二甲醚发动机

二甲醚发动机（精选8篇）

二甲醚发动机 篇1

二甲醚(DME)是一种含氧燃料,无C-C键,十六烷值大于55,非常适合于压燃式发动机,是一种新型的、清洁的柴油机代用燃料。在柴油机上燃用二甲醚,从长远来看可以缓解能源危机,从近期看则可以改善排气污染。目前,二甲醚在柴油机上应用还处于研究阶段。二甲醚发动机主要有直接在柴油机上燃烧与掺烧二种方式,对于前一种,普遍存在部分性能指标处于较低水平,尤其是动力性方面。针对在柴油机上直接燃烧二甲醚导致动力性、经济性下降的问题,对影响因素进行分析研究,指出了如何提高二甲醚发动机的性能,尤其是功率,为进一步提高二甲醚发动机性能指出了方向。

1 发动机模型的建立

笔者利用GT-POWER软件对二甲醚发动机进行性能模拟研究。建立的发动机模型主要由进气系统、中冷器系统、气缸、排气系统,以及废气涡轮增压系统五部分组成。模拟原型为6135Z柴油机,建立的模型图见图1。

2 模型的验证

根据所建立的模型,用算例进行验证[2]。6135Z柴油机是四冲程,6缸,废气涡轮增压,高速,直列式柴油机,缸径和冲程分别为135 mm和140 mm,压缩比为14.5,供油提前角为19℃A,在1 500 r/min的额定工况下功率为176 kW,最高燃烧压力为9.833MPa,模拟结果见表1。

从表1中可以看出计算值和算例值吻合较好,误差在4%以内,满足了计算精度的要求,证明了所建立模型的正确性。

3 二甲醚发动机的模拟与优化

3.1 二甲醚发动机的模拟

在6135Z机型上直接燃烧二甲醚,模拟缸内工作过程,结果见表2和图2。

从表2可以看出,如果在柴油机上直接燃用二甲醚,无论是从动力性还是经济性都有明显的下降。图2是直接在柴油机上燃用二甲醚得出的示功图与原机的比较,压缩和膨胀过程有明显不同,最高燃烧压力要远小于原机最高燃烧压力。由此可见,要想发挥二甲醚的优越性,需要对发动机进行优化。

3.2 二甲醚发动机的优化

直接燃用二甲醚,动力性经济性下降的主要原因有以下几个方面:

a.二甲醚发动机的混合气热值低,内燃机发出动力的多少与混合气的热值成正比,导致了功率的下降。

b.由于二甲醚密度小,导致混合燃料循环供油量的质量变小。

c.由于二甲醚雾化好,滞燃期缩短,其间喷入缸内的燃料量以及预混燃烧量均较少。

d.二甲醚供油持续期延长,后燃增加,导致燃油消耗率升高[5]。

另外,压缩比、喷油量对功率的影响较大,由于DME具有较高的可压缩性,致使其泵端与嘴端压力上升及下降都较柴油缓慢,压力上升始点延迟,实际喷油始点滞后,嘴端油管压力峰值较低,高压油管中的残余压力较高,较易出现二次喷射现象。对于不同的发动机转速和负荷来说,DME的实际供油提前角一般都要比柴油推迟。所以为了恢复原机动力性,提高经济性,在压缩比、喷油量以及供油提前角这几个方面对二甲醚发动机做出优化。

3.2.1 供油提前角

供油提前角是影响其燃烧性能的主要参数之一,柴油机燃用二甲醚燃料后,由于雾化改善,滞燃期缩短,会使燃烧提前,适当地推迟供油提前角可以减小压缩过程的负功,有利于提高热功转换效率,提高发动机的功率输出,并对NOx排放也产生有利的影响。然而,推迟喷油过多将使燃烧过程较多地在膨胀阶段中进行,不仅会引起发动机动力性和经济性变坏,排气温度升高,同时烟度等排放也相应增加,所以应选用最佳供油提前角。而所建立原机的供油提前角为19℃A,所以笔者在-19~29℃A范围内以2℃A步长来增加供油提前角。各参数随供油提前角的变化见图3和图4。由图3图可知,随着供油提前角的增大功率先增大后降低,在-23℃A时达到最高,并且燃烧压力也有所提高。而大于-23℃A之后,功率不但下降,而且燃烧压力过大,会使柴油机噪声增大,工作粗暴。从图4看出,较小的供油提前角使得排气温度高,反之则排气温度降低,这是因为供油提前角较小时,燃烧推迟,造成后燃严重,排气温度增高,热效率降低,有效燃油消耗率是随着供油提前角的增大先减少后增大的,在-23℃A时达到最低。模拟结果显示,燃用DME时,在保证发动机工作柔和的情况下,适当推迟发动机的供油提前角可使整机的燃烧性能得到优化,最佳供油提前角为-23℃A。

3.2.2 压缩比

内燃机压缩比是一个非常重要的基本参数,它直接影响到内燃机的动力性、经济性与排放等性能。过高和过低的压缩比对柴油机都不利,对不同的柴油机燃用不同的燃料必须找到最佳压缩比。

在原机标定转速1 500 r/min下改变压缩比,选定13~18为范围,从图5中可以看出,随着压缩比的提高柴油机的燃烧压力和功率均呈上升趋势。由此可知,压缩比的提高可以改善燃烧状况,动力性能好。当压缩比达到16~17时,功率呈上升趋势且变化比较平缓。

由图6可知,压缩比升高时,气缸头部热交换明显上升,气缸壁和活塞头部热交换也有所增加,由此可知,当压缩比升高时,适当提高压缩比能改善燃烧和提高动力性,同时热损失和热负荷也有所上升。另外随着压缩比的增大,有效燃油消耗率不断地减少,在压缩比大于16后变化也比较平缓,表明压缩比的提高可以使发动机的经济性有所提高。

根据以上分析,选取压缩比16为宜。

3.2.3 供油量

从150~260范围内输入循环喷油量,来进行二甲醚发动机的动力性和经济性模拟,如图7虽然功率是随着供油量的增大而逐渐升高的,但喷油量增大到一定程度时,热效率会随着喷油量的增大先上升后逐渐下降。原因是如果喷油量过大,燃料与空气混合不均匀,燃烧粗暴,再由热效率的定义来说,它是有效功We与所消耗的热量Q之比值。而每循环的加热量与供油量成正比,所以供油量过大的话,有效功没有变化,而加热量却增大了,所以造成了热效率的降低。由图8燃油消耗率随压缩比的增大也是降低的,经济性也有所提高,但以恢复原机动力性为原则,优化喷油量为220 mg。

4 优化后的二甲醚发动机与柴油机的性能对比

4.1 动力性能比较

图9和10分别为二甲醚发动机和柴油机随转速变化的转矩和功率的对比。图中表明,在发动机的所有转速范围内,燃用二甲醚的发动机外特性转矩和功率比原柴油机都要大,特别是在发动机转速高于1 400 r/min时,由于发动机燃用二甲醚时没有碳烟排放,没有柴油机的冒烟极限的限制,可以提高发动机的转矩。

4.2 经济性能比较

从图11可以看出,二甲醚发动机燃油消耗率要比柴油机的高,大概高48%,但并不能说二甲醚发动机的经济性能差,原因是因为二甲醚每分子所含有的碳原子和氢原子比柴油机要小很多,所以在同样进气量的情况下,所消耗的二甲醚要高于柴油机,而在某一种程度上说,二甲醚是可再生能源,所以二甲醚发动机可以减轻柴油的紧张程度。如果能够减少二甲醚的生产成本,二甲醚发动机的经济性将会更好。

4.3 排放性能比较

二甲醚引起人们注意的重要原因就是它的十六烷值高,很适合作柴油机的燃料。尤其它能使柴油机通常难以降低的碳烟微粒及氮氧化物排放得到显著降低,由图12、图13可以看出碳烟微粒排放几乎为零。与柴油相比,NOx降低的幅度也大。研究报告指出,对柴油机而言,降低NOx及碳烟的一些措施是矛盾的,往往需要采取折中的措施,而对DME这一矛盾不存在。

5 结论

经过上述分析,可得出如下结论:

a.如果在参数不变的情况下直接燃用二甲醚,功率、转矩将下降很多,所以动力性不能达到要求,而燃油消耗率又上升很多,经济性很差,直接燃用二甲醚是不适当的。

b.根据二甲醚发动机的变参数研究,喷油提前角、喷油量、压缩比、喷孔直径对二甲醚的性能都有影响。

c.要想让二甲醚发动机恢复到柴油机的动力性和经济性,喷油提前角、喷油量、压缩比、喷孔直径都要设计得比柴油机要大。

d.根据优化的二甲醚发动机与柴油机的性能比较可以得出,二甲醚发动机的动力性要高于柴油机,功率、转矩、热效率都要比柴油机高,但是缸内压力较大,工作比柴油机粗暴,对燃烧系统提出更严格的要求,经济性下降,燃油消耗率比柴油机要大,降低成本成为今后要解决的主要问题;而对于排放性,二甲醚的NOx的排放要远小于柴油机,下降趋势很大,而且几乎能达到无烟排放。

参考文献

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二次能源新生代——二甲醚 篇2

一次能源与二次能源

煤炭、石油、天然气以及核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等，这类能源直接取自自然界，没有经过加工转换，所以被称为一次能源。由一次能源加工转换以后得到的能源产品称为二次能源，如电力、蒸汽、汽油、柴油、乙醇、氢气等。二次能源又可分为“过程性能源。和“含能体能源。两大类。当今应用最广泛的过程性能源是电能；应用最广泛的含能体能源是汽油和柴油。由于电能尚不能大量地直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机动性强的耗能动力设备就无法直接使用，只能采用汽油、柴油这一类含能体能源。然而，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的新的含能体能源。

氢能是被人们谈论最多的二次能源，同时也是零排放的清洁能源。然而，由于一系列技术难题，最主要的是氢气的贮存和运输问题，其能源前景在近20～30年内仅是可望而不可及的。在中国最重要的近30年时间里，迫切需要的是一种技术成熟，经济性好，既可大规模运用，排污又较小，环境可以承受的燃料。二甲醚(简称DME)正好符合这一要求。

脱颖而出的二甲醴

二甲醚是一种无色、无毒，常温常压下为气态的化合物，到目前为止它的生产量不大，主要是用于气雾剂。二甲醚作为环境友好的燃料只是近几年才提出的，但却立即得到全世界能源界的广泛关注。二甲醚物理性能和液化石油气相似，常温时在较低压力(5个大气压)下呈液态，易于贮存与运输。现有的液化石油气的基础设施完全可以用于二甲醚，用油槽、油罐车及低压管道作长途运输也非常方便。

二甲醚燃料的制取可以煤、天然气、煤层气，生物质等为原料产生合成气一氧化碳和氢气，然后常规通过二步法先制得甲醇，进一步脱水制成二甲醚。新工艺是由合成气一步法高效制备二甲醚，可显著降低二甲醚的生产成本。

我国能源的特征是“富煤、少油、有气”。可以设想，将我国丰富的煤炭资源，特别是高硫煤，转化为清洁的二甲醚燃料，或是作为民用燃料，或是替代柴油、汽油作为汽车燃料，或是用于发电。到那时，城市马路上跑的几乎是对环境没有污染的公共汽车、轿车和卡车，居民家中的灶具、热水器用的是罐装或管道运输来的二甲醚，供暖锅炉和建筑中央空调使用的也是清洁燃料二甲醚，那该是多么诱人的前景啊!大规模生产和高效利用二甲醚，将形成一个新的二甲醚能源经济。二甲醚作为一种新型二次能源具有巨大的发展潜力，将成为我国能源经济的主要支柱之一。

清洁汽车的未来食谱

作为汽车燃料替代柴油，是目前二甲醚工业应用的主要领域。柴油机循环(压燃式)比汽油机循环(火花点燃式)的热效率要高7～9个百分点。但是，随着近年来环保标准的不断提高，柴油机因污染大而逐渐被淘汰。由于二甲醚有较高的十六烷值，具有优良的压缩性，非常适合于压燃式发动机，因此是柴油的理想替代品。使用二甲醚作为汽车燃料，发动机的功率可提高10％～15％，热效率可提高2％～3％，噪音可降低10％～15％，而且氮氧化物、一氧化碳等污染物的排放量也很低。汽车尾气无需催化、转化处理，即可达到高标准的欧洲Ⅲ排放标准。

国外一些测试表明，燃用二甲醚燃料的发动机，仅需对原柴油机的燃油系统进行一些改造，不用任何废气再循环系统和废气处理装置，氮氧化物就能大幅降低。同时，碳烟排放为零，微粒排放也大幅降低，仅来自润滑油。这些结果表明，二甲醚燃料可十分理想地作为洁净代用燃料，实现柴油发动机超低排放的前景。

近年来，欧、美、日、韩等国十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益，纷纷开展二甲醚燃料发动机与汽车的研发。欧洲沃尔沃汽车公司研制出了燃用二甲醚燃料的大客车样车用于试车与示范；日本五十铃汽车公司等机构研制了燃用二甲醚燃料的卡车样车和城市客车样车，计划在5年内小规模推广；而在我国，上海将会成为首先推广二甲醚燃料汽车的城市。

二甲醚发动机 篇3

随着中国经济的高速发展,运输业、制造业等消耗大量的化石类燃料,造成中国对外石油依存度日益增加,使中国的能源安全受到挑战;同时,柴油机、汽油机燃烧过程产生的大量有害排放物和灰尘、水汽等结合悬浮在空中,形成了中国大面积的雾霾天气,严重影响到人民健康。在此背景下,发展清洁燃料减轻能源和环境的双重压力成为中国汽车发展的一个重要研究课题。二甲醚(DME)和传统的化石类燃料相比,由于其分子中不含C—C键,可以实现无烟燃烧。二甲醚可以通过煤化工或生物质能等大量制取,是一种理想的压燃式发动机代用燃料[1,2,3,4]。

二甲醚作为压燃式发动机的代用燃料,其燃烧过程中产生的HC排放较低。随着各国对环境问题的重视,排放法规日益严格,国-Ⅴ、欧-Ⅵ排放法规将陆续实施,严格的欧-Ⅵ排放标准对各种燃料的内燃机都是一种挑战[5]。

二甲醚在常压下为气态,燃料喷射雾化的喷射锥角、贯穿度、粒子粒径和柴油存在较大差别[6,7],雾化后的液滴在缸内的气化速度是柴油的三倍,雾化后油束的锥角比柴油大,因此二甲醚比柴油更容易喷射到缸盖和活塞的壁面,在壁面附近形成蒸发过浓区,从而成为排放生成区,包括碳氢化合物(HC)在内的污染物的生成规律也与柴油机存在一定差异。

本文以直列泵二甲醚发动机为研究对象,通过试验方法研究喷油器启喷压力、喷孔直径、供油提前角和发动机负荷对HC排放的影响规律,为进一步控制二甲醚发动机的HC排放提供一定的理论及试验基础。

1 试验样机及试验装置

1.1 试验样机

以潍柴动力226B二甲醚发动机为试验样机,设计了适合二甲醚燃料的低压燃油供给系统和高压油泵。鉴于二甲醚的动力黏度只有柴油的1/20,在二甲醚中添加体积分数为0.05%的二甲醚专用燃料添加剂,保证燃料供给系统的润滑性。在原柴油机喷油器基础上设计了五孔二甲醚专用喷油器。试验样机的主要参数如表1所示。

图1为二甲醚发动机试验台架布局示意图。排放用Horiba MEXA.7000排气分析仪测量,排气中HC体积分数测量精度为±1×10-6,氧含量的测量精度为±0.01;采用长沙湘普测试企业有限公司生产的FC2000发动机自动测控系统,转速测量精度为±1r/min,负荷测量精度为±0.4%F.S,排气温度测量精度为±1%;二甲醚消耗量用科氏流量计测量。由于受二甲醚的物理特性的影响,采用科氏流量计测量二甲醚的质量流量时主要存在以下原因导致的误差:二甲醚回油导致其温度升高而出现两相流;溶解在二甲醚中的气体析出形成气泡;流量计放置在发动机台架基座附近,由于振动出现测量误差。本研究中对二甲醚冷却降温以避免两相流及气体的析出,科氏流量计放置在试验室远离试验台架的位置以避免振动对测量精度的影响。并用量程为100kg、精度为0.002kg的电子秤对测量结果进行标定,以保证测量结果的准确性。

2 试验结果及分析

2.1 发动机转速、喷油器启喷压力对HC排放的影响

图2为试验发动机外特性下喷油器启喷压力对HC排放的影响及排气含氧量。试验中喷油器的结构及运行参数为:五孔喷油器,喷孔直径0.38mm,喷油器的静态供油提前角为11°,喷油器启喷压力分别为14、16、18MPa。

如图2中曲线所示:外特性1 000~2 300r/min范围内,三种喷油器启喷压力下的HC排放均随发动机转速的增加呈先增加后减小的趋势;整个外特性转速范围内,燃烧一直处于富氧状态,且随着转速的提高,增压器的增压能力增强,进入气缸中的新鲜空气量增加,排气中的氧含量升高。

外特性HC排放随发动机转速的变化主要是由以下原因造成的:发动机低速运行时,虽然进气过程中形成的缸内涡流强度较弱,气流的湍动能较低,不利于二甲醚和周围空气的充分混合,但二甲醚的燃烧时间长,有利于其充分燃烧,HC排放低;随着发动机转速的提高,缸内气流运动增加,二甲醚的雾化混合过程较低速时改善,但燃烧时间变短,后燃倾向增加,燃烧不充分,HC排放升高;随着转速继续升高,进气过程中形成的缸内涡流运动及活塞上行运动形成的气流运动强度较强,二甲醚的雾化、蒸发和混合更加充分,有利于二甲醚的充分燃烧,同时发动机的排气温度与低速、中速时相比升高较多,虽然转速高导致二甲醚的燃烧时间较短,但在富氧、高温条件下,燃烧的后氧化过程使大部分HC被燃烧掉,其排放比中速时低。

由图2可知:喷油器启喷压力14~18MPa范围内,随喷油器启喷压力的升高整个外特性转速下HC排放呈降低趋势,启喷压力从14 MPa提高到16MPa比从16MPa提高到18MPa对HC排放的影响程度大。分析其原因为:喷油器启喷压力的变化影响燃料的喷射压力、喷射持续期和雾化质量等,这些因素综合影响发动机的HC排放。图3为不同喷油器启喷压力情况下,外特性1 000r/min转速下缸内示功图及放热率。

由图3可知:随着喷油器启喷压力的升高,示功图中缸压曲线脱离纯压缩线时刻推迟,且在燃烧后期缸压曲线下降较快,喷射压力升高后,放热推迟,放热结束时刻提前。这说明随着启喷压力的升高,二甲醚喷射开始时刻推迟,喷射结束时刻提前,燃料的喷射持续期缩短,燃烧持续期随之缩短,后燃倾向减小,燃烧完善程度增加。另外,二甲醚HC排放的化学动力学研究表明,HC排放主要产生于空气和燃料混合不完全形成的富燃料区域[8]。试验过程中启喷压力是通过调节高压油泵出油阀弹簧的预紧力实现的,随着启喷压力的提高,整个喷射过程中的压力升高,二甲醚的喷射速率增加,喷射雾束粒子的直径减小,加快了二甲醚的蒸发过程,改善了二甲醚和空气的混合,减少了燃料过浓区,HC生成量减少,因此相同转速下HC排放随启喷压力的提高呈降低趋势。

2.2 喷孔直径对HC排放的影响

图4为发动机外特性工况不同喷孔直径下的HC排放曲线。图5为外特性不同喷孔直径下放热率曲线。试验过程中保持静态供油提前角为11°,喷油器启喷压力为16MPa。

由图4可知:外特性1 000~1 300r/min范围内,采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器发动机HC排放低;转速1 500~2 300r/min范围内,采用五孔喷孔直径0.36mm喷油器发动机HC排放低。这说明在低速和中、高转速时喷孔直径对HC排放的影响不同。由图5可知:发动机转速为1 000r/min、喷孔直径为0.36mm时,二甲醚放热提前,但放热持续期增长;发动机转速为为1 900r/min时,小喷孔直径的放热率稍早,但放热持续期差别很小。

HC排放的这种变化规律是由喷孔直径对二甲醚喷射、雾化及燃烧过程的综合影响导致的。当发动机低速运行时,缸内涡流运动弱,采用五孔喷孔直径0.38mm的喷油器的油束贯穿度比采用五孔喷孔直径0.36mm喷油器大,低速运行雾化混合和燃烧时间长,加上二甲醚良好的蒸发性,有利于提高燃烧室内空气的利用率,改善二甲醚的扩散燃烧过程,HC排放降低;而采用0.36mm的喷孔直径时,由于喷射持续期增长,燃烧时间增长,HC排放升高。

发动机转速较高时,燃烧时间缩短,但缸内涡流运动增加,有利于燃料的雾化混合。采用五孔喷孔直径0.36mm的喷油器,由于喷孔直径的减小,节流作用增加,喷射压力和喷射速率比0.38mm喷孔直径时增加,喷射雾束的索特直径减小,燃料与空气接触面积增加,蒸发速率加快。相关化学动力学研究表明:改善喷射雾化后,二甲醚燃烧后期的扩散燃烧阶段缩短[9],因此虽然五孔喷孔直径0.36mm的喷油器喷射持续期增加,但放热持续期和喷孔直径0.38mm喷油器差别较小,燃烧的完善程度提高,HC排放降低。

2.3 喷射时刻对HC排放的影响

图6为供油提前角对HC排放的影响。试验中采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器,喷油器启喷压力为16MPa,静态供油提前角分别为13°、11°和8°。

由图6可知,供油提前角由13°推迟到11°,外特性转速1 000~2 300r/min范围内HC排放呈降低趋势;喷油器启喷压力由11°推迟到8°时,HC排放呈升高趋势。这表明试验样机外特性不同工况点下,对于HC排放而言存最佳的喷射提前角。

这是因为,二甲醚发动机的HC排放是由HC的生成量和其后氧化的完善程度共同决定。供油提前角增大较多时,燃料喷射过程中部分二甲醚喷射到活塞挤气区和缝隙区域,燃烧室中氧的利用率降低,燃烧不完全。特别是早期喷射到缝隙区域的二甲醚由于较低的氧含量和壁面散热造成较低的燃烧温度,导致HC生成量增加[7,10]。相反,如果过度推迟供油提前角,二甲醚在活塞下行过程中喷入的比例增加,这时进气过程中形成的涡流已经被破坏,这部分二甲醚和空气混合的几率降低,形成局部燃料的过浓区,HC生成量增加,同时二甲醚的后燃倾向严重,燃烧不充分,虽然后氧化的比例增加,HC排放仍升高。

图7为ESC十三工况点工况的二甲醚消耗率及HC排放。试验中采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器,启喷压力为16MPa,静态供油提前角分别为11°和8°。

如图7可知,发动机在不同工况点运行时,静态供油提前角为11°的二甲醚消耗率比8°低,其第4工况点到第13工况点的HC排放也更低。经计算,供油提前角为11°时ESC的HC比排放量为0.288g/(kW·h),而供油提前角为8°时HC比排放量为0.332g/(kW·h)。

2.4 发动机功率对HC排放的影响

图8为发动机功率对HC排放的影响。试验过程采用五孔喷孔直径0.38mm喷油器,启喷压力为16MPa,静态供油提前角为11°。

由图8可知,在1 000r/min低转速、1 700r/min中等转速和2 300r/min高转速时,发动机的HC排放均随负荷的升高呈降低趋势。这是因为:随着负荷的增加,增压压力增加,发动机的吸气量增加,缸内气流运动速度增加,有利于二甲醚的雾化、蒸发及与空气的混合,抑制HC排放的生成;当发动机负荷较低,特别是负荷低于30%时,二甲醚的喷射量很少,过量空气系数很大,二甲醚在蒸发及和空气的混合过程中形成燃料浓度过稀区,这些区域的浓度低于燃烧下限,HC的生成量较多。不同负荷燃烧后期HC后氧化率的差别如图9所示。随着负荷的增大,发动机排气温度升高,燃烧后期在富氧条件下进行使燃烧前期生成的HC被氧化的比例升高,其排放降低。另外,如图9可知,低速1 000r/min时排气温度较中、高转速时高,这是因为低速时增压器的增压压力较低,发动机的过量空气系数比中、高速时小导致的。

3 结论

(1)外特性1 000~2 300r/min范围内,HC排放随发动机转速的增加呈先增加后减小的趋势,随喷油器启喷压力的升高HC排放呈降低的趋势。

(2)外特性转速1 000~1 300r/min范围内,采用喷孔直径0.38mm喷油器的发动机HC排放较低,转速在1 500~2 300r/min范围内,采用喷孔直径0.36mm喷油器的发动机HC排放较低。

(3)静态供油提前角由13°推迟到11°时,外特性的HC排放呈降低趋势;静态供油提前角由11°推迟到8°时,HC排放及二甲醚消耗率呈升高趋势。

(4)随着二甲醚发动机负荷的升高,其HC排放呈降低趋势。

参考文献

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二甲醚发动机 篇4

随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长,国家能源安全、大气环境保护面临严峻挑战。因此,针对我国自然条件和能源资源特色,逐步改变汽车能源结构,降低汽车对石油燃料的依赖性,发展汽车清洁代用燃料,已成为汽车发展战略中的重要环节。作为对石油资源的补充,二甲醚被认为是压燃式发动机理想的代用燃料,近年来国内外学者对二甲醚发动机的性能进行了多方面的研究[1,2,3]。

二甲醚是分子式最简单的醚类化合物,分子结构里只有C-H键和C-O键,没有C-C键,又由于二甲醚为含氧燃料,化学动力学分析及试验结果表明:当燃料中氧的质量含量达到35%时,燃烧过程中几乎不产生碳烟,而二甲醚的氧含量为34.8%,因此二甲醚可以实现无烟燃烧[4]。压燃式发动机燃用二甲醚为扩散燃烧方式,CO和HC排放较低,容易控制。即使采用EGR后二甲醚发动机的CO和HC升高,采用简单的DOC后处理器后,CO和HC排放依然远低于国Ⅴ限值[5]。二甲醚的十六烷值比柴油高,雾化后的液滴在缸内的气化速度是柴油的3倍,二甲醚可以实现缸内低温燃烧,因此二甲醚发动机的NOx排放比柴油机低[6]。与CO和HC排放相比,要使二甲醚发动机满足日益严格的排放标准,NOx排放是主要的制约因素。

理论研究表明:NOx排放与燃料的分子结构联系不密切,它主要取决于燃烧过程的组织。对于直喷压燃式发动机而言,NOx主要形成于雾束的外部,与火焰前锋生成的NO相比,燃气中热NO生成占主导地位,是NO的主要来源。压燃式发动机中影响NOx生成的因素主要有:燃料的滞燃期、进气氧含量、燃烧温度、燃烧持续期等。喷射系统参数直接影响发动机的雾化和燃烧特性,最终影响二甲醚发动机的NOx排放。本文以6105二甲醚发动机为样机,研究喷油器开启压力、喷孔直径和供油提前角对NOx排放的影响,为进一步控制二甲醚发动机的NOx排放提供一定研究基础。

1试验装置

试验所用原型发动机为6105型直喷柴油机,对发动机进行了改造(主要是供油系统改造),使其能够燃用二甲醚燃料。表1为发动机主要技术参数。研究[7]表明:二甲醚发动机采用5孔喷油器性能较好,原柴油机的喷油器有5孔和6孔2种型式,在原5孔喷油器基础上,设计0.36 mm和0.38 mm 2种不同喷孔直径的喷油器。

试验台架的总体布置如图1所示。试验主要研究发动机NOx排放,试验中采用HORIBAX1600型废气成分分析仪测量发动机的NOx排放。该分析仪采用直接取样法,取样口设在发动机排气管上不存在气体分层、停滞和循环流动的位置,以减小取样位置对排气成分测量结果的影响。发动机排气中NOx浓度的测量利用化学发光法,即采用化学发光检测器(CLD)。

2试验结果及分析

2.1喷油器针阀开启压力对NOx排放的影响

图2为发动机外特性曲线上不同功率点的NOx排放。试验过程中喷射系统的参数为:喷油器型式为5×ϕ0.38 mm,静态供油提前角为11 °CA,喷油器启喷压力分别为14 、16和18 MPa。

如图2所示,在整个外特性转速范围内,3种不同喷油器针阀开启压力的NOx排放变化趋势相同,均随发动机转速的升高呈减小趋势。喷油器针阀开启压力对NOx排放的影响表现为:发动机转速较低时,随着喷油器针阀开启压力的提高,NOx排放水平降低,当发动机转速为1 700 r/min和1 900 r/min时,喷油器针阀开启压力对试验发动机NOx排放的影响很小,但随着转速的继续升高,NOx排放规律与低速时呈相反的趋势。

分析其原因为:试验过程中随发动机转速的升高排温呈增大趋势,燃烧一直处于富氧状态,由于增压发动机排气中的氧含量随发动机转速的升高而增大(图3),因此随着发动机转速的升高,NOx排放降低主要是由于高速时喷油速率快,燃烧持续期较短,高温时间缩短使NOx生成减少所导致的。

NOx排放随喷油器针阀开启压力的变化趋势是由于不同喷油器针阀开启压力影响到燃料的实际喷射压力、喷射持续期及对雾化和燃烧过程的影响所引起的。图4为不同针阀开启压力时外特性不同转速下的瞬时放热率。

由图4可见:喷油器针阀开启压力提高后,整个喷射过程的压力都有所提高,因此雾化效果改善,喷射压力提高后喷射的时间缩短,整个燃烧过程有所缩短,有利于NOx排放的降低,这种影响在发动机低速时更为明显。在高速时,随着发动机转速的升高,缸内涡流运动的强度增大,燃料喷出后在涡流运动作用下可迅速雾化,使瞬时放热率增大,这时较高的喷射压力不利于NOx排放的控制,导致高速时NOx排放随针阀开启压力的提高而增大。

2.2喷孔直径对NOx排放的影响

图5为发动机外特性工况采用不同喷孔直径时的NOx排放曲线。如图5所示,在发动机低速工况下,采用5×ϕ0.36 mm型式的喷油器发动机NOx排放较低,随着转速的升高,0.36 mm和0.38 mm喷孔的NOx排放差别减小;高速时采用5×ϕ0.38 mm型式的喷油器发动机NOx排放较低。在整个转速范围内,5×ϕ0.36 mm喷油器排气中的氧含量均高于5×ϕ0.38 mm喷油器。

NOx的这种变化趋势是由于喷孔直径对燃烧过程的影响所导致的。图6为2种喷孔的燃烧参数对比。如图6所示,孔径为0.38 mm的喷油器燃油喷射速率快,达到50%和90%已燃质量百分数(MFB)对应的曲轴转角比孔径为0.36 mm的喷油器早,在低速时的差别比高速时稍大,燃烧相位角和90%速燃期的提前使缸内的最高燃烧温度升高,导致发动机低速运转时大喷孔喷油器的NOx排放高。高速时小喷孔的喷油器NOx排放高,原因是由于喷孔直径的减小导致燃料的喷射持续期长,燃烧持续期随之增加。发动机转速为2 100 r/min时,采用5×ϕ0.36 mm和5×ϕ0.38 mm喷油器时,燃料燃烧10%～90%的速燃期分别为43.3 °CA和44.4 °CA;发动机转速为2 300 r/min时,速燃期分别为39.3 °CA和39.9 °CA。

2.3喷射时刻对NOx排放的影响

图7为供油提前角对NOx排放的影响。静态供油提前角分别为13 °CA和11 °CA。如图7所示,喷油器针阀开启压力为16 MPa时,推迟供油提前角可以有效控制NOx排放,在发动机转速较低时,NOx排放随供油提前角的减小降低速度较快,高速时效果稍差;喷油器针阀开启压力为14 MPa时,推迟2 °CA供油提前角对NOx排放的影响不大。

由于燃烧过程一直处于富氧状态,因此NOx排放的差别主要是由于燃烧温度的差别造成的,喷油器针阀开启压力高,则燃料喷射的平均速率大,喷油持续期短,供油提前角对燃烧和NOx排放的影响大;喷射压力较低时,供油提前角对燃烧和NOx排放的影响比喷射压力高时小。

3结论

(1) 外特性转速范围内,随发动机转速的升高NOx排放降低。低速时随喷油器针阀开启压力从14 MPa增大到18 MPa,发动机的NOx排放降低;高速时,随喷油器针阀开启压力的增大,NOx排放升高。

(2) 发动机低速工况下,0.36 mm孔径喷油器比0.38 mm孔径喷油器的NOx排放低3.5%左右;高速工况下,0.36 mm孔径喷油器比0.38 mm孔径喷油器的NOx排放高3.8%左右。

(3) 通过推迟供油提前角控制NOx排放,在喷油器针阀开启压力较高时比喷油器针阀开启压力低时效果明显。

摘要：以6105型压燃式二甲醚发动机为对象,研究了喷射系统的喷射压力、喷孔直径和供油提前角对二甲醚发动机外特性NOx排放的影响。试验结果表明:在外特性的整个转速范围内,NOx排放随发动机转速的升高而降低;在发动机转速较低时,NOx排放随喷射压力的升高而降低,高速时则反之;在发动机低速工况下,喷孔直径较小的喷油器NOx排放低,高速时大孔径的喷油器NOx排放低;喷油器针阀开启压力较高时,通过推迟供油提前角来控制NOx排放的效果较好,喷油器针阀开启压力较低时该效果不明显。

关键词：内燃机,二甲醚发动机,喷射参数,NOx排放

参考文献

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二甲醚发动机 篇5

近年来,电控技术已成为发动机研究领域的热点,而电控喷射技术是其中最重要的组成部分[1,2],为了更好地利用高速发达的电子控制技术对二甲醚发动机的喷射过程进行研究,同时,也为了有效改善其动力性能,经济性能和降低排放,有必要应用电子技术对二甲醚发动机的控制特性和控制算法进行研究,以实现其综合控制和最优控制[1,2,3]。

2 测控系统的硬件结构

针对二甲醚发动机控制的实时性要求,提出一种双单片机的E C U设计方案,控制对象为四缸二甲醚发动机,如图1所示。其中主单片机(CAN节点1)负责整机管理,对发动机的运行方式及其状态进行监控,其工作模式为扩展方式,通过专用芯片扩展内存。从单片机(C A N节点2)完成具体的四缸电磁阀和共轨调压阀的控制,其工作模式为单片方式,完全采用片内资源。主从单片机之间采用C A N通讯协议以实现数据的高速传输,主单片机根据共轨压力、油门位置等参数计算得到的喷射脉宽和喷射定时传送给从单片机,并由从单片机完成给定脉宽与定时的喷射过程控制。PC机通过C A N总线通信适配卡连接C A N总线,并通过C A N总线与各单片机控制器相连接。

2.1 单片机的选择

单片机型号的选择直接决定硬件电路的功能,在满足所要求功能的基础上,还要有良好的扩展性和软件易编程性,单片机要有丰富的实时中断资源,良好的性价比和高速的输入输出能力。为此测控系统的核心采用M i c r o c h i p公司生产的可自编程闪存增强型8位PIC18F248为核心,该单片机具有CAN总线接口,不需再外扩C A N接口,只需加一个总线驱动芯片即可。该系列单片机具有抗干扰能力强,执行效率高等优点,对发动机恶劣的工作环境具有很强的适应性,另外,该系列单片机具有极高的性价比。

2.2 CAN节点的硬件电路设计

C A N节点电路如图2所示:C A N驱动器采用的是MCP2551。MCP2551是CAN总线收发器芯片,具有差分发射和接收能力,利用其可以提高系统的瞬间抗干扰能力,保护总线,降低射频干扰,实现热防护等。MCP2551的Rs脚与地之间的电阻R1为斜率电阻,Rs脚接地,表示M C P 2 5 5 1处于高速模式,可适当调整R 1的大小来调整通讯速率,R1一般在16～140KΩ之间,R2与R3起着匹配总线阻抗的重要作用,不能忽略[4]。

2.3 前相通道电路的设计[5]

前相通道电路包括:电磁阀开启始点检测电路,转速信号转换电路,参考信号转换电路,油门位置处理电路,共轨压力处理电路,冷却水温采集电路,大气参数采集电路,电池电压采集电路,燃料温度采集电路等。

2.4 FLASH的扩展

为了实现对发动机的实时控制,就要制作M A P图,M A P中存放了大量的数据(如:喷射提前角、喷射脉宽),所以要对控制器进行扩展。为此,我们利用主单片机的RC、RB、RD口进行了F L A S H存储器的扩展,选用INTEL公司生产的E28F008SA作为扩展存储器。

2.5 电磁阀、调压阀驱动电路的设计

测控系统的控制对象是四缸二甲醚发动机,为了达到高精度的控制,性能可靠的驱动电路是非常重要的,由于发动机各缸对应的喷射时刻不重叠,驱动各缸电磁阀线圈的场效应管各不相同,因此当各缸的电磁阀参数不一致时,可调整每缸的控制脉冲和选缸脉冲来进行修正,实现各缸喷射脉宽和喷射定时的独立控制。如图3所示:选缸信号P W M A由驱动单片机发出后,经过反向去驱动场效应管U 2。当前喷射缸的电磁阀被选通后,驱动单片机先发出占空比为1 0 0%的脉冲信号PWM1经过整流器IR2110的整流后去驱动U1,待驱动单片机检测到当前喷射缸的电磁阀完全开启后,停止发送占空比为100%的脉冲信号,改为发送占空比为50%的喷射脉宽信号P W M 1,此脉宽信号同样经过整流器IR2110的整流后去驱动U1,当停止发送占空比为50%的喷射脉宽信号时电磁阀即关闭,当前缸喷射结束。

3 测控系统的控制算法和控制策略

二甲醚发动机电控系统是一个多变量的时变多参数寻优系统,其中共轨压力、转速等的控制为核心控制项,由于其是个多维复杂系统,控制算法及控制策略的研究是一个重点[1,3]。

3.1 共轨压力的控制算法

共轨压力的控制是众多控制量优化控制的一个前提,它不仅决定了喷射压力的高低,而且是喷射量计算的重要参数,其稳定性和动态响应直接影响二甲醚发动机起动、怠速、加速等动力性能,因此压力控制算法是共轨系统最核心的算法之一[3]。一方面,共轨的压力控制模型可近似为一个带纯滞后环节的大惯性一阶系统,其传递函数可表示如下:

,式中:T为惯性时间常数,τ为纯滞后时间常数,K为增益。所以共轨压力模型具有大惯性特点。

另一方面,由于发动机要在各种工况下运行,负荷变化也较大,整个系统的扰动非常大,具有显著的非线性,这些都要求共轨的压力能够尽可能快的达到设定值,并且被维持在允许的波动范围内。传统的PID控制器很难满足要求[3],因此,将模糊控制技术与PID算法结合起来,调节共轨压力,能使系统具有超调小,调节迅速,且具有很好的鲁棒性。图4为共轨压力的模糊-PID复合控制系统图,其中:e为压力偏差,p0为共轨的设定压力,p为传感器测得的共轨的实际压力,u为经过模糊-PID决策得出的控制量输出,e0为控制系统设定的PID控制与模糊控制算法的切换阀值。

当|e|>|e0|时,说明共轨的实际压力与设定压力之间的偏差较大,此时控制系统应采用模糊控制策略;

当|e|≤|e0|时,说明共轨的实际压力与设定压力之间的偏差较小,此时控制系统应采用PID控制策略。

3.2 基于BP神经网络整定的发动机转速PID控制

PID控制器结构简单、实现简易,但是,发动机工况和环境的不稳定性,使控制参数整定困难,神经网络所具有的任意非线性表达能力,可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID控制。二甲醚发动机转速基于BP网络的PID控制框图如图5所示。基于BP网络的PID控制器由两部分构成:(1)经典的PID控制器;直接对发动机的转速进行闭环控制,并且三个参数Kp、Ki、Kd为在线调整方式。(2)神经网络;根据系统的运行状态,调节PID控制器的参数,以期达到某种性能指标的最优化,使输出层神经元的输出状态对应于PID控制器的三个可调参数Kp、Ki、Kd通过神经网络的自学习、加权系数调整,使神经网络输出对应于某种最优控制律下的PID控制器参数。

3.3 测控系统的软件控制策略

测控系统的软件总体结构如图6所示,实行模块化和子程序的结构,采用汇编语言编制。主单片机模块包括:初始化模块、模式切换、数据采集、故障诊断、转速计算、共轨压力模块、读写M A P图模块、C A N通讯模块等。从单片机模块主要完成发动机不同工况下的四缸电磁阀和共轨调压阀的喷射控制,整个程序采用中断环方式运行,在喷射过程的相应时刻产生各中断,由中断模块完成各喷射阶段的控制工作。PC机管理模块采用VB6.0和Matlab软件编写。

4 结束语

为了考核电控系统实际工作的可行性,在二甲醚发动机台架上进行了初步试验。图7为发动机在加减速条件下的转速的波形,分析结果可发现所开发的电控系统能够较好地完成发动机加减速的控制。图8为发动机MAP图在线修改操作界面,管理软件可以完成对发动机M A P图中的任意单元进行在线修改。图9为发动机在恒速状态下的转速曲线的静态回放,所开发的测控系统可以较好地实现发动机的试验数据的实时采集、显示和处理。综合整个实验结果来看,开发的电控系统是成功的,它能满足二甲醚发动机的各种参数的采集,实现分缸独立控制及MAP图的在线修改;本系统所采用的控制算法基本完成了二甲醚发动机的核心控制内容,系统运行稳定可靠。

摘要：将PIC18F248单片机应用于二甲醚发动机控制系统中,实现了对二甲醚发动机的实时控制,并对二甲醚发动机的控制算法进行了研究;通过对整个电控系统的发动机台架试验表明,功能正确,控制效果良好。

关键词：二甲醚,神经网络,单片机,控制算法

参考文献

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二甲醚发动机 篇6

1 试验设备和方法

试验所用二甲醚发动机在上海柴油机厂生产的D6114ZLQB柴油机基础上开发的,发动机型式为六缸、直喷、增压中冷,主要技术参数如表1所示。

本文的二甲醚发动机为机械式柱塞泵,通过改变油泵凸轮和发动机曲轴的相对位置即可调整供油提前角,在进行二甲醚发动机的排放试验时,分别将供油提前角调整为15°CA,12°CA,9°CA,6°CA等几个不同位置。

由于甲醚发动机碳烟排放几乎为零,将废气进入压气机前,不会对压气机造成污染。采用低压回路取气方式,即将废气从涡轮机后引流到压气机前,可以获得较大的EGR率。增大了冷却器的散热能力,在废气进入压气机前将废气冷却到较低的温度,远低于压气机能承受的温度。试验中的EGR阀为耐高温的蝶阀,阀门开度手动调节。在排气管消声器前安装有调压阀门,用于调节排气背压,在需要更大的EGR率时可增大背压。

图1为EGR系统的试验方案,再循环废气从增压器涡后引出,经过EGR阀,EGR冷却器,从增压器压气机前和新鲜空气混合,增压后由中冷器冷却,然后进入气缸。

EGR率是由CO2浓度计算获得。

式中,CO2int%为发动机加入EGR后进气中的CO2体积百分比;CO2ambient%为大气环境中CO2的体积百分比;CO2ext%为发动机加入EGR后排气中的CO2体积百分比。

在发动机各运转工况下,通过调节EGR阀的开度,获得不同的EGR率。试验选取了2个典型转速1 400 r/min和2 200 r/min进行了EGR试验:研究各转速下不同负荷时EGR率对发动机NOx、HC和CO影响规律。发动机的排气成分采用奥地利AVL公司的PROVIT5600排放仪测量,可同时测量NOx、HC和CO的排放量,其中NOx采用电化学发光法检测,HC和CO排放采用不分光红外吸收法测定,是国家法定的测量方法,测量的气体成分均为体积分数,精度高达1×10-6。

2 试验结果与分析

2.1 供油提前角对NOx排放的影响

图2为供油提前角对NOx排放的影响。图2(a)为供油提前角对外特性NOx排放的影响。图2(b),(c),(d)分别是不同转速时供油提前角对负荷特性下NOx排放的影响。由图2可以看出,外特性下,在发动机的整个转速范围内,当提前角减小时,NOx排放依次减小。低转速下变化更加明显,体现在图中为曲线之间的间距更大。在额定工况点下,当供油提前角15°CA BTDC时的NOx浓度排放为440×10-6,当供油提前角减小到6°CA BTDC,此时的NOx浓度排放为318×10-6,比15°CA BTDC提前角时降低了122×10-6,下降了27.3%。当发动机转速为1 000 r/min时,供油提前角由15°CA BTDC减少到6°CA BTDC,NOx浓度排放从1 352×10-6降低到792×10-6,下降了41.4%。

负荷特性下,当提前角减小时,NOx排放依次减低,高负荷下变化更加明显。发动机转速为1 400r/min时,在BMEP=1.52 MPa工况下,供油提前角为15°CA BTDC时,NOx浓度排放为1 086×10-6,供油提前角6°CA BTDC时的NOx浓度排放为624×10-6,比15°CA BTDC提前角时降低了462×10-6,下降了42.5%。BMEP=0.76 MPa负荷时,供油提前角为15°CA BTDC时的NOx浓度排放为658×10-6,供油提前角6°CA BTDC时的NOx浓度排放为463×10-6,比15°CA BTDC提前角时降低195×10-6,下降了29.6%。

2.2 EGR率对NOx的影响

图3为各转速不同负荷下EGR率对二甲醚发动机NOx排放的影响。由图3可知,随着EGR率增加,各工况下的二甲醚发动机的NOx排放均有大幅度的下降。

以n=1 400 r/min,BMEP=0.76 MPa工况为例,和无EGR时相比,EGR率5.1%时NOx排放减少了23.0%,EGR率7.7%时NOx排放减少了32.6%,EGR率14.2%时NOx排放减少了52.8%,EGR率22.1%时NOx排放减少了66.7%,该工况下最大EGR率30.2%时NOx排放减少了81.9%。其它工况下也呈相似规律。高负荷下,随着EGR率的增大,发动机的NOx排放下降更快。发动机转速为1 400 r/min时,BMEP=1.52 MPa负荷时,当EGR率从0上升到20%时,NOx浓度排放从826×10-6下降到160×10-6,下降了80.6%。而在BMEP=0.38 MPa负荷下,当EGR率从0上升到20%时,NOx排放下降幅度为42.6%。这主要是废气的引入降低了气缸内氧气的浓度,抑制了燃烧反应,缸内最高温度降低,从而导致NOx排放减少。高负荷时缸内过量空气系数相对较低,废气对燃烧的影响更大。因此由EGR引起的NOx排放下降幅度也越大。

2.3 最佳EGR率及推迟喷油对二甲醚发动机NOx排放排放影响的对比

如前所述,废气再循环和推迟喷油定时都能够降低二甲醚发动机的NOx排放,比较了EGR和推迟喷油对二甲醚发动机排放的影响。

考虑各工况下EGR对二甲醚发动机性能和排放的影响,确定各工况下最佳EGR率。

由于二甲醚发动机排放的HC和CO达到欧Ⅲ排放标准并有较大余量,并可通过氧化后处理技术来降低HC及CO排放。在选取最佳EGR率时主要考虑EGR对NOx排放和燃油消耗率的影响,并兼顾CO排放可能急剧升高的因素。根据上述原则,确定各工况下的最佳EGR率。然后比较了最佳EGR率和推迟喷油对发动机性能和排放的影响。

图4为最佳EGR率及推迟喷油对NOx排放影响的对比。由图4可知,发动机转速1 400 r/min时:BMEP=0.38 MPa负荷下,最佳EGR率时NOx排放下降了69.4%,而当推迟喷油时下降了24.7%;BMEP=0.76 MPa负荷下,最佳EGR率时NOx排放下降了66.7%,而当推迟喷油时NOx排放下降了26.9%;BMEP=1.52 MPa负荷下,最佳EGR率时NOx排放下降了66.1%,而推迟喷油时NOx排放下降了33.3%。发动机转速2 200 r/min时:BMEP=0.30 MPa负荷下,最佳EGR率时NOx排放下降了32.4%,而推迟喷油时NOx排放下降了13.2%;BMEP=0.61 MPa负荷下,最佳EGR率时NOx排放下降了44%,而推迟喷油时NOx排放下降了20.8%。

通过以上对比可以发现,各工况下采用废气再循环和推迟喷油都能降低二甲醚发动机的NOx排放。但EGR降低NOx排放的效果比延迟喷油更加明显,引起NOx排放下降比例比延迟喷油大得多。

2.4 最佳EGR率及推迟喷油对二甲醚发动机HC及CO排放影响的对比

图5为最佳EGR率及推迟喷油对HC排放影响的对比。由图5可知,在二甲醚发动机的各运转工况下,EGR会引起HC排放升高,推迟喷油也引起HC排放升高,EGR带来的HC上升幅度比推迟喷油大。但采用废气再循环后,二甲醚发动机的HC排放仍然处于较低水平,小于100×10-6。

图6为最佳EGR率及推迟喷油对CO排放影响的对比。由图6可知,在二甲醚发动机的各运转工况下,EGR会引起CO排放显著升高,推迟喷油也会导致CO排放升高,但幅度较小。EGR方案时可考虑采用氧化后处理器来降低CO排放。

3 结论

(1)随着供油提前角的减小,二甲醚发动机的NOx排放依次降低。

(2)随着EGR率的增加,发动机的NOx的排放显著下降,高负荷时下降幅度更大。

(3)比较了最佳EGR率和推迟喷油对二甲醚发动机排放的影响。EGR和推迟喷油均可以降低二甲醚发动机NOx排放,EGR的效果更为显著。EGR和推迟喷油都会引起HC和CO排放升高,EGR引起HC和CO的升高大于推迟喷油的影响。

摘要：在一台增压二甲醚发动机上,研究了供油提前角和排气再循环(EGR)率的变化对发动机排放影响。结果表明,随着供油提前角的减小,发动机的NOx排放依次降低。随着EGR率的增加,发动机的NOx的排放大幅度下降,高负荷时下降幅度更大。比较了最佳EGR率和推迟喷油对二甲醚发动机排放的影响,EGR和推迟喷油均可以降低二甲醚发动机NOx排放,EGR的效果更为显著。EGR和推迟喷油都会引起HC和CO排放升高,EGR引起HC和CO的升高大于推迟喷油的影响。在降低二甲醚发动机排放方面,EGR技术比推迟喷油更具优势。

关键词：供油提前角,EGR,二甲醚发动机,排放

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二甲醚发动机 篇7

二甲醚的十六烷值为55～60, 高于柴油(40～55)及其他大多数代用燃料的十六烷值,具有非常好的自点燃性能;同时二甲醚沸点低, 能与空气快速形成良好的混合气, 从而缩短着火延迟, 使柴油机具有较好的冷起动性,因此,二甲醚非常适合于压燃式发动机。研究发现:柴油机燃用二甲醚可达到和原机相当的热效率;同时可实现较低的NOx排放、较低的发动机噪声和无烟燃烧[1,2,3],因此,二甲醚被认为是有很大发展潜力和市场前景的新型柴油机代用燃料。

与柴油相比,二甲醚有较高的饱和蒸汽压,较低的黏度、密度以及低热值,因此,柴油机燃用二甲醚要获得较好的燃烧特性,须对其燃烧系统进行重新设计以及对其燃烧过程进行重新组织优化。国内外在自然吸气柴油机上对二甲醚的燃烧和性能进行了大量试验及数值研究[4,5,6,7,8,9],取得了很大的进展,但对增压柴油机燃用二甲醚的研究较少。为深入地了解增压发动机燃用二甲醚燃烧机理,本文针对D6114ZLQB增压柴油机以及由此改造的二甲醚发动机,将二甲醚和柴油详细化学反应机理耦合到KIVA-3V程序,对其缸内燃烧温度分布和NO分布进行数值模拟研究,通过将二者模拟结果与实测气缸压力、燃烧放热率及NOx排放水平进行比较和讨论,揭示了燃用2种不同燃料时发动机缸内温度与NO排放特征,为增压二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟和燃烧系统的优化提供借鉴。

1 主要模型与反应机理

射流分裂雾化模型采用K-H和R-T组合模型。油滴蒸发模型为标准的Spalding 模型。燃烧模型采用湍流与化学反应交互的PaSR模型[10,11]。耦合到KIVA-3V中的二甲醚详细化学反应机理,主要参考了文献[12]中的简化模型,包括78个化学组分,336步基元反应。选用正庚烷详细化学动力学反应机理模拟柴油燃烧,包括65个化学组分,248步基元反应[13]。为了模拟燃烧产生的氮氧化物,增加了氮氧化物生成的反应机理[13]。此机理考虑了N2O在低温下的反应,具体如表1所示。其中,A为指前系数,b为温度系数,E为活化能,M为第三体。在包含第三体的第r步基元反应中,组分α的反应速率ωr为

ωr=(υ″α-υ′α)[M](kf∏Kα=1υ′α-kb∏Kα=1υ″α)[M]=(∑Kα=1Cα) (1)

式中,υ′α与υ″α分别为组分α的正向与逆向反应化学计量系数;kf和kb分别为第r步基元反应的正向与逆向反应速度常数;K为第r步基元反应中所涉及的组分总数;Xα为组分α的摩尔浓度;Cα为摩尔浓度加权因子。

2 计算网格与初边界条件

计算选取缸内系统作为研究对象。生成的三维计算网格如图1所示。由于二甲醚发动机喷油器的喷孔数为6,故计算域取为燃烧空间的1/6,以节省计算时间。缸内温度与排放分布的切面经过喷雾的中心线,如图1所示。

本文采用KIVA-3V对增压二甲醚发动机在供油提前角为9 °CA时标定功率点缸内燃烧过程和NO排放进行数值模拟计算。柴油机、二甲醚发动机的喷油器喷孔数均为6,喷孔直径分别为0.24 mm和0.40 mm。用于KIVA-3V计算所需供油规律由AVL公司Hydsim软件计算所得,如图2所示。计算结果表明:柴油机和二甲醚发动机在标定工况时喷油时刻分别为-3.5 °CA ATDC和2.5 °CA ATDC。与柴油相比,二甲醚的喷油延迟要大6 °CA;这主要是由于二甲醚燃料弹性模量较小,燃料更易于压缩,使得高压油管内二甲醚音速比柴油小,导致在相同供油提前角下,二甲醚喷油延迟大。

计算从进气门关闭(-145.5 °CA ATDC)开始到排气门打开(112.5 °CA ATDC)结束。通过Boost软件模拟计算可知:柴油机和二甲醚发动机进气门关闭时刻,缸内压力分别为0.232 MPa和0.248 MPa;温度分别为360 K和380 K;发动机涡流比为2.3。

3 计算结果与分析

3.1 气缸压力和放热率曲线模拟计算结果和实测值比较

图3为柴油机和二甲醚发动机在标定功率点时气缸压力和放热率计算值和实测值。由图3可见:柴油机气缸压力和燃烧放热率的计算值与实测值均吻合较好;二甲醚发动机计算所得的气缸压力膨胀线在扩散燃烧中后期略低于实测结果,燃烧放热率在22 °CA ATDC之前大于实测值。存在差别的主要原因是:缸盖、缸壁、活塞初始平均温度值为估计值;喷油规律为模拟计算而得,与实际存在一定的差异。总体而言,本文选取的柴油和二甲醚详细化学反应机理以及湍流燃烧模型比较符合实际。

3.2 缸内燃烧与NO排放模拟结果

3.2.1 D6114柴油机和二甲醚发动机缸内温度分布

图4为柴油机和二甲醚发动机标定功率点时缸内温度分布随曲轴转角变化的计算结果。图4a为柴油机缸内温度分布。柴油在-3.5 °CA ATDC开始喷入缸内。在-1.0 °CA ATDC左右,在柴油喷雾前端两侧,燃料开始着火燃烧,滞燃期为2.5 °CA左右。2 °CA ATDC时,在喷雾前端形成包围油束的高温火焰区域。随后,缸内气体运动使得喷雾前端被吹偏,使得高温火焰区域位于喷雾较浓侧。随着油束向前运动以及油滴不断地分裂、破碎,缸内最高温度持断升高,在接近10 °CA ATDC时刻,高温火焰碰到壁面;这从2～10 °CA ATDC所对应的温度分布可看出,同时,柴油燃烧的高温区主要分布在喷雾前端一侧,且在缸内气流作用下沿垂直于喷雾方向朝单侧扩散。此后,随着喷雾、燃烧的进行,且在缸内气流作用下,高温区域不断扩大,至22 °CA ATDC后喷油结束。

图4b为二甲醚发动机缸内温度分布。二甲醚燃料在2.5 °CA ATDC开始喷射。从4 °CA ATDC的缸内温度分布来看,二甲醚燃料已着火燃烧,滞燃期约为1.5 °CA;与柴油相比,其着火点更靠近喷嘴;这主要是由于二甲醚燃料具有比柴油更好的雾化特性和更高的十六烷值。随着油束向前运动,至6 °CA ATDC时刻,射流周围温度升高较为明显;与柴油不同的是,此时高温区分布在喷雾两侧。随着油束继续向前运动,在缸内气流运动作用下,喷雾被吹偏,导致高温区主要出现在喷雾浓侧。在12 °CA ATDC时刻,高温火焰碰壁,最高温度相比6 °CA ATDC时有明显上升。与柴油的燃烧特征明显不同的是,二甲醚燃烧高温区从喷嘴附近一直延伸到燃烧室壁面,形成了1条高温带;这主要是因为二甲醚油滴蒸发、油雾扩散及油气混合速度比柴油快的缘故。此后,随着燃料喷射与扩散的进行,燃烧室内高温区域不断扩大,但最高温度变化不大,这从12～22 °CA ATDC所对应的温度分布可看出。至 26 °CA ATDC时,从对应的温度分布可见,喷雾两侧高温区面积变化不大。

计算结果表明:与柴油相比,二甲醚燃烧温度分布较为均匀,且最高温度明显比柴油低。

3.2.2 D6114柴油机和二甲醚发动机缸内NO排放分布

图5为柴油机和二甲醚发动机于标定功率点时缸内NO浓度分布随曲轴转角变化的计算结果。通常氮氧化物主要在缸内高温、富氧区域产生。由于发动机废气中的NO排放占整个NOx排放的90 %以上,因此本文计算得到的NO代表了NOx排放水平。由图5可见:2 °CA ATDC时刻,柴油机缸内高温处有NO生成;6 °CA ATDC时,二甲醚发动机缸内有NO生成。此后,随着两机的火焰区域不断扩散,缸内最高温度不断增加,缸内NO浓度均有明显的上升。不同的是,由于柴油燃烧温度梯度较大,且最高温度高于二甲醚,所以其NO浓度明显高于二甲醚。

图6为柴油机和二甲醚发动机在标定功率点每循环NO生成量随曲轴转角变化的计算结果。由图6可见:在扩散燃烧后期,缸内温度降低时,NO生成总量“冻结”在高温时刻的最高值。柴油机在55 °CA ATDC后,其NO生成总量变化不大,即每循环最终值为0.001 74 g。二甲醚发动机的NO生成总量在60 °CA ATDC后变化不大,最终为0.001 2 g。

图7为柴油机和二甲醚发动机在标定功率点时NOx排放计算值和实测值。由图7可见:柴油机NOx排放计算值为546×10-6,略低于实测值572×10-6,仅有4.5 %的偏差;二甲醚发动机的计算值为357×10-6,略高于实测值340×10-6,存在5 %的偏差。试验结果表明:表1列出的NOx生成机理可较好地预测发动机实际运行中产生的NOx排放水平。

4 结论

(1) 应用Hydsim软件对燃油喷射过程计算结果表明:标定工况下,柴油机和二甲醚发动机供油提前角均为9.0 °CA时,其喷油时刻分别为-4.0 °CA ATDC和2.5 °CA ATDC。Boost软件计算结果表明:柴油机和二甲醚发动机进气门关闭时刻缸内压力分别为0.232 MPa和0.248 MPa, 温度分别为360K和380 K。

(2) 对发动机气缸压力和放热率计算表明:柴油机的计算值均与实测值吻合较好;二甲醚发动机计算的缸内压力膨胀线在扩散燃烧中后期略低于实测值,在燃烧初期,燃烧放热率在22 °CA ATDC前大于实测值。

(3) 对缸内燃烧温度分布计算结果表明:柴油燃烧滞燃期为2.5 °CA左右,二甲醚为1.5 °CA;柴油燃烧初期,其高温区分布在喷雾前端一侧,且在燃烧室内气流作用下沿垂直于喷雾方向扩散;二甲醚的着火点位于喷嘴附近,随喷雾的进行,其燃烧高温区从喷嘴附近一直延伸到燃烧室壁面,呈现狭长的高温带。与柴油相比,二甲醚燃烧温度分布较均匀,且最高温度明显比柴油的低。

二甲醚自动定量装车系统设计实施 篇8

二甲醚是一种新兴的基本化工原料, 具有良好的易压缩、冷凝、汽化特性, 在制药、燃料、农药等工业中有许多独特的用途。随着石油资源的紧缺及价格上涨, 清洁环保理念的深入, 作为柴油替代资源的清洁燃料———二甲醚得到大力推广, 并逐渐进入了民用燃料市场和汽车燃料市场。

濮阳龙宇化工有限责任公司二甲醚产品储存于2个1000m3球罐内, 对外销售采用自动装车系统。

1 系统组成

汽车定量装车控制系统采用集散式控制结构。装车控制仪直接安装在栈桥上 (装车鹤位附近) , 根据设定 (远程设定/本地设定) 的装车数量打开和关闭装车阀门, 并对温度、流量、接地、高位探头、可燃性气体探头等现场仪表进行检测, 根据装车工艺实现定量装车;如有二甲醚气回收系统, 可以根据回收工艺自动打开或关闭相应气相管的接口阀门。装车控制系统现场仪表连接图如图1所示。

隔爆型 (Rosemount) 装车控制器电气连接装车控制阀、流量计、静电接地夹和液位开关等。装车时, 控制仪根据设定 (远程/本地) 的装车数量, 先小流量打开装车阀, 小流量装车, 防止物料与空气摩擦产生静电;当装车物料淹没鹤管口后, 全部打开阀门, 加大装车流量, 进行快速装车。装车过程中控制仪对流量信号进行累计, 达到设定的装车大提前量时, 部分关断阀门, 用小流量装车, 提高装车精度, 同时防止水击;当装车量达到设定的小提前量时, 控制仪关闭装车阀, 实现安全和准确装车。同时安有静电物料溢出保护器, 装车过程中检测静电接地和液位探头信号, 当发生静电接地不良或液位高信号时, 控制仪立即切断阀门, 防止静电聚集或者物料溢出, 确保装车过程的安全性。

装车控制仪与PLC控制系统连接, 对控制仪进行集中控制和管理, 完成装车数据输入, 监控装车过程, 记录装车数据并统计、汇总, 设置控制仪参数等功能。PLC控制系统从销售网络提取装车数据, 根据现场控制仪送来的装车单信息 (装车密码) 向对应控制仪发送发二甲醚的量和允许装车信号。二甲醚自动装车系统如图2所示。

2 系统主要功能

(1) 定量装车功能:控制仪与现场流量计、装车阀、泵、静电接地夹、防溢开关等仪表连接, 按工艺要求开启泵和阀, 检测流量, 当达到设定的流量时, 关闭泵和阀, 实现定量安全装车。

(2) 报警联锁功能:液位开关、静电接地与PLC控制系统联锁, 出现液位开关或静电接地信号时, 系统关闭阀门和泵, 暂停装车, 报警消除后, 按启动继续装车或退出装车。

(3) 阀门控制与回讯功能:装车阀控制开关的时间可根据LCD显示的信息由面板输入, 阀门的开关状态可直接由LCD显示。

(4) 流量检测控制:控制仪连接Rosemount CMF1700质量流量计, 计量稳定准确, 本地流量显示, 触屏操作, 可实现远距离测量和控制, Hart通信, 流量参数可设定, 无流量时自动停泵。

(5) 温度补偿功能:控制仪采集工业通用温度传感器信号PT100, 14位A/D转换器完成温度测量, 用于系统温度的自动补偿计算。

(6) 网络通信:控制仪采用RS-485总线通信, 所有控制仪通过一条两芯屏蔽双绞线与上位PLC控制系统连接, 接受电脑发送的二甲醚控制指令;电脑监控装车过程, 记录数据, 完成报表, 并在公司局域网内实现数据共享。

(7) 防雷保护:系统仪表和通信设备选型时已考虑了防雷保护功能, 除此之外, 在系统电源进线端加装防雷保护器。

(8) 装车急停功能:控制仪配有紧急切断按钮, 在紧急情况下及时切断二甲醚流, 故障排除后, 按启动继续装车或退出装车。

(9) 参数设定及掉电保护功能:控制仪参数在取得密码的情况下, 可用面板输入, 参数均保存在E2PROM内, 系统掉电时自动保存当前信息, 电源恢复时继续执行掉电前的操作。

(10) 自动复位功能:故障解除后系统自动保持原状态。

3 结语