含氧燃料碳酸二甲酯在柴油机上的应用

摘 要：为发展柴油机新型清洁含氧代用燃料,试验研究脂类含氧代用燃料碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate,DMC)对柴油机废气排放以及气缸内燃烧过程的影响.结果表明，DMC作为柴油添加剂能有效改善柴油机的碳烟和NO_x排放，碳烟和NO_x排放量随DMC含量的增加而明显降低；添加DMC有利于提高混合气形成质量，缩短燃烧持续期，改善柴油机的燃烧性能；DMC是1种优良的可再生含氧代用燃料.

关键词：柴油机； 燃烧与废气排放； 含氧燃料； 碳酸二甲酯

中图分类号：TK421;O623.662文献标志码：A

Application of oxygenated fuel dimethyl

carbonate to diesel engine

ZHU Jianyuan1,HONG Liang2

(1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China；

2. Shanghai Branch, China Classification Society, Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to develop a new kind of clean oxygenated alternative fuel for diesel engines, an investigation into the effects of oxygenated fuel Dimethyl Carbonate (DMC) on combustion and emissions of a diesel engine is completed. The results of this investigation show that DMC additive can reduce the soot and NOx emissions of diesel engine effectively, the amount of soot and NOx emissions will decrease more when the DMC additive content increases. It also shows that adding DMC additive into diesel oil will shorten the engine combustion lasting period and improve the combustion performance. DMC is a kind of good reproducible oxygenated alternative fuel for diesel engines.

Key words： diesel engine; combustion and emission; oxygenated fuel; dimethyl carbonate

0 引 言

为适应日益严格的柴油机废气排放要求，各国研究者提出许多降低排放量的措施，如燃油改质、高压喷射、延迟喷射、喷油率控制、废气再循环及排气后处理等.近年来，由于世界范围内资源和环境问题日趋严重，代用燃料的研究及应用进一步受到重视.发展新型清洁含氧代用燃料，对改善柴油机性能、降低对石油资源的依赖性和保证能源安全具有重大意义.含氧燃料的特性与柴油十分相似，区别在于分子结构中有氧，大多被用于降低柴油机的废气排放.

本文主要研究含氧燃料碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate， DMC）作为柴油添加剂对柴油机燃烧特性、排放和经济性的影响.通过对不同含量含氧燃料DMC的燃烧特性和排放的对比试验及分析，对含氧燃料在柴油机上应用的可行性作出评价.

碳酸二甲酯的分子结构式为CH3O(CO)OCH3，是1种无色透明、有刺激性气味的液体：相对密度1.069 4，折射率1.368 7，熔点2～4℃，沸点90～91℃；可燃，微溶于水，略带香味，无毒，与水可形成共沸物；能以任何比例与有机溶剂醇、酮、酯等混合. DMC是良好的甲基化剂、羰基化剂、羟甲基化剂和甲氧基化剂，属易燃品，严禁火源.在运输、贮存和使用过程中的管道、容器和机泵应定期严格清洗.液体DMC的pH值为中性，对金属基本无腐蚀性，用非光气法制得的DMC不含具有毒性的氯化物，安全性好.^[1]同时DMC还是1种优良的非反应物质，如用作药品制造的溶媒介质、特种快干油漆和喷雾器的溶剂等，可代替醋酸丁酯和醋酸乙酯，在涂料行业广泛应用.DMC还是光气、硫酸二甲酯、氯甲酸甲酯等剧毒品的理想替代品；在电池工业中，可用作锂电池电解液的溶剂，是醇醚燃料优良的含氧添加剂.

DMC通常由甲醇经氧化合成得到，生产DMC的原料极其丰富，凡是可以得到合成气体CO和H2的原料，都可以合成甲醇，继而制取DMC.一般可用天然气和煤作为原料生产DMC，也可由生物原料制得，因此又被称为绿色燃料或可再生燃料.

1 试验装置及设备

试验研究在2135柴油机上进行.该机为2缸直列式非增压4冲程柴油机，缸径135 mm，活塞行程140 mm，额定转速为1 500 r/min，额定功率为29.4 kW,压缩比 16.5；采用深ω型直喷式燃烧室，供油提前角 28°曲柄转角，喷油器喷孔直径为Φ0.35 mm，4孔，启喷压力18.0 MPa.试验中未对柴油机燃油供给与喷射系统的结构做任何改造.

试验研究中，柴油机额定转速为1 500 r/min时，分别进行含5%，10%，15%和20% DMC的柴油混合燃料与原机的负荷特性对比试验；并就15% DMC含量的混合燃料与纯柴油的燃烧特性进行对比试验.

排气采集分析装置主要包括烟度计和有害气体排放分析仪，主要测试仪器见表1.

为分析发动机的燃烧过程，还测录了缸内压力曲线.压力信号的采样间隔为0.5°曲轴转角.为提高测量精度，缸内压力曲线采用50次循环平均值.2 DMC对柴油机废气排放的影响

在2135柴油机试验台架上，当供油提前角为28°和24°时，分别对纯柴油和添加5%，10%，15%和20% DMC的混合燃料排放进行对比试验，主要测量柴油机NO_x和碳烟排放指标.

图1和2分别是供油提前角为28°和24°时，柴油机1 500 r/min负荷特性下的烟度曲线比较.

试验结果表明：在上述2种供油提前角下，DMC都可明显降低柴油机碳烟排放量，且随着混合燃料中DMC含量的增加，碳烟排放量下降的幅度加大.在全负荷工况下，当DMC的添加量为15%时，稳态波许烟度下降超过20%，原因在于含氧燃料能提高可燃混合物的过量空气因数，改善氧化反应状况.另外，将该柴油机的供油提前角由28°减小至24°燃用柴油时，碳烟排放量略有增加，在满负荷时，增加0.5 Rb.减小提前角使缸内燃烧的最高温度下降，燃烧过程后移，后燃趋于严重，从而使碳烟排放量增大.但在柴油中掺入DMC添加剂后，可使碳烟生成受到抑制，如在24°供油提前角下全负荷时，即使DMC的添加量仅为10％，波许烟度值也下降近17％，可见DMC是1种优良的抑制柴油机碳烟排放量的添加剂.图3和4分别为供油提前角在28°和24°时，柴油机1 500 r/min负荷特性下的NO_x排放量曲线对比.

试验结果表明：在这两种供油提前角下，DMC都可降低NO_x的排放量，且随着混合燃料中DMC含量的增加，NO_x的排放量下降幅度增大.在大负荷时，NO_x的排放量下降随DMC含量的增加更加明显.在全负荷工况下，当DMC的添加量为15%时，NO_x排放量下降超过30%.影响NO_x排放量的主要因素有3个^[2-4]：(1)可燃混合物的含氧量；(2)最高燃烧温度；（3）高温持续时间.含氧燃料DMC降低NO_x排放量的原因在于其能有效改善发动机的雾化水平，缩短燃烧持续期和高温持续时间，致使NO_x排放量整体上得到降低.

试验结果还表明：供油提前角减小后，如从28°减小至24°，同种燃料的NO_x排放量大幅降低，在各种负荷下，降幅均超过50%.这与常规柴油机的燃烧排放研究结果一致.

3 DMC对柴油机燃烧性能的影响

为考察DMC作为含氧燃料添加剂对柴油机燃烧性能的影响，以添加15%DMC的柴油为例，通过试验比较它与纯柴油的燃烧性能.在2135柴油机上进行缸内压力测试和燃烧放热率曲线计算分析.

图5为2135柴油机在1 500 r/min下全负荷时，添加15%DMC柴油与纯柴油燃烧示功图的比较.在供油定时相同的前提下，示功图显示含15%DMC柴油的压力峰值较纯柴油的晚3°.由于较低十六烷值DMC的掺入而导致混合燃料的十六烷值有所下降，从而使滞燃期延长.还由图5可见，掺混15%DMC时，柴油机的最高爆发压力变化不明显.

进一步对示功图进行计算处理，得出柴油机燃烧放热规律、累计放热率以及缸内温度曲线对比，见图6～8.

由图6可见，两种燃料的放热规律曲线趋势基本一致，第1峰值基本相等，但含15%DMC柴油着火延迟角大，第1峰值比纯柴油约晚4°；含DMC柴油的放热规律曲线第2峰值略高于纯柴油的.

由图7可见，燃用含15%DMC柴油时，在20°前累积放热率小于纯柴油的，在20°则大于纯柴油的；放热达到95%时，燃用纯柴油为上止点后56°；燃用含15%DMC柴油为上止点后43°，可见燃用含15%DMC柴油时燃烧速度加快，燃烧持续期缩短.在60°以后两者的累积放热率较接近，且趋于1.

由图8可见，燃用添加15%DMC混合燃料时的最高温度值（2 090 K）出现比原机的晚4°左右，而且略高于原机的最高温度（2 080 K），但最高温度过后温度下降的速率较纯柴油的要快些；当曲轴转角为60°时，两者的温度相等，之后15%DMC混合燃料的温度低于纯柴油的.温度曲线说明15%DMC混合燃料的最高温度高于原机，但高温持续的时间比原机短，总体有利于抑制NO_x的生成.

由燃烧特性分析可知，添加低十六烷值的DMC含氧燃料后，混合燃料的滞燃期比纯柴油长，但燃烧结束时间早.如添加15％的DMC全负荷工况时，2135柴油机燃烧持续时间相对纯柴油缩短1/4左右.主要原因是，DMC低的沸点和黏度可降低燃料的表面张力，使含DMC的柴油容易雾化和蒸发，提高混合气形成质量，加快燃烧速率.

DMC添加剂降低碳烟颗粒排放的主要原因是，DMC含氧量高（达53.3%），燃料中的氧元素在燃烧过程中起到助燃作用，特别在富油区内，提高氧的含量，在一定程度上可抑制碳烟的生成，且DMC分子结构中无C-C键，也不利于碳烟的产生.^[5-7].

DMC对发动机燃烧过程的影响程度与其在柴油中的掺混比例有关.但与纯柴油相比，在实验范围内，不同DMC的添加量均可显著降低柴油机的碳烟排放量，并且可使NO_x的排放量下降.DMC具有良好的燃烧和排放性能，有较高的推广应用价值.

4 结 论

(1)使用DMC作为柴油添加剂可改善柴油机的废气排放性能，使柴油机的碳烟和NO_x排放量下降，并且碳烟和NO_x排放量随DMC含量的增加而明显降低.

(2)添加DMC后有利于提高混合气形成质量，使燃烧速率加快,燃烧持续期缩短，柴油机的燃烧性能得到改善.

(3)DMC具有良好的物理化学性质，含氧量很高，并且DMC可由生物原料制得，是1种优良的柴油添加剂.

参考文献：

［1］郭和军, 刘治中, 朱德振. 柴油机燃用含氧燃料的研究［J]. 新能源, 1999, 21(12): 43-46．

［2］王贺武, 周龙保. 含氧燃料添加剂对柴油机性能和排放的影响［J]. 内燃机学报, 2001, 19(1): 1-4.

［3］张煜盛, READER G T. 含氧清洁燃料DMC在柴油机上的应用开发［J]. 华中理工大学学报, 2000, 28(7): 68-70.

［4］LIOTTA F, MONTALVO D. The effect of oxygenated fuels on emissions from a modern heavy-duty diesel engine［C]// SAE Paper 932734. USA: SAE Int, 1993.

［5］NURUN M N, MINAMI M, OGAWA H, et al. Ultra low emission and high performance diesel combustion with highly oxygenated fuel［C]// SAE Paper 2000-01-0231. USA: SAE Int, 2000.

［6］MIYAMOTO N, OGWA H, ARIMA T, et al. Improvement of diesel combustion and emissions with addition of various oxygenated agents to diesel fuels［C]//SAE Paper 962115. USA: SAE Int, 1996.

［7］CHENG A S, DIBBLE R W, BUCHHOLZ B A. The effect of oxygenates on diesel engine particulate matter［C]// SAE Paper 2002-1-1705. USA: SAE Int, 2002.

(编辑 廖粤新)

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

推荐访问： 碳酸 机上 柴油 燃料 甲酯