甲醇含量對二甲醚發(fā)動機(jī)性能和排放的影響

吳君華，張光德

(1． 南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京，210037；2． 武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

二甲醚(dimethyl ether,DME)的十六烷值大于55，高于柴油相應(yīng)值，具有良好的自燃特性，非常適合用作壓燃式發(fā)動機(jī)燃料。1995年人們開始直接將二甲醚應(yīng)用到柴油機(jī)上。Theo Fleisch 等[1]最早在一臺Navistar 7.3L V-8 T444E直噴式渦輪增壓柴油機(jī)上進(jìn)行了燃用DME的研究。國內(nèi)二甲醚發(fā)動機(jī)的研究基本與國際同步，研究人員在二甲醚燃料的噴霧特性、燃燒特性及發(fā)動機(jī)性能等方面都開展了相關(guān)研究[2-4]。已有的研究成果表明，二甲醚發(fā)動機(jī)具有高功率、低噪聲、超低排放等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。

目前,發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)所用二甲醚燃料都是精細(xì)化工產(chǎn)品，純度高達(dá)99.99%，生產(chǎn)成本較高。要推廣車用二甲醚燃料的使用，需要降低其生產(chǎn)成本。車用二甲醚的消耗量巨大，在不影響發(fā)動機(jī)性能及排放的條件下，降低二甲醚燃料的純度可產(chǎn)生相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為此，本文研究在純二甲醚中添加不同比例的甲醇對發(fā)動機(jī)性能和排放的影響及車用二甲醚燃料中最佳的甲醇配比，以期為車用二甲醚燃料標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備為基于上海柴油機(jī)股份有限公司D6114ZLQB柴油機(jī)改造而成的增壓二甲醚發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

在純二甲醚中分別摻混質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、 3.0%、 5.0%、10%的甲醇。由于二甲醚發(fā)動機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的最大扭矩相對于原柴油發(fā)動機(jī)有余量，因此本文不考慮甲醇含量對二甲醚發(fā)動機(jī)動力性能的影響。在確保發(fā)動機(jī)功率相同的條件下，取典型轉(zhuǎn)速1400 r/min和2000 r/min下的負(fù)荷特性作為測試工況點(diǎn)，測試發(fā)動機(jī)的排氣溫度及NOx、HC和CO排放，計(jì)算發(fā)動機(jī)的燃油消耗率(以下簡稱“油耗率”)。

二甲醚發(fā)動機(jī)的油耗率(BSFC)相當(dāng)于等熱值的柴油當(dāng)量比油耗(BSFC當(dāng)量)，計(jì)算公式如下：

BSFC=BSFC當(dāng)量=BSFC混合·HU混合/HU柴油

式中：BSFC混合為混合燃料的油耗率, g/(kW·h)；HU混合為混合燃料熱值，kJ/kg；HU柴油為柴油的熱值，kJ/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲醇含量對油耗率的影響

圖1所示為甲醇含量對二甲醚發(fā)動機(jī)油耗率的影響。由圖1中可以看出，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min和2000 r/min時(shí)，隨著甲醇含量的增加，油耗率均呈上升趨勢，低負(fù)荷時(shí)其影響更加明顯。以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)為例，高負(fù)荷下，如制動平均有效壓力Pe=1.34 MPa時(shí)，二甲醚燃料中甲醇含量為5%時(shí)，發(fā)動機(jī)油耗率為235.2 g/(kW·h)，比使用純DME時(shí)的油耗率232.6 g/(kW·h)增加了1.1%；甲醇含量增加到10%，油耗率升至239.2 g/(kW·h)，比使用純DME時(shí)升高了2.8%。而在低負(fù)荷下，如Pe=0.33 MPa時(shí)，二甲醚燃料中甲醇含量為5%時(shí)，油耗率為299.9 g/(kW·h)，比使用純DME時(shí)的油耗率285.1 g/(kW·h)增加了5.2%；當(dāng)甲醇含量增加到10%時(shí)，油耗率升至308.5 g/(kW·h)，比使用純DME時(shí)升高8.2%。這是由于甲醇的十六烷值比二甲醚低，隨著甲醇含量的增加，燃料的滯燃期延長，燃燒后延。甲醇的熱值比二甲醚低，摻混甲醇后，達(dá)到相同功率所需燃料量增加，噴射持續(xù)期和燃燒持續(xù)期都相應(yīng)延長。加上甲醇的霧化效果不如二甲醚，甲醇的加入影響了混合燃料的噴霧特性。這些都導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的比油耗增加。低負(fù)荷下，缸內(nèi)溫度低，甲醇的加入對燃燒影響更加明顯，從而導(dǎo)致比油耗上升更快。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

圖1甲醇含量對燃油消耗率的影響

Fig.1EffectofmethanolcontentonBSFC

試驗(yàn)也表明，當(dāng)二甲醚燃料中甲醇含量超過3%時(shí)，發(fā)動機(jī)燃油消耗率明顯增加。

2.2 甲醇含量對排氣溫度的影響

圖2所示為甲醇含量對二甲醚發(fā)動機(jī)排氣溫度的影響。由圖2中可以看出，不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，隨著二甲醚燃料中甲醇含量的增加，排氣溫度均依次上升。以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)為例，高負(fù)荷下，如Pe=1.34 MPa時(shí)，使用含5%、10%甲醇的DME時(shí)排氣溫度分別為646 ℃和660 ℃，分別比使用純DME時(shí)的排氣溫度升高了13 ℃和27 ℃；而低負(fù)荷下，如當(dāng)Pe=0.33 MPa時(shí)，使用含5%、10%甲醇的DME時(shí)排氣溫度分別為374 ℃和387 ℃，比使用純DME時(shí)的排氣溫度分別提高了11 ℃和24 ℃。這是由于甲醇的加入增加了燃料的滯燃期，使燃燒延后，后燃增加，排氣溫度升高。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

圖2甲醇含量對排氣溫度的影響

Fig.2Effectofmethanolcontentonexhausttemperature

2.3 甲醇含量對NOx排放的影響

圖3所示為甲醇含量對二甲醚發(fā)動機(jī)NOx排放的影響。由圖3中可以看出，燃用摻加甲醇的混合燃料，在各種負(fù)荷下NOx排放均比燃用純DME時(shí)有所下降，低負(fù)荷時(shí)下降幅度更大。以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min時(shí)為例，高負(fù)荷下，如Pe=1.52 MPa時(shí)，使用含5%、10%甲醇的DME時(shí)，NOx排放分別為530×10-6和518×10-6，比使用純DME時(shí)的NOx排放分別降低了4.8%和7.0%；而在低負(fù)荷下，如Pe=0.38 MPa時(shí)，使用含5%、10%甲醇的DME時(shí)，NOx排放分別為268×10-6和260×10-6，比使用純DME時(shí)的NOx排放分別降低了7.3%和10.0%。這是因?yàn)?，隨著甲醇含量的增加，混合燃料的十六烷值下降，滯燃期延長，燃燒延后，缸內(nèi)最高溫度下降，使得NOx排放降低。低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度低，甲醇對滯燃期影響更大，NOx排放下降的比例更大。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

圖3甲醇含量對NOx排放的影響

Fig.3EffectofmethanolcontentonNOxemission

2.4 甲醇含量對HC排放的影響

圖4所示為甲醇含量對二甲醚發(fā)動機(jī)HC排放的影響。由圖4中可見，隨著甲醇含量的增加，HC排放呈上升趨勢，低負(fù)荷時(shí)其影響更加明顯。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min時(shí)，高負(fù)荷下，Pe=1.52 MPa時(shí)，燃用純DME時(shí)HC排放為41.3×10-6，燃用含10%甲醇的DME時(shí)，HC排放上升至60.3×10-6,增加幅度為46.0%；而低負(fù)荷下，Pe=0.38 MPa時(shí)，燃用純DME時(shí)HC排放為69×10-6，燃用含10%甲醇的DME時(shí)，HC排放增至81×10-6,增加幅度為17.4%。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)，高負(fù)荷下，Pe=1.34 MPa時(shí)，燃用純DME時(shí)HC排放為42×10-6，燃用含10%甲醇的DME時(shí)，HC排放增至68×10-6,增加幅度為61.9%；而在低負(fù)荷下，當(dāng)Pe=0.33 MPa時(shí)，燃用純DME時(shí)HC排放為57×10-6，燃用含10%甲醇的DME時(shí)，HC排放增至95×10-6,增加幅度為66.8%。這是由于低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度低，甲醇對滯燃期影響更大，HC排放增加的比率更大。

由圖4中還可見，當(dāng)二甲醚中甲醇含量超過3%時(shí)，發(fā)動機(jī)的HC排放增加明顯。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

圖4甲醇含量對HC排放的影響

Fig.4EffectofmethanolcontentonHCemission

2.5 甲醇含量對CO排放的影響

圖5所示為甲醇含量對二甲醚發(fā)動機(jī)CO排放的影響。由圖5中可以看出，燃料中甲醇含量相同時(shí)，CO排放隨負(fù)荷變化的規(guī)律是先降后升；隨著混合燃料中甲醇含量的增加，CO排放依次上升，高負(fù)荷和低負(fù)荷下其上升幅度較大，中等負(fù)荷時(shí)CO排放受甲醇的含量影響較小。以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min時(shí)為例，高負(fù)荷下，當(dāng)Pe=1.52 MPa時(shí)，燃用純DME時(shí)CO排放為162×10-6，燃用含10%甲醇的DME時(shí)，CO排放增至206×10-6,增加幅度為27.2%；低負(fù)荷下，當(dāng)Pe=0.38 MPa時(shí)，燃用純DME時(shí)CO排放放為131×10-6，燃用含10%甲醇的DME時(shí)，CO排放上升至159×10-6,升高幅度為21.4%；而在中等負(fù)荷下，當(dāng)Pe=0.76 MPa時(shí)，燃用純DME時(shí)CO排放為107×10-6，燃用含10%甲醇的DME時(shí)，CO排放上升至118×10-6,增加幅度為10.3%?？梢姡械蓉?fù)荷下甲醇含量對CO排放影響最小。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

圖5甲醇含量對CO排放的影響

Fig.5EffectofmethanolcontentonCOemission

3 結(jié)論

(1)隨著燃油中甲醇含量的增加，二甲醚發(fā)動機(jī)的燃油消耗率、排氣溫度、HC排放和CO排放均升高，NOx排放降低，低負(fù)荷下其影響更為明顯。

(2)當(dāng)二甲醚燃料中的甲醇含量高于3%時(shí)，發(fā)動機(jī)的燃油消耗率及HC排放增加更為明顯。從發(fā)動機(jī)性能、尾氣排放等方面綜合考慮，車用二甲醚燃料成分中甲醇含量以不大于3%為宜。

[1] Theo Fleisch，Chris McCarthy，Arun Basu，et al. A new clean diesel technology:demonstration of ULEV emission on a navistar diesel engine fueled with dimethyl ether[C]// SAE Technical Paper 950061, 1995:10.4271/950061.

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