熱率峰值提前；擴散燃燒期縮短，預混燃燒期未明顯增長，燃燒持續期縮短；當量油耗降低。研究結果表明，添加甲縮醛改善了柴油機的燃燒特性。

1　前言

為了加強環境保護、滿足日益嚴格的法規要求和節約石油資源，在柴油中摻混含氧燃料以改善發動機排放和燃燒特性的研究工作在國內外廣泛進行[1～10]。姚春德等人進行了電控共軌柴油機應用柴油和乙醇組合燃燒的氣體排放及燃料經濟性研究[1]。任毅等人進行了柴油機燃用甲縮醛（DMM）柴油混合燃料的燃燒特性和排放研究[8]。呂興才等人進行了預混合DMM對生物柴油發動機燃燒和排放的影響研究[9]。朱瑞軍等人進行了柴油機摻燒DMM的燃燒與排放性能研究[10]。以上研究雖然取得了一些研究成果，但針對電控高壓共軌柴油機燃用DMM燃料燃燒性能的研究還不夠廣泛，試驗方法、評定方法及參數選取還不夠全面，仍存在一些問題需要進一步深入研究。

本文以一臺JE493ZLQ4CB型電控高壓共軌柴油機為研究對象，在不改變柴油機的燃油供給系統和燃燒系統的情況下，采用DMM摻混比例為0、10 %、15 %、20 %的混合燃料進行燃燒試驗，并在等轉速和等過量空氣系數條件下，研究柴油機燃用該4種混合燃料時的燃燒特性及燃油經濟性。

2　DMM與柴油的對比

DMM常溫下為無色、無毒的液體，在常溫常壓下能完全溶解于柴油，含有42.1 %的氧，分子結構中無C-C鍵，只有C-H鍵和C-O鍵；其沸點低，有助于燃料的混合、霧化；其低熱值低于柴油，汽化潛熱值比柴油大。

DMM和柴油的物理性質如表1所列。

表1　DMM和柴油物理性質比較

3　試驗設備及方案

3.1試驗設備

試驗采用KISTLER石英壓力傳感器、角標器和電荷放大器來測錄發動機示功圖；利用FC2210智能油耗儀來測錄發動機油耗；利用GW300電渦流測功機測量扭矩和轉速；利用FC2000發動機自動測試系統來控制發動機的轉速、溫度、壓力、流量等有關參數。

表2所示為試驗用柴油機參數。

表2　試驗用柴油機參數

3.2試驗方案

圖1所示為試驗所用的臺架布置方案。

圖1　試驗設備布置方案

4　試驗結果與分析

4.1 DMM對柴油主要性質的影響

圖2為DMM含量對混合燃料十六烷值的影響。可以看出，混合燃料的十六烷值隨著DMM添加比例的增加而降低。因DMM的十六烷值低，隨著DMM添加比例的增加，混合燃料的十六烷值減小，所以當DMM添加比例增加到一定程度，將導致發動機燃燒品質的惡化。

圖2　DMM對混合燃料十六烷值的影響

圖3為試驗用燃料的低熱值隨DMM添加比例的變化趨勢。圖4為DMM含量對混合燃料含氧量的影響。可以看出，混合燃料的低熱值隨燃料中DMM比例的增加而降低；而其含氧量與DMM的含量成線性正比例關系。由于混合燃料中含氧，且DMM的低熱值比柴油低，因此隨著燃料中DMM比例的增加，若不增加循環供油量，則將會降低發動機的扭矩和功率。

圖3　DMM對混合燃料低熱值的影響

圖5為DMM含量對燃料汽化潛熱的影響。可以看出，隨著DMM的增加，混合燃料的汽化潛熱隨之增加，燃油的汽化會使缸內溫度下降。

4.2 DMM對柴油機燃燒特性的影響

圖4　DMM對混合燃料含氧量的影響

圖5　DMM對混合燃料汽化潛熱的影響

為了研究DMM對柴油機燃燒特性的影響，選用過量空氣系數λ=2.2、轉速n=2 000 r/min來進行試驗。

圖6和圖7分別為燃用不同比例DMM混合燃料時柴油機缸內壓力變化規律曲線和壓力升高率變化規律曲線。可以看出，添加DMM后的燃料最大爆發壓力和最大壓力升高率比純柴油大，最大壓力升高率增幅可達64.3 %，壓力峰值提前，最高壓力隨DMM添加比例的增加先增加后略有降低。這是由于低比例DMM時，DMM富含氧且沸點低，促進了油分子和氧分子的碰撞，從而使燃燒過程得到改善，預混合燃燒燃油量增多，加快了燃燒進程，燃燒持續期變短，缸內壓力和壓力升高率也隨之升高；高比例DMM時，DMM的十六烷值和低熱值都比柴油低，過多的DMM使得燃燒品質受到一定程度影響，最高壓力與低比例DMM時略有降低，但燃燒持續期變短，壓力升高率仍然較高。

圖6　壓力示功圖

圖7　壓力升高率曲線

圖8和圖9分別為燃用不同比例DMM混合燃料時發動機放熱率曲線和累計放熱率曲線。可以看出，添加DMM的混合燃料和純柴油具有相似的放熱規律，且隨著DMM添加比例的增加，放熱率峰值隨之上升，同時添加DMM的混合燃料擴散燃燒期減小，預混燃燒期略有增加，燃燒持續期縮短。這是因為放熱率峰值直接反映參與混合燃燒的燃料量，放熱率峰值越大則參與預混燃燒的燃油份額就越大；雖然DMM的十六烷值低，但沸點也低，燃料進入燃燒室后，DMM迅速氣化并形成可燃混合氣，同時混合氣中的含氧量提高，促進了燃燒進程，從而使得擴散燃燒期縮短，預混合燃燒期沒有明顯變長，燃燒持續期縮短，提高了發動機熱效率，有利于抑制碳煙和顆粒物的形成及CO的氧化。

4.3 DMM對柴油機經濟性的影響

圖8　放熱率曲線

圖9　累計放熱率曲線

由于DMM的低熱值低于柴油，所以不能用油耗率來比較燃用DMM和柴油混合燃料的經濟性。為此引入當量有效燃油消耗率：式中，b為有效燃油消耗率；HLb為混合燃料的低熱值；HLd為柴油的低熱值。

圖10和圖11為兩種轉速下不同DMM比例混合燃料柴油機當量燃油消耗率曲線。可以看出，添加DMM后，在中低轉速下當量油耗低于純柴油，混合燃料的經濟性好，在高轉速大負荷下與純柴油的當量油耗相當。DMM添加比例為10 %～15 %時降低油耗的效果最為理想，燃油經濟性最好，同時基本保持原機功率。能夠降低油耗的原因是DMM富含氧，在燃燒過程中氧元素起助燃作用，尤其在噴霧核心等燃料濃度高的區域，提高了燃料與空氣的比例，降低了燃料缺氧燃燒的機率，使得燃燒過程得到改善，有效熱效率高于柴油。

圖10　n=2 300 r/min時DMM對柴油機當量油耗的影響

圖11　n=3 600 r/min時DMM對柴油機當量油耗的影響

5　結束語

a.等轉速、等過量空氣系數和等噴油正時保證了統一的燃燒條件，能夠合理的評定摻混不同比例的DMM燃料對柴油機燃燒特性的影響。在不改變柴油機燃油供給系統和燃燒系統的情況下，DMM摻混比例不大于20 %對改善柴油機燃燒性能較好。

b.在同一工況下，添加DMM使柴油機最高爆發壓力和最大壓力升高率增大，最高壓力峰值提前，最高壓力隨DMM添加比例的增加先增加后略有降低。

c.添加DMM燃料后，使得柴油機放熱率峰值增大，熱效率提高，擴散燃燒期減小，預混燃燒期沒有明顯變長，燃燒持續期縮短。

d.添加DMM燃料后，在中低轉速下當量油耗較低，經濟性好；在高轉速大負荷下，當量油耗變化不大。DMM添加比例為10 %～15 %時燃油經濟性最好，且基本保持原機功率。

參考文獻

1姚春德,劉軍恒,陽向蘭,等.電控共軌柴油機應用柴油/乙醇組合燃燒的氣體排放及燃料經濟性.內燃機學報，2011, 29（2）:105～111.

2魏立江,姚春德,劉軍恒,等.柴油/甲醇二元燃料重載柴油機的進排氣分析與燃料效率.工程熱物理學報，2013, 34（3）:563～567.

3雷基林,申立中,畢玉華,等.乙醇生物柴油混合燃料對柴油機性能和排放的影響.農業機械學報, 2012, 43（11）:6, 21～25.

4顧小磊,俞建達,黃佐華,等.正丁醇和異丁醇對柴油機燃燒與排放特性的影響.內燃機學報，2014, 32（2）:131～ 137.

5陳貴升，李偉東，沈穎剛，等. DMF/柴油和汽油/柴油混合燃料對柴油機燃燒和排放特性的影響.內燃機工程, 2014, 35（3）:6～13.

6朱一德,梅德清,吳焓,等.柴油機燃用混合含氧燃料的燃燒與排放.長安大學學報, 2014, 34（4）: 179～183.

7李仁春,王忠,袁銀男,等.甲醇-柴油發動機缸內燃燒過程分析.車用發動機, 2014（1）:82～85.

8任毅,黃佐華,蔣德明,等.柴油機燃用柴油/二甲氧基甲烷混合燃料的燃燒特性研究.內燃機學報, 2005, 23（2）: 97～104.

9呂興才,馬駿駿,吉麗斌,等.預混合二甲氧基甲烷對生物柴油發動機燃燒與排放的影響.燃燒科學與技術，2008, 14（6）:511～516.

10朱瑞軍,王錫斌,苗海燕,等.柴油機摻燒DMM的燃燒和排放性能影響研究.內燃機學報, 2009, 27（4）: 321～327.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年9月1日。

Research on Combustion Characteristics of a High-Pressure Common
Rail Diesel Engine Fuelled with Hybrid Dimethoxymethane Diesel

Li Qiang1,2, Xu Xiangyang2（1.Shandong Transport Vocational College, Weifang 261206; 2. Beihang University, Beijing 100191）

【Abstract】With an electrically-controlled high-pressure common rail diesel engine as research object, this paper studies the influence of four diesel- dimethoxymethane (DMM) fuels with four proportions of DMM on combustion characteristics. The results show that when the engine fuel supply system and combustion system do not modify and under the conditions of same engine speed and equal excess air coefficient, adding DMM increases the maximum pressure rise rate of 64.3%, and the pressure peak value appears in advance. The thermal efficiency increases and the heat release rate peak value appears in advance. The period of diffusive burning shortens, and the premixed combustion period does not lengthen obviously while the total combustion duration shortens, and equivalent fuel consumption decreases. Therefore, adding dimethoxymethane to diesel improves the combustion characteristics of diesel engine.

Key words:Diesel engine，High-pressure common rail，Dimethoxymethane (DMM)，Combustion characteristics

中圖分類號:U464.172

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）01-0057-04

*基金項目：國家科技支撐計劃項目（2011BAG09B00），國家自然科學基金項目（51105017）。

主題詞:柴油機電控高壓共軌甲縮醛燃燒特性