原霞，王铁 ，冯丹华
（太原理工大学 机械工程学院，太原 030024）脱敏糊剂
摘要：为了研究二甲醚/非标柴油混合燃料对发动机性能的影响，本文首先利用FIRE软件对柴油和混合燃料的排放进行模拟仿真。然后在云内4100增压中冷柴油机上进行了柴油、D30混合燃料（即质量比二甲醚30％，非标柴油70％）、D50混合燃料的排放性、动力性、经济性试验研究。结果表明燃用混合燃料可以有效降低发动机的排放，试验结论和仿真结果一致。最后就EGR技术对D50混合燃料发动机的排放影响进行研究，结论表明：合理选择EGR率可以在进一步降低NOx排放的基础上避免对烟度、CO、HC排放造成负面影响。 关键词：二甲醚；非标柴油；EGR；排放性
面临能源和环保问题的挑战，代用燃料的研究和开发对能源结构的调整具有重要的战略意义。目前柴油机使用的代用燃料主要有：天然气、液化石油气、醚类燃料、醇类燃料、乳化燃料、生物柴油等。国内，天津大学、上海交通大学、西安交通大学、吉林大学、华中科技大学等各自开展了各种代用燃料喷
雾和燃烧特性、发动机性能的研究[1]。太原理工大学从2000年开展了在柴油机燃用二甲醚与柴油的混合燃料的试验研究。2009年开展了柴油机上燃用二甲醚/非标柴油混合燃料的课题。同年在D1110直喷式柴油机上进行了低比例D10(二甲醚非标柴油质量分数比为1：9)、D20、D30混合燃料和高比例D70、D80、D90混合燃料的实验研究[2-3]。本文在对4100QBZL增压柴油机上燃用二甲醚/非标柴油混合燃料进行仿真和台架试验研究。
1 试验测试设备及试验方案
1.1 燃料理化特性
表1 二甲醚、0#柴油、非标柴油的理化特性
性能指标二甲醚柴油非标柴油密度(20℃)/(kg/m3668
）840 867
低热值/(MJ/kg）27.6 42.5 45.6
运动粘度(40℃) /（mm20.22
/
s） 3.1 5.57 非标柴油不同于现在柴油机使用的石油产品。它是一种石油馏分的产物，是由重油、重柴油与渣油等低值油调制而成的。目前国内尚未制定相关标准。表1为二甲醚、0#柴油、非标柴油主要理化特性对比。
1.2 试验测试设备
本试验机为昆明云内4100QBZL直列四缸、强制水冷发动机，缸径×行程为100×105mm，压缩比为17.5:1，直喷ω型燃烧室，标定功率/转速70kW /3200rpm。试验测试设备和试验系统图如表2所示。
表2 主要测试设备及仪器
实验用设备仪器型号生产厂家
电涡流测功机DW160 四川诚邦
发动机测试系统ET2000 四川诚邦
智能油耗仪ET2400 四川诚邦
电子计量秤XK3190－D9 山西万立
五组分尾气排放仪AVL DIGOM 4000 AVL
不透光烟度计AVL DISMOKE 480 AVL
缸压传感器6125B Kistler
缸压电荷放大器4618A2 Kistler
燃烧分析仪DEWE-800-CA-SE DEWETRON
1.3 试验方案
1）进行二甲醚与非标柴油的互溶性试验。
2）对原机不做任何改动的情况下，测试发动机燃用0#柴油的各项性能。三维网页
3）对原机供油系统进行改造，燃用D30、D50二甲醚/非标柴油混合燃料，测试混合燃料发动机的动力
性、经济性、排放性能。
4）对D50混合燃料发动机的供油提前角进行优化匹配后，研究EGR对排放性能的影响。
2 仿真研究
本文使用AVL公司的FIRE软件模拟2200r/min全负荷工况下燃用不同燃料的缸内排放情况。因为试验柴油机为半开式ω型燃烧室，喷油器的6个喷孔沿周向均匀分布，因此选1/6作为燃烧室模型。将压缩行程上止点对应的曲轴转角定义为720°CA，进气门关闭时刻为588°CA，排气门开启时刻为834.3°CA。模拟过程从进气门关闭开始，排气门开启前结束。
2.1 NOx生成浓度场分析
表3 燃烧室内NOx生成浓度场
736°CA
740°CA
745°CA
750°CA
由表3可知：三种燃料NOx生成的主要区域
IL-40
都处于燃烧室内的底部和燃烧室右侧的活塞余隙
中。随着二甲醚掺烧比例的增加，NOx生成速率降
低，因此，掺烧二甲醚可以降低NOx排放。
2.2 烟度生成浓度场分析
表4 燃烧室内Soot生成浓度场
722°CA
724°CA
726°CA
728°CA
注：三种发动机燃烧室内Soot生成浓度场的纵坐标最大值依次为：0.1、0.03、0.001 本文选取了碳烟生成速率最高的722°CA到
728°CA区间作为研究对象。表4为三种燃料在选
取的模拟区间内碳烟的生成浓度场。由表可见：
碳烟主要生成区域在燃烧室底部和燃烧室的左
侧，随着二甲醚掺混比例的增加碳烟生成浓度场
明显降低。
3 试验结果分析
3.1 互溶性试验结果
由表1可知二甲醚和非标柴油理化特性相差
较大，二甲醚与非标柴油的互溶性决定了发动机
橡胶软化油
能否稳定工作。因此台架试验前需进行二甲醚与
非标柴油的互溶性试验。试验结果如表5所示[4]。
本试验是在27℃以上的室温条件下进行的。
试验结果表明：在压力密度计中将二甲醚/非标柴
油混合燃料摇匀加压到0.6MPa，静置24小时后混
合燃料无分层无絮状物生成。
表5 二甲醚/非标柴油互溶性试验结果
试验比例D30 D40 D50
二甲醚量/（kg）0.06 0.08 0.10
重柴油量/（kg）0.14 0.12 0.10
混合时压力/（MPa）0.55 0.59 0.56
混合时温度/（°C）33.1 35 33
摇匀后压力/（MPa）0.33 0.47 0.45
摇匀后温度/（°C）33.1 35 33
静置5小时压力/（MPa）0.33 0.45 0.45
静置5小时温度/（°C）26.5 28.5 26
静置24小时压力/（MPa）0.38 0.39 0.45
静置24小时温度/（°C）29.5 27.5 29.5
3.2 排放性对比
由于二甲醚特殊理化特性因此在使用混合燃料时对供油系统进行以下改进，喷油泵柱塞直径增大为9.5mm ，适当增加柱塞的有效行程，增大高压油管的直径。利用增压泵和溢流阀保证供油系统中的混合燃料为液态。回油管加装冷却器，确保混合燃料罐内的温度保持在30°C 以下。将滤清器的滤芯由原来的铸铁材料更换为碳钢材料。供油系统中高压油管和喷油器回油管更换为不锈钢，将进油管和回油管用耐醇管代替。 3.2.1 NOx
排放对比
图1 NOx 排放影响曲线
图1为三种燃料在2200r/min 负荷特性工况下的NOx 排放曲线。2200r/min 全负荷工况下柴油
机NOx 排放为1278×10-6
，D30发动机NOx 排放降幅达10.3%；D50发动机NOx 排放降幅达25.6%。NOx 排放降低的主要原因一是二甲醚和非标柴油的十六烷值均高于0#柴油，因此混合燃料的着火性能得到了较为明显的改善。二是二甲醚汽化潜热较大，蒸发汽化过程中吸收了大量热量，使得气缸内最高温度与燃烧压力均降低，从而抑止了NOx 的生成。再者是因为二甲醚本身含氧，因此二甲醚的掺烧缓解了燃烧室内的缺氧状况，使得NOx 排放有所降低。 3.2.2 烟度排放对比
图2给出三种燃料2200r/min 负荷特性工况下的烟度排放曲线。图中可见：随着二甲醚掺烧比例的提高，烟度排放降低，各工况下D50发动机的烟度排放保持在较低的范围内。原因在于二甲醚是一种含氧燃料，分子结构中不存在C-C 键和由碳单键和双键交替组成的苯环结构。其沸点低、易汽化，有利于混合燃料与空气的均匀混合，
而且二甲醚燃烧速度较快。这些特点抑制了燃烧过程中碳烟的生成。
图2烟度排放影响曲线
3.2.3 CO
排放对比
图3 CO 排放影响曲线
图3为三种燃料在2200r/min 负荷特性工况下的CO 排放。图中可见：随着二甲醚掺烧比例的增加，CO 排放降低。原因在于二甲醚的自含氧，缓解了燃烧室内的缺氧状况，而且燃烧后期缸内温度较高，在高温富氧条件下CO 氧化成CO 2，因此CO 排放降低。 3.2.4 HC 排放对比
图4为三种燃料2200r/min 负荷特性工况下的HC 排放曲线。由图可见，混合燃料发动机的HC 排放高于柴油机，尤其在低负荷工况下；随着二甲醚掺烧比例的增加HC 排放有所降低，而且D50发动机HC 排放在高负荷工况下低于柴油机。原因在于非标柴油粘度大，不容易汽化蒸发，尤其是在低负荷工况下，缸内温度和压力较低，未燃混合气增多，HC 排放增大。随着二甲醚比例的增加，混合燃料的雾化性能有所提高，HC 排放降低。
图4 HC 排放影响曲线
3.3 经济性对比
图5 外特性油耗率影响曲线
图5为三种燃料的经济性对比曲线。由图可见：低速工况下二甲醚/非标柴油混合燃料发动机的当量油耗率比柴油机略有升高。中高速工况下，D30发动机的当量油耗率仍比柴油机高，D50发动机油耗率
比柴油的当量油耗率低。原因在于低转速时，二甲醚汽化会降低缸内温度，混合燃料与空气混合的质量变差，燃烧恶化导致当量油耗率升高。中高速工况下，混合燃料的雾化质量提高，滞燃期缩短，扩散燃烧速度加快，提高了燃烧效率。
3.4 动力性对比
图6为三种混合燃料的动力性对比曲线。由图可见，在1600～2400r/min 转速范围内两种混合燃料与柴油相比扭矩降幅不大，D30在该范围内的最大降幅为1.1%，D50为5.1%。发动机主要是在中等转速工况下工作，因此采用混合燃料对发动机动力性影响不大。usb转音频
图6外特性动力性影响曲线
3.5 EGR 率对发动机性能的影响
EGR 技术是降低柴油机NOx 排放简单而有效的措施。为满足更为严格的排放法规，本文探讨了采用废气再循环(EGR)对降低NOx 排放的影响。本文在上述试验基础上对供油提前角进行优化，采用涡前压后的废气引流方式，研究EGR 对D50混合燃料发动机排放影响的研究。 3.5.1 EGR 率对NOx
排放的影响
图7 EGR 率对NOx 排放的影响
电子围栏技术图7为2200r/min 各负荷工况下EGR 率对NOx 排放的影响。由图可见，转速和负荷一定的工况下，随着EGR 率的增加，NOx 排放得到显著的改善，高负荷工况下尤其明显。NOx 生成的三大要素为高温、富氧以及高温下的滞留时间[5]。采用EGR 系统引入废气，首先降低了缸内氧气的浓度，其次废气中存在比热容较大的惰性气体，降低了缸内温度，破坏了NOx 生成的条件，排放降低。
3.5.2 EGR 率对烟度排放的影响
图8 EGR 率对烟度排放的影响
图8为2200r/min 各负荷工况下EGR 率对烟度排放的影响。由图可见，转速和负荷一定的工况下，随着EGR 率的增加，中低负荷工况下烟度排放略增；高负荷工况下在较低的EGR 率范围内排放增幅不大，在大EGR 率工况下工作时排放呈指数增加。因此在高负荷工况下，应采用较低的EGR 率，以保证烟度排放处于较低水平。 3.5.3 EGR 率对CO
排放的影响
图9 EGR 率对CO 排放的影响
图9为2200r/min 各负荷工况下EGR 率对CO
排放的影响。由图可见，转速和负荷一定的工况下，当EGR 率在小于20%的范围内变化时对CO 排放影响不大，超过这一范围，CO 排放恶化。这是因为EGR 率的增大，引入的废气量增多，缸内贫氧，燃烧恶化，CO 排放升高。因此应将EGR 率控制在对CO 排放影响不大的范围内。 3.5.4 EGR 率对HC 排放的影响
图10为2200r/min 各负荷工况下EGR 率对HC 排放的影响。由图可知，转速和负荷一定的工况下，随着EGR 率的增加HC 排放呈上升趋势。原因在于随着EGR 率的增大，缸内氧气浓度大幅降低，
废气中比热容较大的惰性气体吸热降低了缸内温度，导致燃烧恶化，造成HC 排放升高。
图10 EGR 率对HC 排放的影响
4 结论
本文通过对柴油机供油系统进行改进和调整供油系统参数，对柴油机燃用二甲醚/非标柴油混合燃料进
行仿真和试验研究，结果表明：
1）与柴油机相比混合燃料发动机的NOx 排放降低；烟度排放大幅降低；CO 排放略有降低；HC 排放略有升高，但整体上处于较低水平。仿真结果和台架试验结果一致。 2）与柴油机相比常用转速范围内混合燃料和柴油机的动力性基本相当。
3）与柴油机相比低速工况下混合燃料发动机的当量油耗率略有升高，中高速工况下随着二甲醚掺混比例的增大，当量油耗率降低。 4）EGR 技术是降低发动机NOx 排放的有效手段，合理选择EGR 率可以在进一步降低NOx 排放的基础上避免烟度、CO 、HC 排放增加。
参考文献
[1] 黄震，乔信起，张武高等．内燃机学
报 [J]．2008(12)：115-125.
[2] 王克亮．非标柴油-二甲醚柱塞偶件磨损研究[硕士
学位论文]．太原：太原理工大学，2009． [3] 饶海生．非标柴油-二甲醚混合燃料发动机的试验研
究[硕士学位论文]．太原：太原理工大学，2009． [4] 冯丹华．非标柴油/二甲醚混合燃料在增压柴油机上
的应用研究[硕士学位论文]．太原：太原理工大学，2011．
[5] 蒋德明．内燃机燃烧与排放学．西安：西安交通大
学出版社，2001．
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