柴油机燃用柴油—碳酸二甲酯(DMC)混合燃料时缸内辐射传热和热效率的试验研究

1含氧添加剂碳酸二甲酯（DMC）对柴油机缸内辐射传热和热效率的影响摘要：分析了含氧燃料添加剂碳酸二甲酯（DMC）对柴油机缸内辐射传热量以及发动机热效率的影响，DMC含氧量高、沸点低、与柴油在一定比例下能很好的混合，是一种理想的柴油添加剂。结果表明：添加DMC能大幅度降低柴油机的碳烟排放，缸内辐射传热量也因此有所降低，同时发动机的热效率有所提高，添加15%DMC时，燃用混合燃料与燃用纯柴油相比，发动机热效率提高3%左右。关键字：柴油机；含氧添加剂；碳酸二甲酯；辐射传热；热效率引言近几年来，作为城市交通主要动力机械的汽油机的发展潜力已经是十分的有限，而柴油机以其较高的热效率和CO2排放低的特性越来越受到人们的重视。同时，研究发现，在柴油中添加DMC后，能有效改善柴油机的性能和排放[1][2]，其中碳烟/颗粒排放降低效果尤为明显，同时也对柴油机的传热产生了影响[3]。碳酸二甲酯（DimethylCarbonate）具有高的含氧量（53.3%），在一定的比例下不需助溶剂就能与柴油很好的混合（但不能互溶）。含氧燃料的添加能够改善燃烧，使燃烧更充分，特别在燃油浓度高的区域,提高了氧的含量,促进燃料燃烧，碳烟的生成及排放也随之大大降低，从而使缸内辐射传热量减少，提高了发动机热效率。本文测试了纯柴油和含添加剂DMC的柴油机的尾气排放，并通过辐射传感器测量了柴油机燃用DMC柴油混合燃料后缸内辐射传热量的变化，研究了发动机热效率和辐射传热量变化之间的关系。21.DMC的物化特性碳酸二甲酯（DMC）是二甲醚（DME）的下游产品，是由H2和CO合成的：3H2+3COCH3OCH3+CO2CH3CO3CH3（DME）（DMC）表1几种常见的含氧燃料的物化特性燃料物化特性柴油DMC甲醇甲缩醛乙醇分子式C10-21C3H6O3CH3OHC3H8O2CH3CH2OH分子量190-220903276.1046含氧量（%）053.35042.134.73密度（kg/m3）83-8601079792859.3789.3沸点（℃）180-3608064.542.378.4自燃温度（℃）250-350-470237434理论空燃比14.3-14.64.596.45-8.45可燃极限（%vol）0.6-6.5-7.3-36.9-3.5-18.0十六烷值40-5535-363-5308低热值（MJ/kg）42.515.7819.9222.426.78气化潜热（J/kg）250-3003691088385854从表１中可以看出DMC的特性如下：1）含氧量高达53.3%，能较大幅度的降低柴油机的碳烟排放；2）沸点低，易挥发，有助于燃料的物化和混合；3）十六烷值低，但研究表明，混合燃料的十六烷值对DMC的含量并不敏感；4）低热值比柴油低，在相同工况下需要加大循环供油量。32.试验装置和设备实验是在一台TY1100型柴油机上进行的，其主要技术参数为：缸径100mm；行程115mm；压缩比18；ω型燃烧室；标定转速为2300r/min；12小时功率为11kw。图1为实验测量装置图。3.辐射传感器图2辐射传感器机构示意图辐射是电磁波传递能量的现象，由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射，内燃机气缸内的一般分为气体辐射和火焰辐射，相对于火焰辐射，气体辐射可以忽略不计，而火焰辐射的大小又与缸内的碳粒浓度成正比关系[4]。TY1100发动机稳压箱燃油箱冷却水箱上止电信号传感器Cs22125动态测试分析仪电力测功机FC2010发动机测控仪FC2020油门励磁驱动单元排气道图1试验台架简图压力传感器热辐射传感器冷却水系统电位差计进气道1冷却水管2热电偶导线3冷却水腔4探测体5石英玻璃6窗口4图2示出了辐射传感器的结构示意图，图中石英玻璃厚度1mm,在有效隔绝探测体与缸内气体对流换热的同时，保证了辐射传热的顺利进行。热辐射透过石英玻璃传到测温元件上，测温元件与石英玻璃窗之间留有的一小空隙可以进一步减弱导热的影响。为使测温元件所吸收的辐射热量能够沿轴向传播，减少热量散失，在其四周有空气包围。探测体四周有空气包围，上部有冷却水冷却，这是为了保证探测体下表面所吸收的辐射热量能够沿着探测体的轴向传播，减少热量损失。测温元件上下表面的中心位置各布置有一对镍铬-镍硅热电偶，测得温度后利用导热公式21ttq算出辐射热流量。式中t1，t2为测量元件测得的上下表面的温度，δ为二对热电偶之间的距离,为导热系数。由于本次实验的主要研究内容是针对不同的DMC添加比例做定性的分析，因此实验过程中的一些整体测量误差对结论影响不大。4.实验结果与分析实验选取了5%，10%，15%和20%DMC体积添加比例以及纯柴油五种燃油。由于DMC与柴油物化特性的不同，添加之后燃油的性质也随之发生了改变，具体见表2。表2不同DMC添加比例下燃料的物化特性DMC添加比例燃料物化特性0%5%10%15%20%1m3的燃料所能产生的热量(MJ)3570034767.4133832.66232898.99331965.324燃料的密度(kg/m3)840851.95863.9875.85887.8产生单位(MJ)热量所需燃料(kg)0.023530.02450.02553450.02662240.0277745燃料增加百分数(%)-4.12248.518913.1423718.03655理论空燃比14.513.8723213.26212.6683412.09066图3不同DMC添加比例下的碳烟排放4.1不同DMC添加比例对碳烟排放的影响图3表明了在不同的DMC添加比例下排气烟度随负荷的变化情况。由图中可以看到，当添加了DMC后，排气烟度有了显著改善，随着DMC添加比例的增加，排气烟度逐渐降低。研究表明：DMC的添加比例为15%-20%时，低负荷时，碳烟排放降低32%，高负荷时，碳烟排放降低50%，但是添加比例超过15%时，烟度没有进一步改善。主要原因是DMC具有较高的含氧量，较大幅度地降低了碳烟的生成，但是，当燃料中含氧量达到一定比例后，DMC对烟度的降低作用不再明显。4.2不同DMC添加比例下缸盖辐射传热量图4示出了通过辐射传感器测量得到的不同DMC添加比例下缸内辐射传热量随负荷的变化情况。2468100510152025303540??OPAC(%)??Pe(kW)(n=2000r/min)%0%5%10%15%202468100510152025303540??OPAC(%)??Pe(kW)(n=2000r/min)%0%5%10%15%2062468100.0240.0260.0280.0300.0320.0340.0360.0380.0400.0420.0440.046热流密度Q(MW/m2)功率Pe(kW)(n=2000r/min)%0%5%10%15%202468100.0240.0260.0280.0300.0320.0340.0360.0380.0400.0420.0440.046热流密度Q(MW/m2)功率Pe(kW)(n=2000r/min)%0%5%10%15%20图4不同DMC添加比例下的缸盖热流密度由图可见，缸内辐射传热量随着DMC添加比例的增加而降低，在DMC添加比例为15%时，辐射传热量最低，减少了约20%左右，约占缸内总传热量的4.8%。辐射热流量的减少有利于降低发动机受热零件的热负荷及提高热效率。这是由于随着DMC的添加比例增大，缸内的碳粒浓度降低，DMC添加比例超过15%后，辐射传热量不再明显降低。4.3不同DMC添加比例下发动机的热效率图5示出了发动机热效率随DMC添加比例的变化情况，从图可以看出随着添加比例的增加，发动机的有效热效率明显升高，燃油的经济性有所改善，添加比例为15%时，发动机有效热效率提高幅度达到最大值3%左右，超过15%时，添加比例再增加，发动机有效热效率不再改善。图5不同DMC添加比例对热效率的影响0%5%10%15%20%35.736.437.137.838.5有效热效率%DMC添加百分比a8kw1600r/min0%5%10%15%20%35.436.036.637.237.838.439.08kw2000r/min有效热效率%DMC添加百分比b74.4尾气烟度、发动机热效率与缸盖辐射传热量随DMC添加比例的变化图6、图7和图8分别示出了2000r/min,8kw工况下尾气排放、发动机热效率以及缸盖辐射热流密度随DMC添加比例的变化情况。05101520810121416182000r/min、8kW烟度OPAC(%)DMC添加比例(%)0%5%10%15%20%35.436.036.637.237.838.439.08kw2000r/min有效热效率%DMC添加百分比/%图6尾气烟度随DMC添加比例的变化情况图7热效率随DMC添加比例的变化情况051015200.0320.0340.0360.0380.0400.042热流密度Q(MW/m2)DMC添加比例/%2000r/min,8kw图8缸盖辐射热流密度随DMC添加比例的变化情况从以上3图可以看出柴油机的热效率随DMC添加比例的变化趋势与尾气烟度和缸盖辐射热流密度随DMC添加比例的变化趋势刚好相反。随着DMC添加比例增加，缸内碳烟的浓度下降，缸盖辐射热流密度也随之下降，在DMC添加比例为15%时，下降幅度达到最大值20%，通常辐射热流量占总热流量12%[5]，故由辐射引起的传热损失达2.4%左右；而发动机热效率则随DMC的添加比例增加而增高，在DMC添加比例为15%时，增加幅度最大，达3%左右，其增加量和由辐射引起的传热损失减少量基本相当，由此可以看出，发动机缸内辐射传热8量的减少直接导致了热效率的提高。结论1.随着DMC添加比例的提高，缸内碳烟浓度大大降低，缸内辐射传热量逐渐减少，添加15%DMC时，混合燃料与纯柴油相比辐射传热量下降了20%左右，碳烟的排放降低了32~50%，DMC添加比例超过15%，其下降趋势不再明显；2.随着DMC添加比例的提高，发动机的热效率明显增加，添加15%DMC时，发动机热效率提高3%左右，添加比例超过15%后，热效率不再升高；3.在燃用DMC柴油混合燃料时，缸内辐射传热量下降，在添加比例为15%时，由辐射引起的传热损失减少2.4%左右，而发动机的有效热效率提高了3%左右，两者大致相当。参考文献：1.姚波，潘克煜，石科峰等.柴油与碳酸二甲酯混合燃料的燃烧与排放特性研究。内燃机学报，Vol.21(2003)No.22.白富强，周龙保，王贺武.采用含氧燃料和EGR同时降低直喷式柴油机碳烟和NOx排放的试验研究.燃烧科学与技术，Vol.8(2002)No.6.3.潘克煜，李建国，石科峰.柴油机燃用柴油—碳酸二甲酯(DMC)混合燃料时缸内辐射传热和壁面热边界层的变化.中国内燃机学会中小功率分会、基础件分会2004年度学术年会4.蒋德明，高等内燃机原理.西安交通大学出版社，2002，125.肖永宁，潘克煜等.内燃机热负荷和热强度.北京：机械工业出版社，1988