甲醇含量對二甲醚發動機性能和排放的影響

吳君華，張光德

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

二甲醚(dimethyl ether,DME)的十六烷值大于55，高于柴油相應值，具有良好的自燃特性，非常適合用作壓燃式發動機燃料。1995年人們開始直接將二甲醚應用到柴油機上。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上進行了燃用DME的研究。國內二甲醚發動機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、燃燒特性及發動機性能等方面都開展了相關研究[2-4]。已有的研究成果表明，二甲醚發動機具有高功率、低噪聲、超低排放等優點[5-8]。

目前,發動機性能試驗所用二甲醚燃料都是精細化工產品，純度高達99.99%，生產成本較高。要推廣車用二甲醚燃料的使用，需要降低其生產成本。車用二甲醚的消耗量巨大，在不影響發動機性能及排放的條件下，降低二甲醚燃料的純度可產生相當可觀的經濟效益。為此，本文研究在純二甲醚中添加不同比例的甲醇對發動機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準的制定提供依據。

1 試驗

1.1 試驗設備

試驗所用設備為基于上海柴油機股份有限公司D6114ZLQB柴油機改造而成的增壓二甲醚發動機,發動機的主要技術參數如表1所示。

表1 試驗用發動機的主要參數

1.2 試驗方法

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

二甲醚發動機的油耗率(BSFC)相當于等熱值的柴油當量比油耗(BSFC當量)，計算公式如下：

BSFC=BSFC當量=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動機油耗率的影響。由圖1中可以看出，發動機轉速為1400 r/min和2000 r/min時，隨著甲醇含量的增加，油耗率均呈上升趨勢，低負荷時其影響更加明顯。以發動機轉速為2000 r/min時為例，高負荷下，如制動平均有效壓力Pe=1.34 MPa時，二甲醚燃料中甲醇含量為5%時，發動機油耗率為235.2 g/(kW·h)，比使用純DME時的油耗率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時升高了2.8%。而在低負荷下，如Pe=0.33 MPa時，二甲醚燃料中甲醇含量為5%時，油耗率為299.9 g/(kW·h)，比使用純DME時的油耗率285.1 g/(kW·h)增加了5.2%；當甲醇含量增加到10%時，油耗率升至308.5 g/(kW·h)，比使用純DME時升高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，達到相同功率所需燃料量增加，噴射持續期和燃燒持續期都相應延長。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。這些都導致發動機的比油耗增加。低負荷下，缸內溫度低，甲醇的加入對燃燒影響更加明顯，從而導致比油耗上升更快。

(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

試驗也表明，當二甲醚燃料中甲醇含量超過3%時，發動機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動機排氣溫度的影響。由圖2中可以看出，不同發動機轉速下，隨著二甲醚燃料中甲醇含量的增加，排氣溫度均依次上升。以發動機轉速為2000 r/min時為例，高負荷下，如Pe=1.34 MPa時，使用含5%、10%甲醇的DME時排氣溫度分別為646 ℃和660 ℃，分別比使用純DME時的排氣溫度升高了13 ℃和27 ℃；而低負荷下，如當Pe=0.33 MPa時，使用含5%、10%甲醇的DME時排氣溫度分別為374 ℃和387 ℃，比使用純DME時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動機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，在各種負荷下NOx排放均比燃用純DME時有所下降，低負荷時下降幅度更大。以發動機轉速為1400 r/min時為例，高負荷下，如Pe=1.52 MPa時，使用含5%、10%甲醇的DME時，NOx排放分別為530×10-6和518×10-6，比使用純DME時的NOx排放分別降低了4.8%和7.0%；而在低負荷下，如Pe=0.38 MPa時，使用含5%、10%甲醇的DME時，NOx排放分別為268×10-6和260×10-6，比使用純DME時的NOx排放分別降低了7.3%和10.0%。這是因為，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，缸內最高溫度下降，使得NOx排放降低。低負荷時缸內溫度低，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動機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，低負荷時其影響更加明顯。發動機轉速為1400r/min時，高負荷下，Pe=1.52 MPa時，燃用純DME時HC排放為41.3×10-6，燃用含10%甲醇的DME時，HC排放上升至60.3×10-6,增加幅度為46.0%；而低負荷下，Pe=0.38 MPa時，燃用純DME時HC排放為69×10-6，燃用含10%甲醇的DME時，HC排放增至81×10-6,增加幅度為17.4%。發動機轉速為2000 r/min時，高負荷下，Pe=1.34 MPa時，燃用純DME時HC排放為42×10-6，燃用含10%甲醇的DME時，HC排放增至68×10-6,增加幅度為61.9%；而在低負荷下，當Pe=0.33 MPa時，燃用純DME時HC排放為57×10-6，燃用含10%甲醇的DME時，HC排放增至95×10-6,增加幅度為66.8%。這是由于低負荷時缸內溫度低，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，當二甲醚中甲醇含量超過3%時，發動機的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動機CO排放的影響。由圖5中可以看出，燃料中甲醇含量相同時，CO排放隨負荷變化的規律是先降后升；隨著混合燃料中甲醇含量的增加，CO排放依次上升，高負荷和低負荷下其上升幅度較大，中等負荷時CO排放受甲醇的含量影響較小。以發動機轉速為1400r/min時為例，高負荷下，當Pe=1.52 MPa時，燃用純DME時CO排放為162×10-6，燃用含10%甲醇的DME時，CO排放增至206×10-6,增加幅度為27.2%；低負荷下，當Pe=0.38 MPa時，燃用純DME時CO排放放為131×10-6，燃用含10%甲醇的DME時，CO排放上升至159×10-6,升高幅度為21.4%；而在中等負荷下，當Pe=0.76 MPa時，燃用純DME時CO排放為107×10-6，燃用含10%甲醇的DME時，CO排放上升至118×10-6,增加幅度為10.3%。可見，中等負荷下甲醇含量對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 結論

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

(2)當二甲醚燃料中的甲醇含量高于3%時，發動機的燃油消耗率及HC排放增加更為明顯。從發動機性能、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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