二甲醚燃料在柴油机上的应用研究

第17卷 第3期2009年9月山东交通学院学报

J OURNAL OF S HANDONG JI AOTONG UN I VERSI TY V o.l 17No .3

Sep .2009

收稿日期:2009-01-29

基金项目:华侨大学科研基金资助项目(08H Z R11)

作者简介:廖水容(1982)),女,福建龙岩人,华侨大学助教,工学硕士,主要研究方向为车辆能源与污染控制.

DOI :10.3969/.j issn .1672-0032.2009.03.005

二甲醚燃料在柴油机上的应用研究

廖水容

(华侨大学机电及自动化学院,福建厦门 361021)

摘要:介绍二甲醚燃料的理化性质和特点,阐述二甲醚在柴油机上的研究现状,并指出今后的研究方向。二甲醚燃料能够实现发动机高效、超低排放和柔和压缩燃烧。能够彻底消除柴油机的碳烟,大幅降低N O x 排放,燃烧噪音可降低10~15d B 。柴油机使用二甲醚作为代用燃料可以节约石油资源,减少排放污染。关 键 词:柴油机;二甲醚;燃烧;排放

中图分类号:U473 文献标识码:A

文章编号:1672-0032(2009)03-0018-05

在能源危机和环境保护的双重压力下,人们对高效能、低污染动力源的需求与日俱增,对柴油机性能的要求越来越高。传统车用柴油机在燃烧过程中无法同时降低NO x 和碳烟的排放,降低NO x 就必须降低燃烧温度,不利于碳烟的氧化反应,会使碳烟排放量增加,在这种情况下,二甲醚(d i m ethyl e t h er ,D M E )作为压燃式柴油发动机的代用燃料引起了国内外的广泛关注。

1 二甲醚简介

为适应排放的要求,各国在各相关领域进行了大量的研究工作,代用燃料如醇类、天然气(C NG ,L NG )、液化石油气(LPG)等作为重要的解决途径得到了相应的发展。而二甲醚燃料是近年来国际上新出现的超低排污代用燃料。有关二甲醚的研究起步于20世纪90年代初期,到目前为止,仍处于初步探索阶段。研究表明,二甲醚十六烷值高,容易着火,非常适合作柴油机的代用燃料,能够实现柴油机高效、超低排放、柔和无烟燃烧,可以满足欧III 排放标准和美国加州超低排放车辆(ULE V )标准,同时燃烧噪声比原柴油机低15dB(A )。

二甲醚与柴油以及其它代用燃料的理化性质比较如表1[1]

所示。

2 研究现状

2.1 国外

2.1.1 二甲醚作为压燃式发动机的助燃剂

早期二甲醚在柴油机上主要作为甲醇助燃剂。这是因为二甲醚的十六烷值高、自燃性好,少量二甲醚在进气行程进入气缸,在压缩行程后期先行燃烧,使气缸内温度升高,对甲醇的着火起到促进作用。文献[2]对二甲醚作为醇类发动机着火剂的研究试验表明,二甲醚能有效实现甲醇发动机的压燃,与柴油机相比,燃烧热效率提高,NO x 排放量下降,同时降低了C O ,H C 排放。2.1.2 二甲醚作为柴油机的代用燃料

自20世纪90年代以来,各大内燃机公司和研究所开始在柴油机上直接燃用纯二甲醚以及与其它燃

料的混合燃料的实验研究,取得令人满意的结果。自1990年起,丹麦的H a l d or Topsoe A /S 公司和丹麦科技大学合作,在1台排量为01273L 的自然吸气式小型柴油机上第1次将二甲醚作为燃料进行了试验。结果表明,二甲醚发动机与柴油机具有近似相同的热效率,其C O 和H C 的排放与柴油机相近,NO x 排放有较大幅度的下降,而碳烟的排放接近于零,同时发动机噪音也有明显降低

[3]

。

表1 二甲醚与柴油及其它代用燃料理化性质的比较

燃 料分子式相对分子质量

沸点/e 蒸汽压

/MPa 液态密度/(g #c m

-3

)

液态粘度

/(@104

Pa #s)

低热值/(M J #kg

-1

)

空气中

爆炸极限/%二甲醚C H 3)O )C H 3

46-24.90.51

0.6680.1527.63.4~17.0柴 油C x H y 190~220

180~360

0.840

3.0042.50.6~6.5LPG C 3H 844-420.840.10

46.50.6~6.5C NG C H 416-160.210.59046.52.4~9.5甲 醇C H 3)OH 32650.320.79019.5

5.5~26乙 醇C 2H 5)OH 5878.50.320.810 1.202

6.774.3~19

燃 料

着火温度

/e

十六烷值理论空燃比/(kg #kg

-1

)汽化潜热/(k J #kg

-1

)

碳的质量

分数/%氧的质量

分数/%氢的质量分数/%二甲醚23555~609.0410(20e )

460(-20e )

52.234.813.0柴 油25040~55

14.6250

86.0014.0LPG 48115.781.8018.2C NG 65017.275.0025.0甲 醇4505 6.5111037.550.012.5乙 醇

420

89.5

940

52.2

34.8

13.0

日本广岛大学、茨木大学对二甲醚的喷雾特性及在柴油机上的燃烧特性进行了研究,发现与纯柴油相比,二甲醚喷束的喷雾锥角大,贯穿距离短。日本NKK 公司在1台由316L 柴油机稍加改装后的发动机上燃用二甲醚,实验表明碳烟排量几乎为零,与柴油机相比,NO x 排放量约下降了25%,发动机在启动、加速、停机时的响应与柴油机一样快。在日本工贸部、交通部的ACE 计划的支持下,H i n o 发动机公司正进行二甲醚汽车发动机的开发工作。

[4]

1997年,文献[5]在1台01638L 柴油机上进行燃用二甲醚试验,研究了启喷压力对针阀升程及喷射的影响。采用氮气瓶给二甲醚加压,二甲醚燃料供应系统压力为3143MPa 。研究发现,当启喷压力为6186MPa 时,喷射始点提前,针阀回位时有反复起跳现象,不易复位;而启喷压力为8182MPa 时,则喷射正常。可见,启喷压力对二甲醚发动机的喷射规律影响显著。研究还发现,二甲醚的喷射延迟角比柴油大,喷射持续期也比柴油长

[6]

。

1998年,S Ka jitan i 等采用在二甲醚中掺入CO 2的方法降低NO x 排放[7]

。

1999年,H okkaido 大学的M A la m 等采用Co 2A lum i n a 和Sn 2A l u m i n a 催化剂降低二甲醚发动机的NO x

排放以及废气中的一些未燃烧成分

[8]

。

2004年,日本产业技术综合研究所(A IS T)将1台自然吸气6缸柴油机改造成二甲醚发动机并进行试验研究,结果表明,二甲醚发动机具有高功率、低噪声、超低排放等优点[9]

。

日本广岛大学、茨木大学的佐藤由雄、野田明在1台1053四冲程单缸直喷发动机上进行了二甲醚燃

料的燃烧和排放特性试验,得到了比较全面的试验结果

[10-11]

:

1)喷雾特性

¹与柴油喷雾相比,由于二甲醚雾滴小,蒸发速度快,所以喷雾到达的距离较小,造成二甲醚的碰壁油量较少,喷雾锥角较大。二甲醚从喷嘴喷出后蒸发很快,表现出明显的闪急喷雾特性,其破碎期

19

第3期 廖水容:二甲醚燃料在柴油机上的应用研究