二甲醚燃气发动机供油系统关键技术分析(下)

    3.4生产成本高

    传统的二甲醚生产技术是采用甲醇脱水法,产量很低且成本较高。相对来说,这种方法简单,然而对小规模生产而言,二甲醚更好的方法应该是投资少并且原料易得。显然,采用现有方法生产的二甲醚价格比较昂贵。另一方面在常温常压状态下,二甲醚在空气中的爆炸极限也比柴油大,可能存在较大的安全隐患,在生产制备以及使用过程当中,都要预防安全事故的发生。

    虽然在传统柴油机上燃用二甲醚存在以上问题,但对国内柴油机稍加改进,实现在柴油机上掺烧二甲醚是xx可行的。而且采用掺烧的方法,不仅可以降低排放,而且能充分利用二甲醚好的雾化特性和柴油好的润滑特性,解决了燃用纯二甲醚燃油系统磨损问题和泄漏问题,同时也降低了二甲醚的低产量和高价格所引起的负担。

    4供油系统关键技术

    二甲醚与压燃式发动机的传统燃料有着较大的差异,因此要在实际应用中使柴油机达到较好的性能,柴油机的供油系统就要作相应的改进。

    4.1液化技术

    在柴油机上使用二甲醚是将二甲醚由液态喷入气缸中的,但由于二甲醚本身是气态,沸点为-2520条件下加压到0.53MPa可使其液化。为使二甲醚在常温下保持液态,必须对二甲醚的燃油箱加压,现阶段一般是采用图1中的氮气瓶与盛装二甲醚的燃油箱相连,使二甲醚在氮气背压的条件下保持液态。这样的系统显得复杂笨重,不便于二甲醚的装车实验。如何使二甲醚在简化的装置中液化并保压是实现二甲醚发动机装车的一个重要步骤。

    AVL公司研发了一种新的双流体热力学泵。如图3所示,该双流体热力学泵中加入丙烷(CH3CH2CH3),由于丙烷与DME分子结构相近,同温度下饱和压力略高于DME,在双流体热力学泵中用一个薄膜将两种物质分开,依靠它们间的热力学特性差异就可使油箱中的DME保持液态,并提供DME流向喷油泵的动力。且由于热力学性质的差异,二甲醚将保持过冷状态,这样就降低了输油管道中气阻产生的可能性,简化了燃油系统。

    4.2存储装置

    二甲醚存储装置是用来存储二甲醚的容器。为了保证整个系统正常工作,二甲醚存储装置内的压力需保持在1.5MPa左右,这就要求容器密封良好并具有一定的承压能力。同时,由于存储容器具有一定的压力,应该相应的安装安全阀,当压力和温度超过设定值后,安全阀应能自动泄压。因此在二甲醚的使用过程中,要注意防止二甲醚的逸出,可以通过保证良好的通风条件来预防安全事故的发生。

    4.3喷射系统

    由于二甲醚具有良好的雾化、蒸发及与空气混合的性能,采用较低的喷油压力就能满足发动机的要求。研究表明,喷射压力只要达到20MPa-30MPa就能够获得满意的功率、燃油消耗率和排放。

    二甲醚的循环供油量大,因此其要求的喷油嘴的形式不同于一般柴油机。另外,研究表明,二甲醚的滞燃期短,供油提前角也将小于柴油。

    在同样的情况下,为使发动机燃用二甲醚的功率恢复到原机水平,必须增大供油量。柱塞直径和柱塞的有效行程决定着发动机每循环喷油量,直接影响发动机功率。但较大的柱塞行程将导致过长的喷油持续期和严重的后燃,使排温升高,发动机热效率下降,因此不宜过度增大柱塞行程来提高发动机功率。增大喷油量的另一条途径是采用大直径柱塞,由于大直径柱塞有利于缩短喷油持续期,减少后燃,提高能量利用率,因此增大柱赛直径可以提高发动机的热效率。

    为此,AVL公司对现有各种喷射系统作了全面分析,发现共轨式喷射系统比较适合燃用DME,并提出DME喷射系统应着重解决以下几个问题:

    1)DME的沸点低,室内温度低,故油路中要加压,以防止发生气阻现象;

    2)DME的密度和热值较柴油低,为保持原机的动力性不变,必须增加DME的供油量;

    3)为降低NOX排放和燃烧噪音,着火延迟期的喷油量要少且喷油速率要可调。

    4.4润滑剂的选择

    由于柴油机供油系统零部件的润滑主要是运动副表面的润滑。理想的润滑剂要求有足够的粘度,润滑剂的分子与其接触的金属表明有较强的吸附能力,且润滑剂本身的分子间应有较强的内聚力,这样在燃油流过的时候就能在接触表面形成稳定的润滑油膜。

    研究表明,极性长链的醇类物质和C15-C20范围内的脂肪酸是改善二甲醚润滑性能的良好添加剂,实验中通常采用加入一定量脂肪酸(蓖麻油等)的方法来改善二甲醚的润滑。另外,通过掺烧不同比例柴油的方法,也能加大二甲醚的粘度,如宾夕法尼亚外州立大学开发了一套用柴油做粘性润滑添加剂的DME燃料供给系统,并成功应用在校园公交车上。

    4.5橡胶塑料附件的老化

    二甲醚xx,对金属无腐蚀,在储运方面无特殊要求。但二甲醚对普通橡胶和塑料制品有腐蚀作用,长期使用会使橡胶老化失效,因此对燃油供给系统的橡胶附件,应选择耐二甲醚腐蚀的特殊材料。Jeff A.Foster等人设计了一种新的橡胶涂层粉状聚合材料(F-50),实验证明,将这种材料涂在传统的多层金属衬垫上,并施加一定负荷,涂层可以经受住长期与流体接触、高温和摩擦,且涂层材料能流入粗糙的表面,实现良好密封,降低了多层金属衬垫对密封面光滑度的要求。这种新型材料有望在DME供油系统中得到推广应用。

    5结论

    二甲醚是压燃式发动机的理想清洁代用燃料,但由于二甲醚的特点,在传统的压燃式发动机上应用二甲醚时,应根据二甲醚燃料的特殊理化性质,对二甲醚燃料供油系统作相应的改进。如针对二甲醚燃料的高压缩性、粘度小及对燃油系统橡胶和塑料密封件的腐蚀、燃料系统的润滑、密封和磨损问题要专门考虑;针对二甲醚密度和热值低,在热效率相等情况下,要发出同等功率,二甲醚的喷射量必须增大,因此供油和喷射系统要做适当的调整,包括增大柱塞直径、调小供油提前角以及采用较低的喷油压力等;随着电喷技术的进步,也应逐步开展二甲醚电控共轨式燃油喷射系统的开发。具体到对二甲醚的车载改装的时候,可以参考借鉴LPG改装技术,因为LPG与二甲醚在性质上存在较多共同点。

    随着研究的进一步开展和深入,新的适合二甲醚使用的发动机电控系统的开发和配套设施也在不断完善,供油系统的润滑和泄漏问题正在逐步解决,二甲醚作为车用燃料已开始进入实用阶段,上海市就已经将装载DM巨发动机的公交车投入使用。伴随二甲醚发动机供油系统的新技术的发展,二甲醚发动机的实用化正在来临。



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