甲醇含量对二甲醚发动机性能和排放的影响

吴君华，张光德

(1． 南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏 南京，210037；2． 武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081)

二甲醚(dimethyl ether,DME)的十六烷值大于55，高于柴油相应值，具有良好的自燃特性，非常适合用作压燃式发动机燃料。1995年人们开始直接将二甲醚应用到柴油机上。Theo Fleisch 等[1]最早在一台Navistar 7.3L V-8 T444E直喷式涡轮增压柴油机上进行了燃用DME的研究。国内二甲醚发动机的研究基本与国际同步，研究人员在二甲醚燃料的喷雾特性、燃烧特性及发动机性能等方面都开展了相关研究[2-4]。已有的研究成果表明，二甲醚发动机具有高功率、低噪声、超低排放等优点[5-8]。

目前,发动机性能试验所用二甲醚燃料都是精细化工产品，纯度高达99.99%，生产成本较高。要推广车用二甲醚燃料的使用，需要降低其生产成本。车用二甲醚的消耗量巨大，在不影响发动机性能及排放的条件下，降低二甲醚燃料的纯度可产生相当可观的经济效益。为此，本文研究在纯二甲醚中添加不同比例的甲醇对发动机性能和排放的影响及车用二甲醚燃料中最佳的甲醇配比，以期为车用二甲醚燃料标准的制定提供依据。

1 试验

1.1 试验设备

试验所用设备为基于上海柴油机股份有限公司D6114ZLQB柴油机改造而成的增压二甲醚发动机,发动机的主要技术参数如表1所示。

表1 试验用发动机的主要参数

1.2 试验方法

在纯二甲醚中分别掺混质量分数为1.5%、 3.0%、 5.0%、10%的甲醇。由于二甲醚发动机在各转速下的最大扭矩相对于原柴油发动机有余量，因此本文不考虑甲醇含量对二甲醚发动机动力性能的影响。在确保发动机功率相同的条件下，取典型转速1400 r/min和2000 r/min下的负荷特性作为测试工况点，测试发动机的排气温度及NOx、HC和CO排放，计算发动机的燃油消耗率(以下简称“油耗率”)。

二甲醚发动机的油耗率(BSFC)相当于等热值的柴油当量比油耗(BSFC当量)，计算公式如下：

BSFC=BSFC当量=BSFC混合·HU混合/HU柴油

式中：BSFC混合为混合燃料的油耗率, g/(kW·h)；HU混合为混合燃料热值，kJ/kg；HU柴油为柴油的热值，kJ/kg。

2 结果与分析

2.1 甲醇含量对油耗率的影响

图1所示为甲醇含量对二甲醚发动机油耗率的影响。由图1中可以看出，发动机转速为1400 r/min和2000 r/min时，随着甲醇含量的增加，油耗率均呈上升趋势，低负荷时其影响更加明显。以发动机转速为2000 r/min时为例，高负荷下，如制动平均有效压力Pe=1.34 MPa时，二甲醚燃料中甲醇含量为5%时，发动机油耗率为235.2 g/(kW·h)，比使用纯DME时的油耗率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)，比使用纯DME时升高了2.8%。而在低负荷下，如Pe=0.33 MPa时，二甲醚燃料中甲醇含量为5%时，油耗率为299.9 g/(kW·h)，比使用纯DME时的油耗率285.1 g/(kW·h)增加了5.2%；当甲醇含量增加到10%时，油耗率升至308.5 g/(kW·h)，比使用纯DME时升高8.2%。这是由于甲醇的十六烷值比二甲醚低，随着甲醇含量的增加，燃料的滞燃期延长，燃烧后延。甲醇的热值比二甲醚低，掺混甲醇后，达到相同功率所需燃料量增加，喷射持续期和燃烧持续期都相应延长。加上甲醇的雾化效果不如二甲醚，甲醇的加入影响了混合燃料的喷雾特性。这些都导致发动机的比油耗增加。低负荷下，缸内温度低，甲醇的加入对燃烧影响更加明显，从而导致比油耗上升更快。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

图1甲醇含量对燃油消耗率的影响

Fig.1EffectofmethanolcontentonBSFC

试验也表明，当二甲醚燃料中甲醇含量超过3%时，发动机燃油消耗率明显增加。

2.2 甲醇含量对排气温度的影响

图2所示为甲醇含量对二甲醚发动机排气温度的影响。由图2中可以看出，不同发动机转速下，随着二甲醚燃料中甲醇含量的增加，排气温度均依次上升。以发动机转速为2000 r/min时为例，高负荷下，如Pe=1.34 MPa时，使用含5%、10%甲醇的DME时排气温度分别为646 ℃和660 ℃，分别比使用纯DME时的排气温度升高了13 ℃和27 ℃；而低负荷下，如当Pe=0.33 MPa时，使用含5%、10%甲醇的DME时排气温度分别为374 ℃和387 ℃，比使用纯DME时的排气温度分别提高了11 ℃和24 ℃。这是由于甲醇的加入增加了燃料的滞燃期，使燃烧延后，后燃增加，排气温度升高。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

图2甲醇含量对排气温度的影响

Fig.2Effectofmethanolcontentonexhausttemperature

2.3 甲醇含量对NOx排放的影响

图3所示为甲醇含量对二甲醚发动机NOx排放的影响。由图3中可以看出，燃用掺加甲醇的混合燃料，在各种负荷下NOx排放均比燃用纯DME时有所下降，低负荷时下降幅度更大。以发动机转速为1400 r/min时为例，高负荷下，如Pe=1.52 MPa时，使用含5%、10%甲醇的DME时，NOx排放分别为530×10-6和518×10-6，比使用纯DME时的NOx排放分别降低了4.8%和7.0%；而在低负荷下，如Pe=0.38 MPa时，使用含5%、10%甲醇的DME时，NOx排放分别为268×10-6和260×10-6，比使用纯DME时的NOx排放分别降低了7.3%和10.0%。这是因为，随着甲醇含量的增加，混合燃料的十六烷值下降，滞燃期延长，燃烧延后，缸内最高温度下降，使得NOx排放降低。低负荷时缸内温度低，甲醇对滞燃期影响更大，NOx排放下降的比例更大。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

图3甲醇含量对NOx排放的影响

Fig.3EffectofmethanolcontentonNOxemission

2.4 甲醇含量对HC排放的影响

图4所示为甲醇含量对二甲醚发动机HC排放的影响。由图4中可见，随着甲醇含量的增加，HC排放呈上升趋势，低负荷时其影响更加明显。发动机转速为1400r/min时，高负荷下，Pe=1.52 MPa时，燃用纯DME时HC排放为41.3×10-6，燃用含10%甲醇的DME时，HC排放上升至60.3×10-6,增加幅度为46.0%；而低负荷下，Pe=0.38 MPa时，燃用纯DME时HC排放为69×10-6，燃用含10%甲醇的DME时，HC排放增至81×10-6,增加幅度为17.4%。发动机转速为2000 r/min时，高负荷下，Pe=1.34 MPa时，燃用纯DME时HC排放为42×10-6，燃用含10%甲醇的DME时，HC排放增至68×10-6,增加幅度为61.9%；而在低负荷下，当Pe=0.33 MPa时，燃用纯DME时HC排放为57×10-6，燃用含10%甲醇的DME时，HC排放增至95×10-6,增加幅度为66.8%。这是由于低负荷时缸内温度低，甲醇对滞燃期影响更大，HC排放增加的比率更大。

由图4中还可见，当二甲醚中甲醇含量超过3%时，发动机的HC排放增加明显。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

图4甲醇含量对HC排放的影响

Fig.4EffectofmethanolcontentonHCemission

2.5 甲醇含量对CO排放的影响

图5所示为甲醇含量对二甲醚发动机CO排放的影响。由图5中可以看出，燃料中甲醇含量相同时，CO排放随负荷变化的规律是先降后升；随着混合燃料中甲醇含量的增加，CO排放依次上升，高负荷和低负荷下其上升幅度较大，中等负荷时CO排放受甲醇的含量影响较小。以发动机转速为1400r/min时为例，高负荷下，当Pe=1.52 MPa时，燃用纯DME时CO排放为162×10-6，燃用含10%甲醇的DME时，CO排放增至206×10-6,增加幅度为27.2%；低负荷下，当Pe=0.38 MPa时，燃用纯DME时CO排放放为131×10-6，燃用含10%甲醇的DME时，CO排放上升至159×10-6,升高幅度为21.4%；而在中等负荷下，当Pe=0.76 MPa时，燃用纯DME时CO排放为107×10-6，燃用含10%甲醇的DME时，CO排放上升至118×10-6,增加幅度为10.3%。可见，中等负荷下甲醇含量对CO排放影响最小。

(a)1400 r/min

(b)2000 r/min

图5甲醇含量对CO排放的影响

Fig.5EffectofmethanolcontentonCOemission

3 结论

(1)随着燃油中甲醇含量的增加，二甲醚发动机的燃油消耗率、排气温度、HC排放和CO排放均升高，NOx排放降低，低负荷下其影响更为明显。

(2)当二甲醚燃料中的甲醇含量高于3%时，发动机的燃油消耗率及HC排放增加更为明显。从发动机性能、尾气排放等方面综合考虑，车用二甲醚燃料成分中甲醇含量以不大于3%为宜。

[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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[4] 尧命发，柴油机燃用二甲基醚应用基础研究[D]. 天津：天津大学，1999.

[5] 尧命发，许斯都.直喷式柴油机燃用二甲基醚(DME)试验研究[J].燃烧科学与技术，2002，8(3)：252-257.

[6] 吴君华. 增压二甲醚发动机燃烧和排放控制试验研究[D].上海:上海交通大学,2007.

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