二甲醚燃料在柴油机上的应用研究
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第17卷 第3期2009年9月山东交通学院学报JOURNALOFSHANDONGJIAOTONGUNIVERSITYVo.l17No.3Sep.2009
收稿日期:2009-01-29基金项目:华侨大学科研基金资助项目(08HZR11)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/.jissn.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NOx排放,燃烧噪音可降低10~15dB。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NOx和碳烟的排放,降低NOx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(dimethylether,DME)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(CNG,LNG)、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(ULEV)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,NOx排放量下降,同时降低了CO,HC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HaldorTopsoeA/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CO和HC的排放与柴油机相近,NOx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#cm-3)液态粘度/(@104Pa#s)低热值/(MJ#kg-1)空气中爆炸极限/%
二甲醚CH3)O)CH346-24.90.510.6680.1527.63.4~17.0
柴 油CxHy190~220180~3600.8403.0042.50.6~6.5
LPGC3H844-420.840.1046.50.6~6.5CNGCH416-160.210.59046.52.4~9.5甲 醇CH3)OH32650.320.79019.55.5~26
乙 醇C2H5)OH5878.50.320.8101.2026.774.3~19
燃 料着火温度/e十六烷值理论空燃比/(kg#kg-1)汽化潜热/(kJ#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25040~5514.625086.0014.0LPG48115.781.8018.2CNG65017.275.0025.0甲 醇45056.5111037.550.012.5乙 醇42089.594052.234.813.0
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,NOx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,Hino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,SKajitani等采用在二甲醚中掺入CO2的方法降低NOx排放[7]。
1999年,Hokkaido大学的MAlam等采用Co2Alumina和Sn2Alumina催化剂降低二甲醚发动机的NOx
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(AIST)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 短,只有012~014ms,远比柴油小。二甲醚喷雾体的平均当量空燃比比柴油大,表明二甲醚更易与空气充分混合。º随着环境介质密度(压力)的增大,加大了对喷雾的阻力,二甲醚的喷雾贯穿度减小,喷雾锥角增大。»当保持喷孔长度不变时,随着喷孔直径的增大,喷雾贯穿度增大,喷雾锥角增大。¼当喷嘴启喷压力从1010MPa提高到1510MPa时,二甲醚的喷雾贯穿度和喷雾锥角没有明显变化。这表明二甲醚在较低的喷油压力下能获得高喷射压力下的特性,因此使用二甲醚作燃料可以采用较低的喷射压力,从而减少驱动燃油喷射系统所消耗的功率,减轻燃油喷射系统的磨损。2)火焰特性二甲醚发光滞燃期比柴油短,火焰光远比柴油弱,在出现明显火焰之前发生了较为强烈的焰前反应,并放出大量的热使缸内压力升高。二甲醚的大部分着火点位于壁面附近或油束的中上部,之后火焰再顺着油束向喷嘴方向发展。这是由于燃烧室中心位置的气流线速度较小,大量二甲醚蒸发吸收热量使得中心位置附近区域的工质温度较低,而在壁面附近由于空气附面层的作用,气流运动较弱,燃烧前反应的热量损失小,热量容易积聚,所以二甲醚着火点更易出现在靠近壁面的位置。二甲醚火焰光的持续期比柴油要短。一方面是由于柴油燃烧时产生的碳粒辐射使柴油火焰光强,火焰光容易拍摄到;另一方面,在二甲醚燃烧后期,由于放热量少,火焰不容易拍摄。3)燃烧特性和柴油相比,二甲醚着火滞燃期短。二甲醚的压升滞燃期比发火滞燃期明显短,而柴油的压升滞燃期与发火滞燃期几乎相等。二甲醚着火位置靠近燃烧室壁面,出现火焰光时火焰面积比柴油大,向燃烧室的扩展速度更快,这是由于二甲醚十六烷值高,在合适的反应条件下,有更快的燃烧反应速度。但是,由于燃料体积流量大和不合适的空气涡流导致二甲醚与柴油的燃烧持续期几乎一致。4)排放特性¹NOx。柴油机燃用二甲醚能有效降低发动机NOx排放和燃烧噪声,NOx排放可降低50%。用3孔
喷嘴在大负荷运行时,扩散燃烧是主体,与5孔喷嘴相比NOx排放较小。
º碳烟。柴油燃烧的中后期,缸内有大量的碳烟生成,而二甲醚燃烧过程中没有碳烟产生,柴油机燃用二甲醚可以完全消除碳烟排放。»CO和HC。为了控制CO和HC的排放,小负荷运行时,细化二甲醚喷雾液滴是有利的。大负荷运行时,抑制燃料的初期蒸发、增加喷雾贯穿距离、扩大喷雾间隔角和提高空气利用率是必要的。大负荷运行时,对喷孔直径小的5孔喷嘴应提高进气涡流比,对喷孔直径大的3孔喷嘴应提高其燃料喷射率,以降低CO和HC的排放。因此,使用二甲醚燃料的发动机可以同时降低NOx和碳烟的排放。
2.2 国内2.2.1 二甲醚作为柴油机代用燃料的研究1)二甲醚燃料喷射过程文献[12]采用2135非增压水冷直喷式柴油机的燃油系统,对系统进行密封和加压处理;同时,为保证在燃用二甲醚时,发动机输出功率能恢复至原机水平,对系统中的一些技术参数进行了调整。对二甲醚燃料喷射过程,包括二甲醚燃料的泵端、嘴端油管压力和针阀升程、音速、闪急沸腾雾化现象和燃烧过程及二甲醚发动机的可靠性进行了深入系统的研究。试验结果如下:¹油管压力实测结果表明,在相同供油提前角、转速和负荷的情况下,使用二甲醚时的泵端和嘴端油管压力峰值均比使用柴油时的小,且油管压力上升和下降均比柴油的缓慢。º由于喷孔流通面积、启喷压力和燃料性质不同,使用柴油时喷油器针阀升程曲线近似为一矩形,使用二甲醚时大部分工况针阀升程曲线近似为三角形,且针阀初期上升和末期下降速度均比柴油的缓慢。
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