不同供油提前角下柴油机燃用柴油二甲氧基甲烷混合燃料性能与排放特性研究.docx

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不同供油提前角下柴油机燃用柴油二甲氧基甲烷混合燃料性能与排放特性研究

不同供油提前角下柴油机燃用柴油二甲氧基甲烷混合燃料性能与排放特性研究

摘要:

本文开展了不同供油提前角下柴油机燃用柴油/二甲氧基甲烷混合燃料的性能和排放的研究。

认为与燃用柴油相比，柴油中添加二甲氧基甲烷并推迟供油可使NOx和碳烟同时降低。

本研究按二甲氧基甲烷在柴油中体积掺混比的不同配制了五种燃料，在一台单缸柴油机上对不同供油提前角下各种燃料的发动机性能和排放进行了研究。

研究结果表明：

随着供油提前角的减小，热效率有所降低，缸内气体最高平均温度降低，高温（≥1800K）下持续时间缩短，NOx浓度降低，碳烟浓度升高。

关键词：

供油提前角;柴油;二甲氧基甲烷;热效率;混合燃料

StudyonPerformancesandEmissionsofDirectInjectionDieselEngineFuelledwiththeDiesel-DimethoxymethaneBlendsforVariousFuelDeliveryAdvanceAngles

Abstract:

Inthispaper,theperformancesandemissionsofadirectinjectiondieselenginefuelledwithdiesel-dimethoxymethane（DMM）blendswasinvestigated.

FivefuelswerepreparedwithdifferentvolumefractionsofDMM.Theresultsshowedthatthethermalefficiencywouldincreasewiththeadvancingofthefueldeliveryadvanceangle,theNOXconcentrationwouldincreaseandsmokewoulddecreasewiththeadvancingofthefueldeliveryadvanceangle.Foraspecificfueldeliveryadvanceangle,thebrakespecificfuelconsumptionwouldincrease,theequivalentdieselbrakespecificfuelconsumptionandthethermalefficiencywouldmakeslightvariationwithadditionoftheDMM.

KeyWords:

Fueldeliveryadvanceangle;Diesel;Dimethoxymethane;Oxygenated,Blended

目录

摘要1

前言2

一、选题背景4

二、国内外柴油机代用燃料的研究状况4

三、柴油发动机排放机理5

（一）、试验装置及混合燃料性质5

1、试验装置及试验台架的布置6

2、试验燃料6

3、当量柴油有效燃油消耗率和有效热效率8

（二）、发动机性能与排放分析9

（三）、变供油提前角下燃用不同燃料的热效率和油耗9

1、排放特性的分析9

2、活塞环设计因素10

3、缸套的设计因素21

（四）、全文总结与工作展望22

1、全文总结23

2、工作展望24

四、参考文献:

25

致谢26

附件一外文原文37

附件二中文翻译38

第一章绪论

1.1选题背景

汽车工业的飞速发展给人类的社会活动带来了巨大的变化,然而也带来了能源和环保方面的问题.

节能与降低排放一直是内燃机研究的两大主题，随着我国排放法规的建立健全，如何降低柴油机的排放污染是目前各柴油机生产企业的首要目标。

本研究的主要任务是在东风朝阳柴油机有限责任公司的6102BQ型柴油机的基础上通过应用增压技术、EGR技术和优化匹配，研究其对柴油机性能尤其是排放的影响规律，为排放达标提供依据。

本文首先分析了车用柴油机的发展现状，概述了提高车用柴油机动力性、经济性，尤其是降低排放的有效措施。

然后围绕东风朝阳柴油机有限责任公司的6102BQ型柴油机主要进行了以下的实验研究工作：

应用增压技术将6102BQ型柴油机改进成为6102BZQ型增压柴油机，进行样机各工况条件下的燃烧过程测试分析和不同供油提前角、喷油器、喷油泵的燃烧过程对比分析与优化匹配，探索各系统、参数对柴油机性能的影响规律，为改进设计和合理匹配提供依据。

在上述研究的基础上，对6102BZQ型柴油机进行了EGR技术应用研究，摸索了EGR对该柴油机动力性、经济性、尤其是排放性能的影响规律。

理论与试验分析表明:

在兼顾发动机的动力性、经济性的条件下，为了降低增压柴油机的有害污染物排放，应该尽可能地提高涡轮增压器的效率，以增大空气的供给量。

整个燃烧过程优化的目标就是减少预混合燃烧，促进扩散燃烧。

减小供油提前角对降低NOx排放的作用非常大，可以考虑采取供油延迟（也就是减小供油提前角）的方法来直接降低NOx的排放。

在所选定的供油提前角（8゜CA左右），缸内最大爆发压力符合设计要求，以保证柴油机的可靠性；最大压力升高率较小，有利于燃烧噪声降低；燃烧持续期适宜，保证了较好的燃油经济性。

合理的匹配喷油器和喷油泵是改善燃烧过程、降低排放的重要手段。

在发动机的全部运行工况下，应该综合考虑发动机排放特性和经济性、动力性，选择各工况下最佳EGR率。

在适当降低NOx排放的同时，要兼顾其它排放物，尤其是微粒排放的劣化。

FueleconomyandexhaustemissionsarethemainresearchprojectofI.C.Engines.WiththeestablishmentofemissionsregulationinChina,it’sthefirstaimofdieselenginemanufacturerstolowertheexhaustemissions.Themajortaskofthispaperistostudytheinfluencesofturbo-charging,EGRandoptimalmatchingonengineperformances,especiallyemissionsbasedona6102BQdieselenginemanufacturedbyD.C.D.（DongfengChaoyangDieselEngineCorporationLtd.）,andtosupplyessentialbasisforloweringemissionsofthedieselengine.Thepresentdevelopmentconditionsofautomotivedieselengines,andtheeffectivemeasurestoraisepowerandfueleconomy,especiallytoloweremissionsofdieselengineswerefirstdealedwithinthispaper.Then,themainexperimentalresearchworkofthepaperwasintroducedasfollows.Improving6102BQto6102BZQbyusingturbo-chargingtechnology,testingofcombustionprocessinalloperatingconditionswithdifferentfuelsupplyadvanceangles,injectorsandinjectionpumps,andemissionstestandoptimalmatchwerecarriedoutinordertoexploretheinfluencesofthesesystemsandparametersonenginepower,fueleconomyandemissionsandprovidethebasisforoptimiseddesignandrationalmatch.Onthebasisofabove-mentionedresearch,theexperimentalstudyofapplyingEGRtechnologyto6102BZQenginewasaccomplished,andthelawoftheeffectofEGRontheenginepower,fueleconomyandemissionswasachieved.Thetheoricalandexperimentalstudiesindicatesthat,giveconsiderationtoenginepowerandfueleconomy,theefficiencyofturbo-chargershouldberaisedashighaspossibletoincreaseairsupplyfordecreasingemissions.Theaimofcombustionprocessoptimizingistodecreasepre-mixedburnproportionandtoimprovediffusecombustion.DecreasingadvancehasgreatparttolowerNOxemission,soit’sfeasibletolowerNOxstraightlybypostponingfuelsupplytiming.Atchosenfuelsupplyadvanceangle（about8゜CA）,themaximumbreakpressurein-cylinderaccordswithdesigndesiretoguaranteethereliabilityofengine,themaximumpressureincreasingrateissmallerandfavorsdecreasingofcombustionnoise,combustionlastingperiodissuitabletogetwellfueleconomy.Rationalfittingoffuelinjectionpumpandinjectorisanimportantmeanstoimprovecombustionprocessandloweremissions.TheoptimalEGRratioshouldbechosenconsideringallofpower,fueleconomyandemissionsinallworkingconditions.YoumustconsiderthedeteriorationofothersespeciallyparticulatewhenloweringNOxemission.

内燃机消耗的能源占世界石油消耗的60%,石油危机这个全世界都关注的问题在中国犹为严重.我国石油储量仅占世界的2.4%,2000年我国30%的石油消耗需要进口,而且石油进口的需求越来越大,2003年中国原油净进口超过9112万吨，2004年中国将可能取代日本成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。

中石油研究报告预测，2005年、2010年、2015年和2020年中国原油需求分别为2.7亿吨、3.10亿吨、3.5亿吨和4.0亿吨。

从环保方面看,随着汽车工业的发展,汽车尾气已经成为城市环境污染的一个主要来源.北京（原北方）交通大学特聘教授、“长江学者”吴建平说，汽车尾气排放已经成了城市空气污染的罪魁祸首之一。

在北京、上海等一些工业废气较少的城市，汽车排放的尾气量已经达到甚至超过城市废气总量的60％。

汽车尾气排放造成的大气污染损害人们的身体健康,CO是燃油不完全燃烧的产物，对人的健康危害较大。

HC主要是燃油蒸发及不完全燃烧的产物，由200多种不同的成分构成，含有致癌物质。

NOx是在燃烧室高温高压条件下，由氮和氧化合而成，排放到大气后变成

（二氧化氮），其毒性很强，对人及植物生长均有不良影响，是形成酸雨及光化学烟雾的主要物质之一。

PM主要成分是碳烟，上面附有大量化学物质，包含致癌物质，吸入人体后会在肺部长期停留。

尽管受上述两个问题的困扰,我国的汽车保有量还是每年以大于10%的速度增长。

如何针对我国的能源和环境现状,解决汽车工业的飞速发展带来的能耗和排放问题与能源资源和环保之间的矛盾是汽车工作者要完成的一项重大任务。

于是改变汽车能耗结构,发展汽车清洁代用燃料以实现发动机的高效清洁燃烧成为了我国能源与环境研究中的一项重大而紧迫的课题。

一般来说，代用燃料应该具备以下特点:

来源广;成本低;燃烧热值应该满足内燃机的要求;有较好的排放特性;对燃料供给系统的结构改进小,技术上可行;能量密度高,便于储存;对内燃机的可靠性无不良影响【1】。

1.2国内外柴油机代用燃料的研究状况

柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。

由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。

因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。

同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。

依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。

近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。

实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOX排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。

柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。

通过分析柴油机喷油规律得到：

喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。

提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。

经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。

现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。

随着国际上日益严格的排放控制标准（如欧洲Ⅳ、Ⅴ标准）的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。

现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。

柴油机比汽油机的热效率高,多用于载货汽车,工程机械，矿山车辆等场合,负荷率高,研究者长期致力于柴油机的性能提高的研究。

柴油机的发展受到排放问题的制约。

近年来，人们的环保意识越来越强，排放法规越来越严格。

柴油机排放控制的难点是排气中的NOx与碳烟的矛盾关系，减少其中的一项会导致另外一项的增加。

这主要是由于NOx与碳烟的生成受到温度和混合气浓度的影响。

解决这一问题的有效方法是在柴油中加入含氧燃料或用含氧燃料代替柴油。

目前国内外研究者对含氧燃料的研究投入了极大的热情。

如王贺武【2】等人做了柴油机燃用二甲醚（DME）的排放研究，结果表明柴油机燃用DME时几乎无碳烟排放。

黄佐华【3】【4】在柴油机上分别做了燃用DME和变供油提前角下燃用柴油/甲醇混合燃料的燃烧和排放特性的研究，研究表明，燃用DME的柴油机具有较高的热效率，较短的预混燃烧期和快速的扩散燃烧期，这种结果的优点是拥有低噪音和零碳烟排放燃烧；柴油机燃用柴油/甲醇混合燃料时预混燃烧增加，变供油提前角下滞燃期，急燃期，以及总燃烧期随供油提前角的增加而增加。

1.2.1醚类燃料

目前研究得比较热的醚类燃料主要有二甲醚和二甲氧基甲烷等。

（1）二甲醚

二甲醚（Dimethylether），简称DME，是一种含氧燃料，它无毒性，常温常压下为气态，常温时可在五个大气压下液化，具有与液化石油气相似的物性。

二甲醚无C-C链，其十六烷值大于55，具有优良的压燃性，非常适合于压燃式发动机，用作为柴油机的代用燃料。

国内外相关研究表明燃用二甲醚燃料的发动机，在保持原柴油机高热效率前提下，可使氮氧化物有大幅度降低，碳烟排放为零，没有任何加速烟度，发动机燃烧噪声可降低10dB（A）左右。

使发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放具有达到世界上最严格的美国加州超低排放车（ULEV）标准的潜力。

显示了二甲醚燃料可十分理想地作为洁净代用燃料，实现柴油机汽车高效率、低噪声、超低排放的前景。

由于DME燃料的卓越性能，二甲醚燃气汽车技术已引起到西方发达国家政府和专家高度重视。

最近二年西方发达国家、日本和韩国纷纷开始研制开发燃用二甲醚的燃气汽车。

国内上海交通大学、西安交通大学也正在进行有关研究。

 同时从二甲醚燃料衍生或有关的具有较高沸点的含氧燃料，如Dimethoxymethane（DMM）,Diethyleneglycoldimethylether（DGM）,Diemethylcarbonate（DMC），Diethylsuccinate（DES）等，近几年也受到发动机研究者的高度兴趣和重视，利用上述含氧燃料与柴油制成混合燃料可显著改善柴油机碳烟排放。

为今后汽车燃料的设计与多样性，进而实现对燃料雾化、着火、燃烧和有害排放的控制提供了新途径。

二甲醚燃料的制取可以煤、天然气、生物有机物等为原料产生合成气一氧化碳、二氧化碳和氢气，然后常规通过二步法先制得甲醇，进一步脱水制成二甲醚。

近年来丹麦Topsoe公司等成功地开发出了以天然气为原料产生合成气，由合成气一步法高效制备二甲醚的工艺，大大降低了二甲醚的生产成本。

但是，DME在常压下是气态，这就要对燃用DME的发动机结构进行改造，同时要对装有这种发动机的车辆进行相应的改造以实现燃油供给系统的要求。

二甲氧基甲烷（DimethoxyMethane）,简称DMM，又名甲缩醛，甲醛缩二甲醇。

无色澄清易挥发易燃液体，有氯仿臭和刺激味。

可有甲醇和甲醛在浓硫酸作催化剂条件下反应制得。

DMM的一大优点是溶解性好，可于醇类，醚类，丙酮等互溶，能溶解树脂和油类，溶解能力比丙酮，乙醚还强，16℃是在水中的溶解度是32.3%（WT），水在DMM中的溶解度是4.3%（WT）

物性燃料

柴油

DME

DMM

化学分子式

分子量

190

46.07

76

液体密度（g/

）

0.834

0.668

0.860

十六烷值

45

＞55

30

低热值（MJ/kg）

42.5

28.9

22.4

汽化潜热（kJ/kg）

260

410

385

沸点（℃）

180－330

－24.9

43

液体粘度（mP·s）

3.44

￣1.131

0.34

表面张力（mN/m）

32.9

12.4

24.8

含氧量（wt%）

0

34.8

42.1

表1–1柴油和两种代用燃料的物性参数

1.2.2醇类燃料

醇类燃料是烃基和羟基（–OH）组成的化合物,作为内燃机代用燃料主要的主要是甲醇和乙醇。

这两种燃料来源广。

乙醇可从粮食，纤维素等可再生生物资源中提取。

2001年4月国家推广应用车用乙醇汽油试点项目之一-20万吨变性燃料乙醇项目，在南阳天冠集团公司正式投产，河南省政府在部分地区开始车用汽油醇应用的示范。

在长春一个用玉米为原料、年产60万吨燃料乙醇工程已开工，这是我国目前最大的燃料乙醇生产项目，生产规模在世界范围也位居前列。

甲醇可从煤、木材、天然气、石油伴生气、植物秸杆，甚至是燃料垃圾的物质中提炼或合成，我国是世界第一产煤大国，南北林区也很广阔，可用工业方法大批量生产工业甲醇，虽然比化学甲醇浓度低，但完全可以符合内燃机燃料的燃烧要求。

醇类燃料具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点。

作为汽车燃料，醇类燃料自身含氧，在发动机燃烧中可提高氧燃比，CO和HC的排放较汽油和柴油的低，几乎无碳烟排放；另外，由于汽化潜热高，可降低进气温度，提高充气效率，使最高燃烧温度低，发动机的NOx排放较低。

乙醇燃料以掺烧或纯烧方式已成功地用于汽油机上，汽油醇（gasohol）混合燃料在巴西、美国已应用许多年，技术上已十分成熟。

乙醇在柴油机上应用要远逊于在汽油机上的应用，其主要原因是柴油与乙醇不能互溶，掺烧困难，此外乙醇燃料十六烷值低，在柴油机上需用柴油引燃或点火塞点燃，要对燃烧系统做较大改动。

乙醇与柴油作为混合燃料的困难是与柴油不互溶，目前国内外有关机构正在研制帮助乙醇与柴油互溶的助溶剂，生成柴油醇（diesohol），这样可以在发动机不作改动或是很少改动的情况下使用柴油醇燃料，满足发动机经济性，动力性和环保的要求。

研究表明加入1％的助溶剂和10％－15％乙醇的柴油醇燃料，发动机微粒与一氧化碳排放显著降低，发动机500小时耐久性试验后，发动机的燃油系统、机械磨损都正常，主要配合间隙没有超差，柴油醇在发动机上的应用将具有很大潜力。

甲醇沸点比柴油低,混合气形成快又均匀，含氧量高，可降低HC及CO的排放，几乎没有微粒排放，燃烧最高温度低，高温停留时间短，有利于降低

。

但是发动机使用甲醇燃料，会产生有毒的醛类排放。

此外甲醇对人体毒性较大，它对金属有腐蚀作用，对橡胶皮革有溶涨作用，会使塑料提早老化，这些缺点使甲醇在实际应用中受到了较大限制。

甲醇和乙醇的着火特性主要涉及到燃料的挥发性、沸点、汽化热、闪点、着火温度、活性能、辛烷值、十六烷值、蒸汽压、比热容、粘度、表面张力、导热率等。

表1–2是甲醇，乙醇及柴油的参数对比。

表1–2甲醇，乙醇，柴油着火特性相关参数

特性燃料

甲醇

乙醇

柴油

低热值/（MJ/kg）

19.92

26.78

42.68

理论混合热值/（MJ/kg）

2.674

2.834

2.753

理论空燃比A/F/（kg·kg

）

6.45

8.45

14.3~14.6

粘度（20℃）/（MPa·s）

0.611

1.20

3.0~8.0

沸点/（K）

338

351.5

453~603

凝固点/（K）

175

159

272.5

闪点/（K）

284

286

193

辛烷值RON

110

100

20~30

十六烷值

3

8

40~50

着火温度/（K）

743

636

473~493

着火界限/（