改善二甲醚发动机燃油经济性的试验研究

改善二甲醚发动机燃油经济性的试验研究
吴君华;张光德
【摘要】为改善二甲醚发动机的燃油经济性,在一台直喷二甲醚发动机上进行台架试验,研究燃料供给系统结构参数以及往二甲醚里添加高热值的液化石油气(LPG)对二甲醚发动机经济性的影响.结果表明,适当增大喷射泵的柱塞直径、增加喷嘴喷孔数目并减小喷孔尺寸以及往二甲醚里掺混质量分数为30％的LPG燃料均能有效改善二甲醚发动机的燃油经济性.
【期刊名称】《武汉科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(039)001
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】二甲醚发动机;燃油经济性;燃油消耗率;结构参数;二甲醚;LPG
【作者】吴君华;张光德
【作者单位】南京林业大学汽车与交通工程学院,江苏南京,210037;武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北武汉,430081
【正文语种】中文
【中图分类】TK464
二甲醚(Dimethyl Ether，DME)作为压燃式发动机的代用燃料具有广阔的应用前景。

近年来，国内外学者对二甲醚的燃烧特性及二甲醚发动机的排放特性和燃油经济性进行了大量研究[1-2]。

笔者参与了上海交通大学二甲醚城市客车的研制，研制出的二甲醚发动机动力性超过原柴油机水平，排放比原柴油机大幅度下降，经济
性与原柴油机相当[3-5]。

进一步通过外特性下二甲醚发动机和原柴油机燃油消耗
率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)的对比得知，当发动机转速低于1500 r/min时，二甲醚发动机燃油消耗率(当量柴油消耗率)比原柴油机略低，但
当转速高于1500 r/min时，其燃油消耗率反而比原柴油机高[6]。

因此，要实现
二甲醚发动机的推广应用，还须对现有二甲醚发动机进行进一步优化,以全面提高
其燃油经济性。

本文拟从燃油系统结构参数优化和二甲醚燃料改性两方面来提高二甲醚发动机的燃油经济性，研究燃料喷射泵柱塞直径、喷嘴结构型式以及往二甲醚里添加高热值的液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,LPG)燃料对二甲醚发动机
燃油经济性的影响，探讨改善二甲醚发动机燃油经济性的有效途径。

试验所用二甲醚发动机是在上海柴油机股份有限公司生产的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。

由于二甲醚在常温常压下为气态，原发动机台架的油耗仪无法使用，故二甲醚发动机的燃油消耗率采用称重法来测量。

试验中，将二甲醚燃料罐子置于电子天平上，发动机在稳态下运转，计量2min内二甲醚的消耗量，然后按照等热值换算即可得发动机的当量柴油消耗量及燃油消耗率。

二甲醚发动机的燃料喷射泵采用的是柱塞泵。

试验中，将原12 mm的柱塞换成
13 mm的柱塞,研究外特性下和典型转速的负荷特性下二甲醚的燃油消耗率变化，考察柱塞直径对二甲醚发动机燃油经济性的影响。

在保持喷嘴喷射量基本不变的条件下，用6×0.40 mm的喷嘴替换原5×
0.46 mm喷嘴,对比研究喷嘴结构参数对二甲醚发动机燃油经济性的影响。

选取典型转速1400 r/min下的负荷特性作为测试工况点，研究燃料中LPG的添
加量对二甲醚发动机燃油经济性的影响。

2.1 喷射泵柱塞直径的影响
在外特性下，喷射泵柱塞直径分别为12 mm和13 mm时二甲醚发动机燃油消耗
率如图1所示。

由图1中可知，外特性下，喷射泵柱塞直径由12 mm增至13 mm后，发动机的燃油消耗率降低，且高转速时下降的幅度更大。

在3种典型转速的不同负荷特性下，喷射泵柱塞直径分别为12 mm和13 mm时二甲醚发动机燃油消耗率如图2所示。

由图2中可见，几种不同负荷特性下，柱
塞直径增大后发动机的燃油消耗率均相应降低，尤其是在2200r/min工况下，柱
塞直径由12 mm改为13 mm后，发动机的燃油消耗率下降了4%，效果十分明显。

这是由于柱塞直径增大，油泵供油速率加快，燃油喷射持续期缩短，燃烧持续期也相应缩短，从而改善了发动机的燃油经济性。

2.2 喷嘴结构参数的影响
图3和图4分别为外特性下改变喷嘴结构参数对二甲醚发动机燃油消耗率和排气
温度的影响。

从图3可以看出，外特性下，在发动机的整个转速范围内，采用
6×0.40mm喷嘴后，发动机燃油消耗率降低。

以转速1400 r/min为例，采用
6×0.40mm喷嘴后燃油消耗率比采用5×0.46mm喷嘴时发动机的燃油消耗率下
降了2.7%。

由图4可知，采用6×0.40 mm喷嘴后发动机的排气温度也相应下降。

这是由于喷孔增多、喷孔直径减小使得燃料雾化效果更好，燃油与空气的混合质量得到改善，燃烧速率提高，燃烧持续期缩短，从而改善了发动机的燃油经济性。

同时更快速的燃烧减少了后燃的不利影响，使排气温度降低。

2.3 掺混LPG燃料的影响
图5所示为1400 r/min、不同负荷工况下二甲醚燃料中LPG的质量分数分别为0、15%、30%、45%、60%时发动机的燃油消耗率。

从图5中可以看出，不同负荷
工况下，随着混合燃料中LPG含量的增加，二甲醚发动机的燃油消耗率均呈先下
降后上升趋势，LPG含量为30%时燃油消耗率最低；中等负荷(Pe=0.76 MPa)下，与燃用纯DME时的燃油消耗率233.1 g·(kW·h)-1相比,燃用含15% LPG的混合
燃料时燃油消耗率下降了0.8%，燃用含30% LPG的混合燃料时燃油消耗率下降
了4.4%，而后随着LPG掺加量的继续增加，发动机的燃油消耗率又开始升高，燃用含60% LPG的混合燃料时燃油消耗率为225.7g·(kW·h)-1，比燃用含30% LPG的混合燃料时发动机的燃油消耗率增加了5.1%,但仍比燃用纯DME时相应值低；高负荷(Pe=1.52 MPa)下，混合燃料中LPG含量超过30%后，发动机的燃油消耗率略有上升；而低负荷(Pe=0.38 MPa)下，混合燃料里的LPG含量增加到60%时，发动机的燃油消耗率上升很快，远超过了燃用纯DME时发动机的燃油消耗率。

这是因为，一方面，掺混LPG后混合燃料的热值提高，喷射持续期缩短，导致燃
烧持续期缩短，使发动机的热效率提高，燃油消耗率降低；另一方面，掺混LPG
延长了混合燃料的滞燃期，使燃烧延后、后燃增加，降低了热效率。

当LPG含量
超过30%后，后者的影响逐渐超过前者，会导致燃油消耗率又呈上升趋势。

低负
荷时，由于缸内温度和压力相对较低，LPG的含量对滞燃期影响更大，引起燃油
消耗率的变化幅度也更大。

为了更好地说明问题，对1400 r/min工况下燃油中LPG的含量对燃烧持续期的
影响进行分析，结果如图6所示。

由图6可知，随着LPG含量的增加，燃烧持续期逐渐缩短。

以Pe=0.76 MPa时为例，与燃用纯DME燃料时发动机的燃烧持续期(30.6°CA)相比，燃用掺混30%、45%、60%LPG燃料时燃烧持续期分别缩短
了1.5°CA、2.0°CA和2.80°CA。

这主要是因为随燃料中LPG含量增多，着火延
迟增长，预混合气增加，燃烧速率加快；同时由于LPG的热值比DME高，掺混30% LPG时混合燃料的热值为33.71 MJ/kg，掺混60% LPG时混合燃料的热值
为39.02 MJ/kg，随着LPG含量的增加，混合燃料热值增加，达到相同平均有效
压力所需燃料的总量减少，相当于提高了燃料喷射速率，这使得燃烧速率加快，从而直接导致燃烧持续期缩短。

根据以上分析，将二甲醚发动机的喷射泵柱塞直径由12mm改为13mm，将喷嘴由原来的5×0.46 mm 改为6×0.40 mm进行优化。

在优化后的二甲醚发动机上
燃用掺混了30% LPG的DME燃料进行外特性试验，并与原D6114ZLQB柴油机在外特性下的燃油消耗率进行对比，结果如图7所示。

从图7中可以看出，在发
动机的所有转速范围内，优化后二甲醚发动机的燃油消耗率都比柴油机有所改善，表明通过对二甲醚发动机燃料供给系统结构参数优化和在二甲醚里添加适量高热值的LPG燃料，能很好地解决改进前二甲醚发动机在转速高于1500 r/min时比原
柴油机燃油消耗率高的问题，且在低转速范围时的优势也更为明显。

(1)将二甲醚发动机喷射泵柱塞直径由12 mm改为13 mm，可使油泵供油速率增加，燃油喷射持续期缩短，燃烧持续期缩短，使发动机燃油消耗率降低。

(2)将二甲醚发动机喷嘴参数由5×0.46 mm改为6×0.40 mm，即增加喷孔数、
减小喷嘴尺寸，可使喷油雾化效果更好，燃油与空气的混合质量得到改善，燃烧速率提高，燃烧持续期缩短，使发动机的燃油经济性得以改善。

(3)在纯DME燃料中掺混质量分数为30%的LPG时，二甲醚发动机燃油消耗率低，燃油经济性最佳。

(4)在燃油系统参数优化后的二甲醚发动机上燃用掺混了质量分数为30%LPG的DME燃料，在发动机的燃油经济性与燃用柴油的原柴油机相比有明显改善，特别是在低转速范围内的优势更加明显。

【相关文献】
[1] Kim M Y，Yoon S H， Ryu B W，et al. Combustion and emission characteristics of DME as an alternative fuel for compression ignition engines with a high pressure injection system[J].Fuel,2008,87(12):2779-2786.
[2] 张光德，李梦，谢露，等. 二甲醚发动机低压共轨系统轨压特性研究[J]. 武汉科技大学学报，2012，35(3)：211-214,218.
[3] 吴君华，张光德. 甲醇含量对二甲醚发动机性能和排放的影响[J]. 武汉科技大学学报，2014，37(1)：50-53.
[4] 张俊军,乔信起,管斌,等. 柴油机燃用二甲醚复合燃烧试验[J].农业机械学报，2008，39(6):13-
16,45.
[5] 张俊军，乔信起，管斌，等.柴油机燃用二甲醚复合燃烧优化控制试验研究[J].内燃机学报，2008，26(3)：193-199.
[6] 吴君华.增压二甲醚发动机燃烧和排放控制试验研究[D].上海：上海交通大学，2007.。