.z含氧添加劑碳酸二甲酯〔DMC〕對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)輻射傳熱和熱效率的影響摘要：分析了含氧燃料添加劑碳酸二甲酯〔DMC〕對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)輻射傳熱量以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響，DMC含氧量高、沸點(diǎn)低、與柴油在一定比例下能很好的混合，是一種理想的柴油添加劑。結(jié)果說明：添加DMC能大幅度降低柴油機(jī)的碳煙排放，缸內(nèi)輻射傳熱量也因此有所降低，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有所提高，添加15%DMC時(shí)，燃用混合燃料與燃用純柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高3%左右。關(guān)鍵字：柴油機(jī)；含氧添加劑；碳酸二甲酯；輻射傳熱；熱效率引言近幾年來，作為城市交通主要?jiǎng)恿C(jī)械的汽油機(jī)的開展?jié)摿σ呀?jīng)是十分的有限，而柴油機(jī)以其較高的熱效率和CO2排放低的特性越來越受到人們的重視。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，在柴油中添加DMC后，能有效改善柴油機(jī)的性能和排放[1][2]，其中碳煙/顆粒排放降低效果尤為明顯，同時(shí)也對(duì)柴油機(jī)的傳熱產(chǎn)生了影響[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劑就能與柴油很好的混合〔但不能互溶〕。含氧燃料的添加能夠改善燃燒，使燃燒更充分，特別在燃油濃度高的區(qū)域,提高了氧的含量,促進(jìn)燃料燃燒，碳煙的生成及排放也隨之大大降低，從而使缸內(nèi)輻射傳熱量減少，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。本文測(cè)試了純柴油和含添加劑DMC的柴油機(jī)的尾氣排放，并通過輻射傳感器測(cè)量了柴油機(jī)燃用DMC柴油混合燃料后缸內(nèi)輻射傳熱量的變化，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和輻射傳熱量變化之間的關(guān)系。DMC的物化特性碳酸二甲酯〔DMC〕是二甲醚〔DME〕的下游產(chǎn)品，是由H2和CO合成的：3H2+3COCH3OCH3+CO2CH3CO3CH3〔DME〕〔DMC〕表1幾種常見的含氧燃料的物化特性燃料物化特性柴油DMC甲醇甲縮醛乙醇分子式C10-21C3H6O3CH3OHC3H8O2CH3CH2OH分子量190-220903276.1046含氧量〔%〕053.35042.134.73密度〔kg/m3〕83-8601079792859.3789.3沸點(diǎn)〔℃〕180-3608064.542.378.4自燃溫度〔℃〕250-350-470237434理論空燃比4.596.45-8.45可燃極限〔%vol〕--十六烷值40-5535-363-5308低熱值〔MJ/kg〕42.515.7819.9222.426.78氣化潛熱〔J/kg〕250-3003691088385854從表１中可以看出DMC的特性如下：含氧量高達(dá)53.3%，能較大幅度的降低柴油機(jī)的碳煙排放；沸點(diǎn)低，易揮發(fā)，有助于燃料的物化和混合；十六烷值低，但研究說明，混合燃料的十六烷值對(duì)DMC的含量并不敏感；低熱值比柴油低，在一樣工況下需要加大循環(huán)供油量。試驗(yàn)裝置和設(shè)備實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)TY1100型柴油機(jī)上進(jìn)展的，其主要技術(shù)參數(shù)為：缸徑100mm；行程115mm；壓縮比18；ω型燃燒室；標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2300r/min；12小時(shí)功率為11kw。圖1為實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置圖。TY1100發(fā)動(dòng)機(jī)TY1100發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)壓箱燃油箱冷卻水箱上止電信號(hào)傳感器Cs22125動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀電力測(cè)功機(jī)FC2010發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀FC2020油門勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)單元排氣道圖1試驗(yàn)臺(tái)架簡(jiǎn)圖壓力傳感器熱輻射傳感器冷卻水系統(tǒng)電位差計(jì)進(jìn)氣道輻射傳感器1冷卻水管2熱電偶導(dǎo)線3冷卻水腔4探測(cè)體1冷卻水管2熱電偶導(dǎo)線3冷卻水腔4探測(cè)體5石英玻璃6窗口圖2輻射傳感器機(jī)構(gòu)示意圖輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象，由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射稱為熱輻射，內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的一般分為氣體輻射和火焰輻射，相對(duì)于火焰輻射，氣體輻射可以忽略不計(jì)，而火焰輻射的大小又與缸內(nèi)的碳粒濃度成正比關(guān)系[4]。圖2示出了輻射傳感器的構(gòu)造示意圖，圖中石英玻璃厚度1mm,在有效隔絕探測(cè)體與缸內(nèi)氣體對(duì)流換熱的同時(shí)，保證了輻射傳熱的順利進(jìn)展。熱輻射透過石英玻璃傳到測(cè)溫元件上，測(cè)溫元件與石英玻璃窗之間留有的一小空隙可以進(jìn)一步減弱導(dǎo)熱的影響。為使測(cè)溫元件所吸收的輻射熱量能夠沿軸向傳播，減少熱量散失，在其四周有空氣包圍。探測(cè)體四周有空氣包圍，上部有冷卻水冷卻，這是為了保證探測(cè)體下外表所吸收的輻射熱量能夠沿著探測(cè)體的軸向傳播，減少熱量損失。測(cè)溫元件上下外表的中心位置各布置有一對(duì)鎳鉻-鎳硅熱電偶，測(cè)得溫度后利用導(dǎo)熱公式算出輻射熱流量。式中t1，t2為測(cè)量元件測(cè)得的上下外表的溫度，δ為二對(duì)熱電偶之間的距離,為導(dǎo)熱系數(shù)。由于本次實(shí)驗(yàn)的主要研究內(nèi)容是針對(duì)不同的DMC添加比例做定性的分析，因此實(shí)驗(yàn)過程中的一些整體測(cè)量誤差對(duì)結(jié)論影響不大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)選取了5%，10%，15%和20%DMC體積添加比例以及純柴油五種燃油。由于DMC與柴油物化特性的不同，添加之后燃油的性質(zhì)也隨之發(fā)生了改變，具體見表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%1m33570034767.4133832.66232898.99331965.324燃料的密度(kg/m3)840851.95863.9875.85887.8產(chǎn)生單位(MJ)熱量所需燃料(kg)0.023530.02450.02553450.02662240.027774燃料增加百分?jǐn)?shù)(%)-4.12248.518913.1423718.03655理論空燃比14.513.8723213.26212.6683412.09066圖3不同DMC添加比例下的碳煙排放4.1不同DMC添加比例對(duì)碳煙排放的影響圖3說明了在不同的DMC添加比例下排氣煙度隨負(fù)荷的變化情況。由圖中可以看到，當(dāng)添加了DMC后，排氣煙度有了顯著改善，隨著DMC添加比例的增加，排氣煙度逐漸降低。研究說明：DMC的添加比例為15%-20%時(shí)，低負(fù)荷時(shí)，碳煙排放降低32%，高負(fù)荷時(shí)，碳煙排放降低50%，但是添加比例超過15%時(shí)，煙度沒有進(jìn)一步改善。主要原因是DMC具有較高的含氧量，較大幅度地降低了碳煙的生成，但是，當(dāng)燃料中含氧量到達(dá)一定比例后，DMC對(duì)煙度的降低作用不再明顯。4.2不同DMC添加比例下缸蓋輻射傳熱量圖4示出了通過輻射傳感器測(cè)量得到的不同DMC添加比例下缸內(nèi)輻射傳熱量隨負(fù)荷的變化情況。圖4不同DMC添加比例下的缸蓋熱流密度由圖可見，缸內(nèi)輻射傳熱量隨著DMC添加比例的增加而降低，在DMC添加比例為15%時(shí)，輻射傳熱量最低，減少了約20%左右，約占缸內(nèi)總傳熱量的4.8%。輻射熱流量的減少有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零件的熱負(fù)荷及提高熱效率。這是由于隨著DMC的添加比例增大，缸內(nèi)的碳粒濃度降低，DMC添加比例超過15%后，輻射傳熱量不再明顯降低。4.3不同DMC添加比例下發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率圖5示出了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率隨DMC添加比例的變化情況，從圖可以看出隨著添加比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率明顯升高，燃油的經(jīng)濟(jì)性有所改善，添加比例為15%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率提高幅度到達(dá)最大值3%左右，超過15%時(shí)，添加比例再增加，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率不再改善。圖5不同DMC添加比例對(duì)熱效率的影響4.4尾氣煙度、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率與缸蓋輻射傳熱量隨DMC添加比例的變化圖6、圖7和圖8分別示出了2000r/min,8kw工況下尾氣排放、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率以及缸蓋輻射熱流密度隨DMC添加比例的變化情況。圖6尾氣煙度隨DMC添加比例的變化情況圖7熱效率隨DMC添加比例的變化情況圖8缸蓋輻射熱流密度隨DMC添加比例的變化情況從以上3圖可以看出柴油機(jī)的熱效率隨DMC添加比例的變化趨勢(shì)與尾氣煙度和缸蓋輻射熱流密度隨DMC添加比例的變化趨勢(shì)剛好相反。隨著DMC添加比例增加，缸內(nèi)碳煙的濃度下降，缸蓋輻射熱流密度也隨之下降，在DMC添加比例為15%時(shí)，下降幅度到達(dá)最大值20%，通常輻射熱流量占總熱流量12%[5]，故由輻射引起的傳熱損失達(dá)2.4%左右；而發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率則隨DMC的添加比例增加而增高，在DMC添加比例為15%時(shí)，增加幅度最大，達(dá)3%左右，其增加量和由輻射引起的傳熱損失減少量根本相當(dāng)，由此可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)輻射傳熱量的減少直接導(dǎo)致了熱效率的提高。結(jié)論隨著DMC添加比例的提高，缸內(nèi)碳煙濃度大大降低，缸內(nèi)輻射傳熱量逐漸減少，添加15%DMC時(shí)，混合燃料與純柴油相比輻射傳熱量下降了20%左右，碳煙的排放降低了32~50%，DMC添加比例超過15%，其下降趨勢(shì)不再明顯；2.隨著DMC添加比例的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率明顯增加，添加15%DMC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高3%左右，添加比例超過15%后，熱效率不再升高；3.在燃用DMC柴油混合燃料時(shí)，缸內(nèi)輻射傳熱量下降，在添加比例為15%時(shí)，由輻射引起的傳熱損失減少2.4%左右，而發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率提高了3%左右，兩者大致相當(dāng)。參考文獻(xiàn)：姚波，潘克煜，石科峰等.柴油與碳酸二甲酯混合燃料的燃燒與排放特性研究。內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，Vol.21(2003)No.2白富強(qiáng)，周龍保，王賀