（动力机械及工程专业论文）二甲醚在单缸直喷柴油机上的实验研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 y 5 1 8 3 2 8 二甲醚在单缸直喷柴油机上的实验研究 摘要 本文研究了z s l 9 5 单缸直喷柴油机燃用不同比例的二甲醚 和柴油二元混合燃料的动力性和排放性 对其工作过程进行了理 论分析 取得的主要成果有 1 系统地研究了油泵柱塞直径和行程 供油提前角 喷嘴 启喷压力等发动机燃烧系统主要参数对二甲醚发动机性能的影 响 优化了这些参数 2 在柴油机台架实验中 进行了燃烧纯二甲醚以及不同比 例的二甲醚和柴油的二元混合燃料模式的燃烧实验 完成了在原 机供油提前角 改造后的供油提前角下的负荷特性实验和排放指 标的测定 3 系统 深入地研究了柴油机燃用纯二甲醚以及不同比例 的二甲醚和柴油二元混合燃料的动力性和排放性 结果表明 柴 油机燃用二甲醚在中 低速区 其功率和扭矩略优于原柴油机 在全负荷范围内 达到无烟排放 n o x 较原柴油机下降了7 5 左 右 噪声大幅降低 二甲醚和柴油混合燃料除了有较好的动力性 经济性和摊放撬标外 由于敬魔增加可以克晨或在缀大程度上改 f o 太原理工大学硕士学位论文 善油泵 油嘴的磨损 泄漏问题 具有使用价值 4 通过对二甲醚发动机的燃烧特性的研究 首次发现了二 甲醚喷油延迟期比柴油长的现象 研究表明 二甲醚发动机具有 短的滞燃期 较低的最高爆发压力和最大压力升高率 本文表明 二甲醚是一种具有吸引力的柴油机高效 超低排 放代用燃料 主题词 柴油机 代用燃料 二甲醚 性能 排放 查墨里三盔堂堡圭兰垡笙塞 一一 e x p e r 汪n 弘i s t u d y o fas i n g l e c y l i n d e rd 迎c tn 叮j e c t i o n d i e s e le n g i n ef u e l e dw i t h d i m 匪t 阿y 1 e t r d m 匣 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e s t h e p e r f o r m a n c e a n de m i s s i o n s c h a r a c t e r i s t i c sf o rb o t hd i m e t h y le t h e r d m e a n dd i e s e lf u e l e dd i r e c ti n j c c t i o n d i e s e le n g i n e t h et h e c r e t i c a ls t u d yo ft h ew o r k i n gp r o c e s so fd m ee n g i n ea r e a l s oc a r r i e do u t 1 1 抡m a i na c h i e v e m e a t sa a sf o l l o w s 1i t sf o rt h ef i r s tt i m et o e x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e e f f e c t so fm a i n c o m b u s t i o ns y s t e mp a r a m e t e r ss u c ha sp l u n g e rd i a m e t e r p l u n g e rs t r o k e f u e l d e l i v e r ya d v a n c e da n g l e v a l v eo p e n i n gp r e s s u r eo f n o z z l eo i lp e r f o r m a n c eo f d m e e n g i n e t h ep a r a m e t e r s a r eo p t h n i z e d 2t h el o a dc h a r a c t e r i s t i c st e s t sa n de x h a u s te m f i s s i o n sm e a s t l r e m e n t so f t h ee n g i n ea r ed o n ea tt h eo r i g i n a lf u e ld e l i v e r ya d v a n c e da n g l ea n d m o d i f i e d f u e ld e l i v e r ya d v a n c e da n g l e sw h e nr u no np u r ed m ea n dd i f f e r e n tf u e lb l e n d s c o n s i s t i n go fp r e d o m i n a n c ld m e a n d 雠d i 髑e l 知di nt h ed i e s e l 髓g i 瞬髓a g e e x p e r i n l e l l t s 3t h ep e r f o r m a n c e sa n de m i s s i o n s c h a r a c t e r i s t i c sf o rb o t hd i m e t h y l e t h e r d m e a n dd i e s e lf u e l e dd i 吐妯i 鞠6 0 nd i 刚翻l g i 肺辩i n v 爆 i g a t e d 太原理工大学硕士学位论文 d e e p l ya n dc o m p l e t e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a ti nt h ep o w e ra n d t o r q u eo f d i m e t h y l e t h e rf u e l e dz s l 9 5d i e s e le n g i n ei sb e t t e rt h a nt h ea r c h e t y p a l o n e i nt h ef u l ll o a dr a n g e t h ee n g i n ee x h a u s tc o n t a i n sn os m o k ea n dt h en o x e x h a u s to b v i o u s l yd e c r e a s e sa n dt h ee n g i n en o i s ea l s od e c r e a s e s t h ed i f f e r e n t f u e lb l e n d sc o n s i s t i n go fp r e d o r m i n a n td m e a n ds o m ed i e s e lc 趾c o n q e ro ri n l a r g ep a r ti m p r o v et h ew e a r a n d l e a k a g eo f p l u n g e r 4 a c c o r d i n g t ot h es t u d yo fc o m b u s t i o ne h a x a c t e r i s t i e so fd m e e n g i n e i ti sf o rt h ef i r s tt i m et of i n dt h a tt h e 蝎e c t i o n d e l a yo f d m ei sl o n g e rt h a nt h a t o f d i s e l i n v e s t i g a t i o nr e s u l t ss h o w t h a td m e e n g i n eh a ss h o r t e ri g n i t i o nd e l a y l o w e r p e a kp r e s s u r e 1 0 w e r m a x i m u mr a t eo f p r e s s u r er i t h ei n v e s t i g a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h ed m e i sa na t t r a c t i v ef u e lf o rd i e s e l e n g i n et oa c h i e v eh i 曲e f f e c i e c y u l t r a l o we m i s s i o n s k e yw o r d s d i e s e le n g i n e a l t e r n a t i v e f u e l d i m e t h y le t h e r m e p e r f o r m a n c e e m i s s i o n s 太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 由于内燃机具有热效率高 适应性好 功率范围宽广等优点 因此自 诞生以来就广泛应用于工业 农业 交通运输和国防建设事业 内燃机工 业的发展 对人类活动和社会生产均产生了深远影响 经过一百多年来全世界无数科技工作者的辛勤劳动 内燃机的技术发 展已日趋完善 随着材料工业的发展与设计和工艺水平的提高 尤其是微 电子技术的迅猛发展 内燃机更新换代的周期明显缩短 目前 新一代的 内燃机的动力性能已能满足各种不同用途的需要 可靠性和寿命也能基本 达到要求 随着世界各先进工业国家经济的不断发展 城市运输车辆大幅度增 加 其尾气已成为各大城市的主要污染源之一 据统计 大约超过 6 0 8 0 的空气污染物为车辆排放所造成 内燃机排气污染控制的优劣 即影响人类的健康 生态平衡及生存环境 也影响到内燃机 汽车等产品 在国内外的销售及竞争能力 从6 0 年代开始 美国 日本 欧共体国家 相继制定了汽车排放限制标准 以控制汽车排放对人类生存环境带来的日 益严重的危害 汽车排放限制标准的出台 迫使汽车制造业和相关的研究 机构甚至政府部门倾注大量的人力和财力来研究降低汽车排气中各种有 害排放物的对策和控制技术 虽然我国汽车工业起步较晚 但是随着经济的高速发展 汽车的年产 量也在迅速的增长 因此 汽车污染便成了一个众所关注的社会问题 对 我国若干大 中城市空气检测的结果表明 有害物质的浓度已超过大气质 1 太原理工大学硕士学位论文 量标准的限制 更严重的是近几年来在某些地区还出现过降落酸雨的现 象 我国从8 0 年代起先后制定出了有关汽车排放标准及实验法规 目前 仍在进一步充实和完善 全国已从2 0 0 0 年起执行欧洲i 号标准 北京已从 1 9 9 9 年开始执行该标准 以后将逐步执行欧洲i i 号标准和更加严格的欧 洲 号标准 另一方面 自1 9 7 3 年世界上第一次石油危机以来 人们逐渐意识到 石油储量将逐年减少 直至枯竭 在发动机上除采用各种节能措施以更有 效地利用现有能源外 寻找新一代能源则是更为主动的摆脱困境的途径 因此如何充分利用和开发新能源 减少对石油资源的过分依赖是一项意义 重大的能源课题 作为汽车的动力源之一一 柴油机以高的热效率 低的油耗和c 0 2 排放越来越受到重视 柴油机排放中n o x 和微粒 碳烟和可溶性未燃碳氢 的排放是其最主要的污染物 而降低柴油机n o x 和微粒排放的措施往往存 在矛盾 因为n o x 生成条件是高温 富氧 而微粒的生成条件是高温 缺 氧 因此 寻找新型柴油替代燃料以实现高效率超低污染燃烧将是解决 n o x 和微粒排放矛盾的有效途径之一 有关二甲醚的研究起步于9 0 年代初期 到目前为止 仍处于初步探 索阶段 最初二甲醚的应用仅限于作为醇类发动机的助燃剂以及一种c f c 空气喷射推进剂的替代物 而将纯二甲醚作为柴油机代用燃料的研究在国 内外乃至国际上都是一个崭新的研究方向 本课题便是在这样一个基础上 展开的 希望能通过对二甲醚发动机的动力性 经济性 有害气体排放和 燃烧特性的研究 深入认识二甲醚燃料的燃烧特性 以便在实际组织燃烧 过程中 充分发挥二甲醚燃料的优点 使二甲醚发动机获得更好的性能 为二甲醚燃料的推广应用作先期应用基础研究 奠定理论基础 太原理工大学硕士学位论文 1 2 国外车用柴油机排放标准概述 为了限制汽车污染物排放量 世界各国都制定了符合自己国情的汽 车排放法规 表1 1 表1 2 表1 3 分别给出了欧洲i i i 标准 和美国加洲轻型汽车排放标准限制值以及欧洲重型汽车用发动机排放限 值 标准生成日期c 0h cn o x颗粒 欧洲i1 9 9 2 焦2 7 20 9 70 1 4 欧洲 1 9 9 5 年1 0 月1 o0 9o 1 0 欧洲 2 0 0 0 焦 0 6 40 5 60 5 0o 0 5 欧洲 2 0 0 5 钲o 5 0o 3 00 2 5o 0 2 5 表1 2 美国加里福尼亚州轻型汽车排放标准限值 2 1 5 0 0 0 0 m i l e 以内 咖i l e 标准c on m o gn o x微粒甲醛 1 9 9 33 4o 2 50 40 0 8 t l e v3 40 1 2 50 4o 0 8o 0 1 5 l e v3 40 0 7 5o 2o 0 8o 0 1 5 u l e v1 70 0 4 00 20 0 40 0 0 8 1 0 0 0 0 0 m i l e 以上 g m i l e 标准c on h t o gn o x微粒甲醛 1 9 9 34 2o 3 11 oo 0 8 t l e v4 2o 1 5 6o 6o 0 8o 0 1 8 l e v4 20 0 9 0o 3o 0 8o 0 1 8 u l e v2 10 0 5 5o 30 0 4o 0 1 l 太原理工大学硕士学位论文 表1 3 欧洲重型汽车用发动机排放限值 3 y e a r c a t e g o r y f u e w b h i c l e e g k w h s m o k e t e s tt y p e t y p e c 0h c n o x p mm 一1 2 0 0 0 e u r 0 id i e s e la n dg a s5 4 55 oo 1 6 e t ce e v3 02 oo 0 2 2 0 0 0 e u r 0 id i e s e l2 10 6 65 oo 1o 8 e s c e l r e e v1 50 2 52 oo 0 2o 1 5 2 0 0 5 e u r o d i e s e la n dg a s4 03 5o 0 3 e t c 2 0 0 8 e u r o vd i e s e la n dg a s4 02 oo 0 3 e t c 2 0 0 5 e u r o d i e s d1 50 4 63 5o 0 20 5 e s c e l r 2 0 0 8 e u r ovd i e s e l1 50 4 62 0o 0 20 5 e s c e l r 1 3 改善柴油机排放的措施 柴油机由于空燃比大 排气中c o 及h c 的浓度低 因而降低柴油机 污染主要是抑制n o x 及碳烟 颗粒 的生成 从形成机理分析 控制n o x 生成的措施与减少碳烟 提高发动机动力性的要求在一定程度上是矛盾 的 因此在采用有关排放措旋时 必须综合考虑 力求在不影响发动机动 力性和经济性的前提下 控制有害排放 为了满足日益严格的汽车排放法 规的要求 在柴油机上对各种可能有助于降低污染物排放的措施进行了大 量深入细致的研究 如优化燃烧系统的结构参数 采用电控高压喷射 排 气再循环 排气后处理 过滤再生技术和催化转化技术 从燃料本身也 采取了各种措施 如使用燃料添加剂 含氧燃料 重整柴油和代用燃料等 由于柴油机的排放特性与混合气的形成及燃烧过程密切相关 因此 可通过改善混合气质量 合理选择燃烧室与喷油器的结构参数 适度组织 气流运动 正确地实现燃料喷雾 气流与燃烧室三者之问的匹配来改善燃 太原理工大学硕士学位论文 烧过程 综合起来有机内净化 排气后处理和采用代用燃料等几方面 1 3 1 机内净化柴油机排放的措施 柴油机机内净化的核心是优化 组织燃烧过程 使燃油 空气 燃烧 室达到良好的配合 提高发动机热效率 降低污染物的生成和排放 具体 措施有 1 3 1 1采用分隔式燃烧室 在分隔式燃烧室中 由于副燃烧室中较小的过量空气系数使得燃烧处 于缺氧状态 这有利于抑制n o x 的生成 而燃气进入主燃烧室后 由于已 开始膨胀行程 较低的最高燃烧温度又进一步抑制n o x 的生成 所以采用 分隔式燃烧室的发动机的n o x 排放比直喷式柴油机低1 3 至1 2 同时 由于分隔式燃烧室利用二次涡流促进了主燃烧室内的混合气的形成和燃 烧 因而分隔式燃烧室h c 和c o 排放也低 1 3 1 2采用蜗轮增压中冷技术 蜗轮增压技术是提高柴油机功率和燃油经济性及降低污染物排放量 的最有效措施之一 柴油机采用蜗轮增压后 提高了进气压力和过量空气 系数以及进气温度 因而降低了h c 和c o 的生成 但由于不带中冷的蜗 轮增压提高了进气温度而使燃烧温度上升 增加了n o x 的生成量 只有采 用增压中冷使进气温度降低到接近非增压柴油机的水平 才能在低n o x 排放下提高动力性和经济性 l 313排气再循环 e g r 和汽油机一样 柴油机也可以采用排气再循环来抑制最高燃烧温度 从而减少n o x 排放 实验结果表明 e g r 率增加到1 5 时 n o x 的排放 浓度可减少2 3 但排气再循环会导致碳烟和h c 的浓度增加 动力性和 经济性相应降低 因此要精心选择不同工况下的排气在循环率 太原理工大学硕士学位论文 1 3 1 4推迟喷油降低n o x 推迟喷油使燃烧过程较多地在膨胀过程中进行 降低了最高燃烧温 度 缩短了燃气在高温下停留的时间 从而抑制了n o x 的生成 然而喷油 定时迟后 不仅引起燃油经济性变坏 排气温度升高 同时烟度 微粒等 排放也相应增加 1 3 1 5 预喷射降低n o x 和颗粒 在直喷式柴油机上采用预喷射对柴油机燃烧和排放影响的研究显示 预喷射能缩短滞燃期 降低压力升高率 抑制n o x 排放和总h c 排放 但 是烟度稍有增加 1 3 2 排气后处理降低柴油机排放 a 碳烟的后处理 在柴油机排出的碳烟中 含有许多微小的液滴 固态粒子 在排气系 统中安装碳烟颗粒净化装置可以除去排气中的碳烟粒子 b n o x 的排气后处理 n o x 排放高是柴油机的特点 有时机内措施很难同时实现低n o x 与 低碳烟排放及高热效率的统一 因此降低n o x 另一种有效方法是排气后处 理 如采用选择性催化还原 s c r 技术或非选择性还原技术及用等离子 体后处理技术等 c 氧化催化器 氧化催化主要用来消除柴油机排气中的可燃气体 如h c c o 和微粒 中的可溶性有机物 s o f 但氧化催化器对燃油中的硫含量要求较严格 过高的含硫量会使转化效率下降和增加微粒排放 太原理工大学硕士学位论文 1 3 3 改进燃料 采用重整燃料 1 3 3 1 添加消烟剂 选择恰当的燃料的添加剂 对改善燃烧 抑制碳烟有显著的效果 实 验表明 在燃料中加入适量 少于0 5 的油溶性钡族金属添加剂 铜添 加剂和二茂铁 f e c 3 h 5 h 可以在保持柴油机动力性和经济性不变的前提 下 使碳烟的排放降低3 0 5 0 1 3 3 2乳化油 在柴油中掺水并借助于乳化剂的作用 使油水混合形成均匀的乳化油 再燃烧过程中 乳化油中的水分急剧汽化 体积膨胀 产生微爆效应 促 进燃料油滴细化并进一步与空气混合 改善了燃烧 同时 水分的汽化及 水与燃油之间的水煤气反应都是吸热反应 可以适当降低燃烧温度 因此 柴油掺水燃烧可以降低氮氧化物和碳烟的排放 也降低了燃油消耗和排气 温度 但是由于燃烧温度的降低也增加了排放 采用乳化油或喷水 由于 水易结冰 水与油之间相分离 或成为分层 以及缸套等零件的生绣等 问题而未得到广泛的应用 1 3 3 3减少芳香烃和硫分含量 研究表明 柴油机微粒排放总量中的2 0 3 0 来源于柴油中硫所形成 的硫酸以及以微粒形式存在的多种金属硫化物 硫酸盐除外 燃油中的 芳香烃含量愈高 则燃油中的饱和烃含量愈少 而以苯环为基础结合的芳 香烃含碳量愈高 化学结构稳定 不易燃烧 因而易形成碳烟和颗粒 所 以燃油中芳香烃含量愈高 碳烟和颗粒排放愈高 因此 在燃料的生产标 准中对硫及芳香烃的含量都有限制 并且越来越严格 1 3 3 4 提高燃料的十六烷值 在燃油品质中 影响柴油机n o x 排放的主要参数是十六烷值 高十 六烷值缩短了滞燃期而使最高燃烧温度降低 燃烧变的柔和 研究表明 太原理工大学硕士学位论文 十六烷值丛4 0 提高到5 0 n o x 排放大约降低1 1 早期的研究表明 十六烷值越高碳烟生成越多 其原因是早期的柴油 由原油直接分馏而得 含正构烷烃很多 而正构烷烃热稳定性较差 在 4 0 0 4 5 0 c 就发生裂解 生成的不饱和烃分子易发生环化缩聚 生成碳烟 前体 所以十六烷值越高 即正构烷烃越多 碳烟生成越多 近十年来 石油炼制工艺得到了较大的发展 柴油中芳香烃的含量有 较大的提高 正构烷烃含量大幅度下降 为弥补芳烃十六烷值低的不足 在一些柴油产品中还添加了十六烷值改进剂 因此使十六烷值对排放的影 响规律发生了一些变化 u l l m a n 和s o l d o w s k c 等研究了加入十六烷值改进 剂后柴油机的排放 结果表明 加入十六烷值改进剂 如2 乙基己基硝酸 酯 后 无论是冷热启动 还是瞬态工况 h c c o n o x 和p m 排放均 显著下降 其影响规律是 h c c o 和p m 随十六烷值的对数值的升高而 线形下降 而n o x 随十六烷值的升高线形下降 1 4 代用燃料研究现状及发展方向 柴油机代用燃料的研究 开发和应用的最初目的是替代宝贵的石油资 源或在石油资源匮乏地区以及在紧急状态 如战争时期 下摆脱对石油资 源的依赖 保证国民经济和社会生活的正常运行 目前柴油机代用燃料的 研究 开发的热点则集中在降低污染物方面 已被研究能作为柴油机洁净 燃料主要有醇类 甲醇和乙醇 动植物油及其酯化物 液化石油气和天 然气 醚类 1 4 1 醇类燃料在柴油机上的应用 醇类燃料在柴油机上的应用比在汽油机上的应用要困难 其根本原因 是 醇类的十六烷值很低 着火性能差 醇类的相对密度小于柴油 而酵 类又易于自然吸水 由于相对密度不同 以及醇类含有羟基容易吸水 使 醇类和柴油的互溶性变差 这就大大限制了它们在柴油机上的应用 采用 b 太原理工大学硕士学位论文 助燃措施可以在柴油机上顺利燃用醇类燃料 其中最普遍的助燃措施是采 用火花助燃或电热塞助燃 研究表明 采用火花助燃的醇类发动机可以实 现无烟燃烧 n o x 排放降低 但排气中醛类 甲醛和乙醛 增加 1 4 2 生物柴油在柴油机上的应用 植物油如菜籽油 豆油 向日葵籽油等由于可以通过生物链而再生 被认为是可再生能源 它和动物脂肪一道被称为生化柴油 b i o d i e s e l 由 于生化柴油的粘度和凝固点温度一般都高于常规柴油 动物脂肪尤其严 重 因此在柴油机上直接应用生化柴油存在油道堵塞 喷嘴烧结等问题 为解决这一问题 常将动植物油进行酯化 使其转变为流动性好 凝固点 低的酯类化合物 到目前为止所有的研究表明生化柴油及其与柴油的混合物都可以在 短时期内用作柴油代用燃料 这是因为除粘度较高外 生化柴油具有柴油 的主要特性 其中最主要的性能就是具有高的十六烷值 g o e r i n g 等的研 究表明 脂肪酯 碳链长度大于1 0 的酯 的十六烷值随着碳链长度的增 加和双键数目的减少而增大 c a l l a h a n 等在定容燃烧弹中对脂肪酯 脂肪 醇 甘油三酸酯的十六烷值进行了研究 所建立的十六烷值与滞燃期的关 系表明 c 1 2 c 2 0 的饱和脂肪酯以及c 1 2 c 1 8 的饱和脂肪醇的十六烷值随着 碳链长度的增加而升高 饱和甘油三酸酯的十六烷值在c l 1 8 范围内随 着碳数的增加而降低 对所有不饱和脂肪类物质 其十六烷值随着不饱和 程度的增加而减少 g e y e r 等和k a u f m a n 等在发动机上的实验研究表明 采用棉子油和向 日葵油的甲酯可明显降低颗粒排放 但发动机排气温度和排放有所升高 s c h u m a c h e r 等对拖拉机燃用柴油与豆油基生物柴油的混合物作燃料 时的性能与排放的研究表明 纯生物柴油使发动机最大功率降低5 7 而最大扭矩没有下降 在最大扭矩处 发动机排气烟度 不透明度 随生 太原理工大学硕士学位论文 物柴油在错柴油中的增加而下降 但最大功率处烟度基本不变 当生物柴 油含量为1 0 1 4 时 n o x 排放最低 纯生物柴油的n o x 排放最高 生物 柴油含量对发动机热效率没有明显影响 总的结果是未燃碳氢降低4 8 颗粒减少2 0 氮氧化物上升1 3 w a g n e r 等研究了大豆油基的甲酯 乙酯和丁酯对发动机性能和排放 的影响 研究表明 发动机排放物中h c c o p m 无论用那种燃料都无 太大的变化 但n o x 排放却普遍升高 烟度在发动机满负荷时 使用甲酯 乙酯时下降 使用丁酯时增加 a l f o s o 等发现菜籽油中的甲酯能导致n o x 排放上升 h c 和c o 排放 降低 烟度大幅度下降 但是颗粒排放有所升高 m i t t c l b a k 等发现菜籽油 转化的两种不同的甲基酯能明显降低总颗粒排放和环芳香族碳氢排放 但 甲酯增加了n o x 和甲醛的排放 y uz h a n g 等对豆油酯在发动机中的燃烧 过程进行了分析 发现与2 群柴油相比 豆油酯的滞燃期短 予混燃烧量少 综观各学者的研究结果 生物柴油及其与柴油的混合物通常都能减少 一氧化碳 末燃碳氢 烟度和颗粒排放 但氮氧化物排放一般都有所增加 发动机的性能与柴油机相当 1 4 3 液化石油气和天然气在柴油机上的应用 由于液化石油气和天然气的辛烷值高 因而比较适合火花点火发动 机 但也有应用于柴油机上 在柴油机上燃用液化石油气或天然气常用少 量的柴油作为引燃油来点燃天然气或液化石油气与空气的预混工质 液化石油气或天然气 柴油双燃料发动机的工作方式是 其主要燃料 是液化石油气或天然气 在汽缸内以预混的形式存在 与火花点燃的发动 机相似 在压缩上死点前喷入一小部分柴油 该引燃油在经过一系列焰 前反应自燃后点燃预混气 太原理工大学硕士学位论文 在以直喷式柴油机改装的液化石油气发动机上的研究表明 燃用液化 石油气发动机在低速区域扭矩大幅度提高 在全负荷区域烟度仍能保持为 零 n o x 也得到降低 但h c 排放升高 对天然气 柴油双燃料发动机性能和排放的研究表明其排放性能强烈 地依赖于发动机运行条件 一般情况是 天然气 柴油双燃料发动机在中 等负荷以上工况具有良好的性能 热效率与柴油机相当 在稀混合气条件 下能同时降低颗粒和氮氧化物 但在低负荷有未燃碳氢排放增加的缺点 这是由于在没有节气门的条件下 随着负荷的降低 空气 天然气混合气变 的极稀薄 燃烧恶化 在排气有较多的不完全燃烧产物 同时发动机扫气 也增加了未燃碳氢的排放 1 4 4 二甲醚和碳酸二甲醑在柴油机上的应用 用二甲醚 d i m e t h y le t h e r d m e 作为柴油机替代燃料是近几年才开展 的研究领域 初步的研究表明 二甲醚较高的十六烷值保证了其作为压燃 发动机燃料所必须具备的着火性能 它可以同时实现碳烟和n o x 的降低 碳酸二甲酯 d i m e t h e lc a r b o n a t e d m c 是二甲醚的下游产品 在常温 常压下为液体 能与柴油互溶 是一种含氧燃料添加剂 文献介绍 柴油 中添加适量的d m c 能够降低烟度3 5 4 5 1 5 二甲醚和碳酸二甲酯的研究现状 1 5 1 二甲醚开发研究现状 二甲醚是一种化工产品 主要用于精细化工 二甲醚具有优异的环境 r 性能指标 虽然对皮肤有轻微的刺激作用 但无毒 在大气中二甲醚能够 在短时间内分解为水和二氧化碳 半衰期只有5 天 不会对环境造成破 坏 因此二甲醚被广泛应用到喷雾剂行业 取代能对环境造成破坏的c f c 1 9 9 7 年全世界二甲醚的年产量为1 0 万吨 太原理工大学硕士学位论文 目前 商业化生产二甲醚都采用甲醇脱水法 也称为二步法 而甲醇 的来源比较丰富 天然气 煤 石油 焦碳以及生物质等都可以作为甲醇 的生产原料 因此从一定的程度上讲 二甲醚是可再生资源 图1 l 为典 型的二步法合成二甲醚的过程 二步法生成二甲醚的成本较高 为了克服成本过高的缺点 经过几年 的努力 h a l d o r t o p s o ea s 公司已成功地发展了一种由合成气 h 2 c o c 0 2 直接生成二甲醚的综合过程 使用这种方法合成二甲醚的成本得到大 幅度的降低 据称有可能低于或相当于生产柴油的成本 传统二步转换过程 天然气 煤 一黜 邑 二甲醚 石油焦碳 d m 匪 生物质 单步转换工艺 图1 1 二甲醚合成过程工艺流程 4 1 5 2 二甲醚作为引燃剂在内燃机中的应用 二甲醚在内燃机中的应用起始于作为甲醇发动机的引燃剂 用来改 善其低温启动性能 二甲醚作为引燃剂是因为二甲醚较高的十六烷值 并 且能够在较低的温度下自燃 其机理是 二甲醚作为部分燃料先期进入气 缸 在压缩行程的后期先氧化燃烧 提高气缸内的温度 从而对后期喷入 的主燃料 甲醇等 的着火起促进作用 在压燃式甲醇发动机上只须增添一套甲醇脱水生成二甲醚的装置 就能解决二甲醚的来源问题 在压燃式甲醇发动机上使用二甲醚作引燃剂技术方案有进气管引入 式和缸内喷射式两种 1 2 太原理工大学硕士学位论文 图l 一2 为从进气管引入部分二甲醚燃用甲醇的技术方案 从进气管引 入二甲醚燃用甲醇的研究表明 二甲醚的引入可以再没有火花塞或电热塞 的情况下 以压缩着火的方式燃用甲醇 并获得了高的热效率 同时也改 善了发动机的冷启动性能 发动机可以在 1 5 的低温下顺利启动运行 比 火花点燃发动机的最低温度1 0 降低了2 5 发动机中排放物n o x 降低 但c o 未燃碳氢和甲醛排放有所提高 图1 2 用二甲醚作为发动机引燃剂从进气管引入方梨5 为了改善采用进气管引入二甲醚燃用甲醇发动机的排放 t a d a s h i m o m y a m a 等用缸内喷射二甲醚的方法燃用甲醇燃料 图1 3 为其实验示 意图 图1 3 用二甲醚作为甲醇发动机引燃剂的缸内喷射方案 6 太原理工大学硕士学位论文 该方案的工作过程为 将适量的二甲醚在发动机进气冲程喷入特别 的火炬燃烧室 t o r c hi g n i t i o nc h a m b e r t i c 二甲醚在火炬室内燃烧 形成 高温燃气 喷入主燃烧室 提高主燃烧室的温度 对而后喷入的主燃料 甲 醇或其它燃料 起到了点燃或促进自燃的作用 研究表明采用t i c 方案一 方面减少了稳定运行所须的二甲醚量 一二甲醚需求量降低3 0 同时也 降低了c o h c 甲醛 h c h o 和未燃d m e 的排放 发动机的热效率还提 高了1 0 1 5 3 二甲醚在压燃式发动机上的应用 用二甲醚作为压燃式发动机的替代燃料的可行性研究是a v l 公司应 a m o c o 公司的要求在一台n a v i s 弘r 7 3 升v 8 柴油机上进行的 通过 初步实验 二甲醚优越的低排放 高效率的性能初露端倪 首先是烟度为 零 其次是n o x 排放大约降低3 0 而当采用排气再循环进 步降低n o x 时 在较高的排气再循环率下 碳烟排放仍为零而排放得到大幅度降低 二甲醚这一优点彻底解决了传统柴油机不能同时降低颗粒和n o x 排放的 矛盾 实验结果也表明 二甲醚使压燃式发动机在不采取任何后处理措施 时能够达到e u r o i i i 排放标准 太原理工大学硕士学位论文 表1 4 二甲醚与柴油及其它代用燃料物化特性参数的比较 7 二甲醚柴油l p gc n g甲醇 化学分子式c h 3 o c x h vc 3 h 8c h d c h 3 一o h c h 3 分子量4 6 0 71 9 m 之2 0 4 41 6 3 2 0 4 沸点 一2 4 91 8 0 3 6 0一4 2 1 1 6 2 6 5 液态密度 6 6 88 4 05 9 07 9 0 k g m 3 理论空燃比 9 o1 4 61 5 71 7 2 6 5 十六烷值 5 5 6 64 0 5 5 5 汽化潜热 4 1 02 5 0 1 1 1 0 0 0 k g 低热值0 0 k g 2 7 6 0 04 2 5 0 04 6 5 0 05 0 0 0 0 1 9 5 0 0 爆炸极限 3 4 1 8o 6 缶 52 4 9 5 1 5 5 5 2 6 空气中 自燃温度 2 3 52 5 04 8 16 5 0 4 5 0 0 i m p 粘度 c a 0 1 53o 1 0 碳唧重量 5 2 28 6 o8 1 87 5 o 3 7 5 氢 重量 1 3 01 4 01 8 22 5 o 1 2 5 氧 重量 3 4 8ooo 5 0 二甲醚能获得如此优异的性能 是与其物化性质有直接关系的 表1 4 比较了二甲醚与柴油的主要物化性能 为了与其它柴油机替代燃料的性质 对比 表中同时也列举了柴油机常用的其他代用燃料如甲醇 天然气 液 化石油气等的性质 如表1 4 所示 二甲醚成为压燃式发动机最具吸引力的燃料的主要特 性可归纳为 1 二甲醚燃料无c c 键 只有c o 和c h 键 且燃料中含有较大比 例的氧 因此 燃烧后生成的微粒少 发动机能承受较高的排气再循环率 太原理工大学硕士学位论文 2 二甲醚的十六烷值高于柴油 自燃温度低 滞燃期比柴油短 n o x 排放与燃烧噪声比柴油低 3 二甲醚的低热值为2 7 6 0 0 k j k g 仅为柴油的6 4 7 柴油为4 2 5 0 0 k j k g 为了达到与柴油相当的动力水平 必须增大每循环的供油量 二 甲醚理论混合气热值为3 0 6 6 7k j k g 而柴油的理论混合气热值为2 9 1 l k j k g 由此可知 二甲醚发动机的升功率不仅不会比柴油低 反而会升高 4 二甲醚的汽化潜热值为4 1 0k j k g 柴油为2 5 0k j k g 如按等重量 计算 它的汽化潜热值为柴油的1 6 4 倍 如按等放热量计算 二甲醚的汽 化潜热值为柴油的2 5 3 倍 它可大幅度降低柴油机的最高燃烧温度 改善 的排放 5 二甲醚在常压下 2 4 9 就汽化成气体 为了保证二甲醚在燃油系 统不汽化 造成输送管道中的气阻 必须对燃油加压 6 不同于甲醇 二甲醚对金属无腐蚀性 所以对燃油系统的材料没 有特殊的要求 然而 一些合成橡胶是不能和二甲醚共存的 在与二甲醚 长期的接触后会被腐蚀 因此 应当选用耐二甲醚的密封材料以确保其密 封的可靠性 7 低沸点的优点使得二甲醚在喷射后即能汽化 其油泵的物化特性 将明显优于柴油 有可能在低喷射压力下就能满足燃烧的要求 8 二甲醚与l p g 和c n g 一样 都是易燃燃料 因此 对管路的密 封性要求较高 9 二甲醚来源丰富 可以节约石油资源 在一定程度上二甲醚具有 再生性 二甲醚具有优良的排放性能被发现后 世界各国近几年开始对其进 行较广泛深入细致的研究 a v l 公司在a v l l e a d e r 高速直喷发动机上 进行的改燃二甲醚燃料的研究表明 发动机燃烧柔和捧放良好 同时还具 1 6 太原理工大学硕士学位论文 有直喷柴油机的高热效率 在2 0 0 0 r r a i n 5 0 负荷时的燃烧噪音与柴油机 相当 而在1 0 0 负荷时 以d m e 为燃料时的噪音较燃烧柴油时的低 l o o m a 接近于汽油机的噪音水平 在惯性质量为1 3 6 0k g 带有氧化催化 剂的轿车上 采用模拟欧洲m v e g 行驶循环的稳态工况实验法所得到的 车辆排放结果显示 该发动机有潜力达到加利福尼亚超低排放车辆的排放 标准 i s s c s o r e n s o n 丹麦技术大学教授 等人在0 2 7 3 升单缸直喷柴油机 上研究了燃用纯二甲醚时性能与排放 结果是仅对燃油系统进行了微小的 改动 发动机就能获得令人满意的性能和排放 发动机除具有柴油机的高 热效率外 同时还具有极低的n o x 排放 燃烧噪声 当采用e g r 进一步 降低n o x 时 发动机燃烧和热效率都没有恶化 9 i l a s m u sc h r i s t e n e s e n 等 在自然吸气双缸直喷柴油机上燃用d m e 的研究结果表明 通过降低启喷 压力 使用e g r 并调整喷油提前角 可使n o x 排放比原机降低7 0 仅为 2 9 k w h 而此时微粒排放为0 0 4g k w h 它主要是由滑油所产生的 a v l 在 一台货车或公共汽车柴油机上的研究表明 使用d m e 作燃料 发动机能够 在不带排气再循环和任何排气后处理装置的情况下满足加洲超低排放车 辆标准 i e v 针对二甲醚饱和蒸汽压高 在较低启喷压力下就能获得优异发动机 性能的特点 国外开发了适用于二甲醚的共轨喷射系统 图1 4 为一种 d m e 共轨喷射系统 通过对二甲醚作为柴油机代用燃料的初步研究 可以获以下共识 1 二甲醚能够实现发动机高效 超低排放和柔和压缩燃烧 2 二甲醚能够彻底消除柴油机的排烟 3 随着专用燃油喷射和燃烧系统的发展 n o x 能够降低到低于未来 期望的最严厉的法规的水平 4 与传统柴油机相比 燃烧噪声可降低1 0 1 5 分贝 接近汽油机的 太原理工大学硕士学位论文 噪声 5 二甲醚保留了传统柴油机的优点 如高的热效率 压缩着火燃烧 6 通过对二甲醚发动机的燃烧特性的研究 发现了二甲醚喷油延迟 期比柴油长的现象 图卜4d m e 燃油共轨喷射系纠1 o 表1 5 给出了二甲醚与c n g l p g 和甲醇燃料的综合性能 从表1 5 可以看出 与c n g l p g 和甲醇相比 二甲醚在柴油机上使用时的总体性 能最好 是实现超低污染柴油机最有前途的燃料 表1 5 二甲醚与c n g l p g 和甲醇燃料的综合对比 特性二甲醚c n gl p g甲醇 自燃性很好差差差 n o x 排放低低低低 甲醛排放低低低高 腐蚀性低低低高 燃油经济性好差一般一般 燃油可供性差一般差差 对汽车成本的增加低高高高 太原理工大学硕士学位论文 1 5 4 碳酸二甲脂在内燃机中的应用 碳酸二甲脂 d i m e t h y lc a r b o n a t e d m c 是二甲醚的下游产品 由h 2 和 c o 合成再生成d m c 的过程为 3 1 1 2 3 c o i 卜c h 3 0 c h 3 d m e c 0 2 c h 3 c 0 3 c h 3 由于生成碳酸二甲脂能够减少生产d m c 时的温室气体c 0 2 的排放 因而被认为是具有环保价值的化工产品 由于d m c 含有5 3 3 的氧 因此添加到燃料中可提高燃料的含氧量 使燃料具有自供氧功能 有望能够减少c 0 2 和h c 排放以及碳烟排放 1 6 本课题的选题意义以及主要研究内容 国内外对二甲醚在柴油机上的研究报道 初步显示了它作为柴油机 上的清洁代用燃料的巨大优越性 二甲醚极富有应用前途 引起了国内内 燃机研究人员的极大兴趣 二甲醚可以从天然气 煤 煤层气和生物原料 中制取 先生成甲醇 然后通过甲醇脱水制取d m e 我国的天然气储量 丰富 山西的煤炭资源极具有优势 以前 山西的煤炭大部分以直接燃烧 的方式进行利用 效率低 浪费严重 同时造成严重的环境污染 破坏了 生态平衡 因此 开发煤炭转化和深层加工技术 以煤代替石油 对于煤 多油少的中国 可较好解决汽 柴油等石油类液体燃料日益短缺对国民经 济发展造成的制约 这也是国家的一项重要能源政策 山西以煤为主要燃 料生成甲醇已有相当的规模 因此甲醇脱水制取二甲醚具有得天独厚的能 源优势 投资也较少 二甲醚在柴油机上的应用将直接带动山西能源重化 工基地的工业发展 国外关于二甲醚的研究报道 大多采用了比较先进的柴油机技术 如电控技术 共轨式燃油喷射系统 e g r 等 目前这些技术在国内应用的 1 9 太原理工大学硕士学位论文 还不是很多 因此 为了适合中国的国情 本研究是在国内典型的直喷式 柴油机上展开研究 本文主要进行了以下几方面的研究 1 由于降低柴油机的n o x 和烟度是相互矛盾的 为了使这两种有害物 的排放降低 使柴油机的高压供油压力不断攀升 喷油压力达2 0 8 m p a 二甲 醚在常温下为气态 在柴油机中掺烧低比例的二甲醚有利于柴油在缸内与 空气的混合 有利于尾气的排放 本课题主要研究的内容是高比例柴油和 低比例二甲醚 二元复合燃料 掺烧进行实验研究 2 针对二元复合燃料的混合比例 喷油压力 喷油量以及喷油角度 进行优化和技术改造 并对动力性和尾气排放进行对比实验研究 3 针对柴油机燃用柴油以及不同混合比例的二甲醚和柴油尾气排 放 进行了实验研究 2 0 太原理工大学硬士学位论文 第二章二甲醚的理化性质及实验方案的设计 2 1 二甲醚的理化性质及对发动机的影响 2 1 1 二甲醚的物理化学性质 常温常压下 二甲醚是一种无色 具有微弱的醚类芳香味的气体 室 温环境下 它的蒸气大约在0 5 m p a 左右 二甲醚具有惰性 无腐蚀性 无致癌性 几乎无毒 二甲醚在空气中长期暴露不会形成过氧化物 它的 基本物理化学性质与液化石油气很相似 可应用现已比较成熟的液化石油 气储存和供应销售方式 它的基本物化参数见下表2 1 表2 1 二甲醚和柴油基本物理化学参数 二甲醚柴油 化学分子式c h 3 o c h 3c x h v 分子量4 6 0 71 9 肚2 2 0 沸点 一2 4 91 8 0 3 6 0 液态密度6 6 8 8 4 0 k g m 3 理论空燃比9 0 1 4 6 十六烷值 5 5 6 64 0 5 5 汽化潜热 k j k g 4 l o2 5 0 低热值 k j k g 2 7 6 0 04 2 5 0 0 爆炸极限3 4 1 80 6 6 5 空气中 自燃温度 2 3 52 5 0 o i m p 粘度 c p o 1 53 l 碳 重量 5 2 28 6 0 l 氢 重量 1 3 01 4 0 i 氧唧重量 3 4 8o 太原理工大学骧士学自 论文 2 1 2 手赠删测喽爨獬警啭燕磐 誊一 j 冀 二甲醚作为柴油机的代用燃料的优点在前面 1 5 3 已作过介绍 2 1 3 二甲醚作为柴油机代用燃料的困难 二甲醚作为柴油机的替代燃料