二甲醚柴油混合燃料互溶性試驗(yàn)研究

二甲醚柴油混合燃料互溶性試驗(yàn)研究

隨著世界環(huán)境的惡化和排放法律法規(guī)的日益嚴(yán)格，我們必須努力降低汽車燃料的性能。機(jī)顆粒和NOx排放的措施已成為內(nèi)燃機(jī)研究的一項(xiàng)重要課題.二甲醚(DME)作為壓燃式柴油機(jī)的清潔代用燃料近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.研究表明,二甲醚能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效、超低排放、柔和和無(wú)煙燃燒.在柴油中添加低比例的二甲醚構(gòu)成混合燃料,可以充分利用二甲醚的霧化性能好和柴油的潤(rùn)滑性,解決純二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的磨損和泄漏問(wèn)題,且仍然能夠同時(shí)大幅度降低NOx和顆粒排放.本文進(jìn)行了幾種不同配比的二甲醚/柴油混合燃料的互溶性及發(fā)動(dòng)機(jī)性能的試驗(yàn)研究,目的是尋求二甲醚在柴油中合適的添加比例,使柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)參數(shù)在盡量不作改動(dòng)的情況下燃用混合燃料并獲得良好的性能.1甲醚/柴油混合燃料的互溶性由于二甲醚的理化性能與柴油存在差異,在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前需要進(jìn)行柴油與二甲醚的互溶性試驗(yàn)研究.本文主要開(kāi)展了不同比例的二甲醚/柴油混合燃料的飽和蒸氣壓力和濁點(diǎn)(即臨界互溶點(diǎn))的測(cè)量,從而確定混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的安全溫度和輸運(yùn)壓力范圍.1.1飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體,并且高壓油泵在往復(fù)泵油時(shí)摩擦生熱,試驗(yàn)測(cè)定,發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在標(biāo)定工況時(shí),在有較大量回油的情況下,高壓油泵油腔內(nèi)燃油的溫度在40℃左右.因此,必須測(cè)量混合燃料飽合蒸氣壓與溫度之間的關(guān)系,以便對(duì)混合燃料供油系統(tǒng)增加足夠的壓力,才能保證混合燃料以液體狀態(tài)進(jìn)入高壓油泵,保證油路中無(wú)氣阻現(xiàn)象.分別將純二甲醚以及不同比例的二甲醚/柴油混合燃料裝入耐壓極限為3MPa、容積為0.1L的特制石英容器內(nèi),放入恒溫槽,通過(guò)溫度控制系統(tǒng)和壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得純二甲醚和混合燃料的飽和蒸氣壓pG隨環(huán)境溫度Ta的變化關(guān)系曲線如圖1所示.由圖可以看出,二甲醚/柴油混合燃料的飽和蒸氣壓相對(duì)純二甲醚大大降低.隨著二甲醚添加比例的增大,二甲醚/柴油混合燃料的飽和蒸氣壓上升.發(fā)動(dòng)機(jī)燃用二甲醚/柴油混合燃料時(shí),低壓油路的壓力可根據(jù)圖1利用壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)定在0.5~0.7MPa左右.1.2混合燃料的選擇在環(huán)境溫度降低到混合燃料濁點(diǎn)以下后,二甲醚和柴油混合將出現(xiàn)不能互溶的現(xiàn)象,外觀表現(xiàn)為燃料中出現(xiàn)絮狀物并渾濁,此時(shí)的燃料由于流動(dòng)性差,無(wú)法保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作.通過(guò)溫度控制系統(tǒng)逐漸降低恒溫槽內(nèi)的溫度,并在每一溫度下保溫幾分鐘,直至通過(guò)觀察窗看到容器內(nèi)的混合燃料出現(xiàn)絮狀物,將此時(shí)的溫度作為燃料的濁點(diǎn),得出二甲醚與0#柴油混合溶液的濁點(diǎn)隨二甲醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖2所示,圖中Tcr為臨界互溶溫度.柴油中所摻入二甲醚組分越多,混合燃料的濁點(diǎn)較柴油降低越明顯.當(dāng)混合燃料中二甲醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí),燃料的濁點(diǎn)可以降低到-6℃.由此可見(jiàn),混合燃料可以較柴油在更低的溫度下使用,從而有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力.2燃料供給系統(tǒng)系統(tǒng)試驗(yàn)所用柴油機(jī)為無(wú)錫柴油機(jī)廠生產(chǎn)的CA4113柴油機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)如下所述:缸徑、行程分別為113、125mm,4缸,排量為5.014L,壓縮比為17,供油提前角為14°.本試驗(yàn)對(duì)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造:儲(chǔ)油箱采用車用液化石油氣儲(chǔ)罐;將原有回油系統(tǒng)的塑料油管改為銅管,以承受一定的壓力;原機(jī)中紙質(zhì)濾清器更換為專用耐壓耐腐蝕的細(xì)濾器;考慮原機(jī)低壓輸油泵的輸油壓力和密封性,在新燃油系統(tǒng)中使用專用轉(zhuǎn)子輸油泵.圖3為本試驗(yàn)臺(tái)架安裝系統(tǒng)示意圖.試驗(yàn)中采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的AVLDigas4000發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx、CO和HC排放.煙度測(cè)量采用AVLDiSmoke4000部分流不透光煙度計(jì).3發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能試驗(yàn)比較試驗(yàn)比較了柴油機(jī)燃用柴油和D10、D15、D20、D30燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能,比較了供油提前角優(yōu)化前后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能.試驗(yàn)工況為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性.3.1在原飛機(jī)參數(shù)下測(cè)試3.1.1甲醚密度對(duì)燃料燃燒特性的影響由圖4可以看出,在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),混合燃料中二甲醚含量越大,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率P下降越大.其中D10燃料功率下降約3.5~5kW,D15燃料功率下降約6~7kW,D20燃料功率下降約8~10kW.由于功率下降較大,D30燃料不適合發(fā)動(dòng)機(jī)燃用.混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降的原因是,二甲醚的熱值較純柴油低,導(dǎo)致混合燃料的熱值較純柴油的熱值低,并且由于二甲醚密度小,導(dǎo)致混合燃料循環(huán)供油量的質(zhì)量變小.雖然摻燒二甲醚可以改善柴油的燃燒特性,但此時(shí)混合燃料的功率變化主要取決于燃料熱值降低和循環(huán)供油量減少帶來(lái)的影響.3.1.2二甲醚/柴油混合燃料由圖5可以看出,D10、D15兩種燃料的等熱值燃油消耗率be比柴油的燃油消耗率低.在柴油中添加二甲醚能提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性的原因是,二甲醚中氧的原子量與二甲醚的分子量之比為34.8%,二甲醚/柴油混合燃料由于加入二甲醚使混合燃料在燃燒過(guò)程中具有自供氧能力,并且二甲醚霧化性能好,改善了燃料的燃燒.D20燃油消耗率相對(duì)D10、D15燃料有所升高,這是因?yàn)殡S著混合燃料中二甲醚含量的升高,供油持續(xù)期延長(zhǎng),后燃增加,導(dǎo)致燃油消耗率升高.3.1.3甲醚/柴油混合燃料混合燃料在柴油調(diào)濕由圖6可以看出:在中低負(fù)荷時(shí),不同摻燒比例的混合燃料的碳煙排放與柴油相比變化不大,這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)在此負(fù)荷區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)大,富氧狀態(tài)使燃料燃燒充分,碳煙排放處于很低的水平;在高負(fù)荷時(shí)由于過(guò)量空氣系數(shù)變小,純柴油燃燒時(shí)混合氣的形成與燃燒變差,導(dǎo)致碳煙急劇增加,而此時(shí)混合燃料由于二甲醚含氧及其良好的霧化性能,仍然能保證燃料充分燃燒,從而大幅度地降低碳煙排放,降低幅度達(dá)60%以上,而且碳煙排放隨二甲醚摻燒比例的增加而降低.由圖7可以看出,在柴油中摻入二甲醚可以明顯地降低柴油機(jī)的NOx排放.燃用二甲醚/柴油混合燃料的NOx排放與柴油相比下降了300×10-6,下降幅度達(dá)20%左右.二甲醚/柴油混合燃料能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的原因是二甲醚的自燃溫度低、十六烷值高、滯燃期短、預(yù)混燃燒量少、氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度較低,從而抑制了NOx的生成.其次,二甲醚的氣化潛熱比柴油大,氣化過(guò)程中要吸收大量的熱,使得氣缸內(nèi)的最高溫度下降,這也在一定程度上抑制了NOx的產(chǎn)生.另外,燃用二甲醚/柴油混合燃料的實(shí)際供油角度相對(duì)柴油滯后,延遲供油也降低了NOx排放.3.2模型2:調(diào)節(jié)好燃燒過(guò)程的負(fù)功柴油機(jī)燃用二甲醚/柴油混合燃料后,由于霧化改善,滯燃期縮短,會(huì)使燃燒提前,適當(dāng)?shù)赝七t供油提前角φ可以減小壓縮過(guò)程的負(fù)功,有利于提高熱功轉(zhuǎn)換效率,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出,并對(duì)NOx排放也產(chǎn)生有利的影響.然而,推遲噴油過(guò)多將使燃燒過(guò)程較多地在膨脹過(guò)程中進(jìn)行,不僅會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變壞,排氣溫度升高,同時(shí)煙度等排放也相應(yīng)增加.因此,對(duì)于一定摻燒比的混合燃料,存在最佳的供油提前角,它可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出及排放指標(biāo)處于較好的水平.3.2.1延遲強(qiáng)化后三大燃料功率對(duì)比圖8為供油提前角推遲2°供油后發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油和不同混合比例的燃料外特性功率的對(duì)比.從推遲噴油前后發(fā)動(dòng)機(jī)的功率對(duì)比可以看出,推遲供油能夠提高二甲醚/柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率.當(dāng)推遲2°供油后,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用混合燃料與原機(jī)燃用柴油時(shí)相比:D10燃料功率下降2~4kW,下降幅度為3%~5%;D15燃料功率下降4~6kW,功率下降幅度為5%~7%;D20燃料功率下降7~9kW,下降幅度為8%~10%.3.2.2燃料經(jīng)濟(jì)性對(duì)比圖9為柴油和不同混合比例燃料的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比.通過(guò)推遲噴油前后燃料經(jīng)濟(jì)性對(duì)比可以看出,二甲醚/柴油混合燃料的等熱值燃油消耗率比推遲前有所降低,這是因?yàn)橥七t噴油后減少了壓縮負(fù)功的影響.3.2.3不同可燃性燃料模型的供熱提前角圖10為供油提前角推遲2°時(shí)不同混合比例燃料的碳煙排放對(duì)比.通過(guò)推遲噴油前后碳煙排放對(duì)比可以看出,碳煙排放并無(wú)明顯變化.從圖11可以看出,供油提前角推遲2°后,NOx排放進(jìn)一步降低,與燃用柴油相比下降了500×10-6,下降幅度達(dá)30%左右.試驗(yàn)表明,繼續(xù)減小供油提前角至10°時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定工作.綜合比較發(fā)動(dòng)機(jī)各方面的性能,CA4113發(fā)動(dòng)機(jī)燃用二甲醚/柴油混合燃料的最佳供油提前角為12°.4甲醚/柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(