柴油二甲醚混合燃料的互溶性研究

柴油二甲醚混合燃料的互溶性研究

柴油/二甲醚混合燃料的互溶性二甲醚是近年來(lái)引起注意的代用燃料。二甲醚的使用可以解決傳統(tǒng)柴油機(jī)的問(wèn)題：完全消除排放和額外的nox排放，并將nox排放降低至符合歐洲iii和歐洲iv的水平。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率和抗疲勞動(dòng)力保持不變。但柴油機(jī)改燒二甲醚時(shí),需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,需要的技術(shù)改動(dòng)大,且二甲醚的黏度低,燃油系統(tǒng)精密偶件密封性和使用壽命尚需深入研究。研究表明柴油機(jī)燃用二甲醚與柴油按一定比例配制的混合燃料后,其排放也可以大大改善,以熱值計(jì)經(jīng)濟(jì)性提高,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可基本不做調(diào)整。有鑒于此,采用燃用二甲醚/柴油混合燃料的辦法,解決在用柴油動(dòng)力汽車(chē),特別是城市公交汽車(chē)的排放問(wèn)題,是比較現(xiàn)實(shí)可行的。為此,本文對(duì)柴油/二甲醚混合燃料的互溶性進(jìn)行研究,它是混合燃料進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的重要前提。西安交通大學(xué)工程熱物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)二甲醚飽和蒸氣壓力與溫度的變化關(guān)系進(jìn)行了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究。二甲醚的飽和蒸氣壓隨溫度的增加急劇升高,20℃的常溫下也可達(dá)到0.4~0.5MPa。由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體,再加上高壓柱塞泵往復(fù)泵油摩擦生熱,使燃料溫度可升高至40℃左右。必須對(duì)燃料供應(yīng)系統(tǒng)加壓才能保證二甲醚燃料以液體狀態(tài)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。因此,二甲醚及其混合燃料的飽和蒸氣壓力是二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中需要著重考慮的參數(shù)之一。依據(jù)化工原理,純?nèi)軇┲谢烊氩粨]發(fā)溶質(zhì)會(huì)引起溶液沸點(diǎn)升高或蒸氣壓降低。然而在固定組成的混合溶劑中溶入不揮發(fā)溶質(zhì)后,溶液沸點(diǎn)及蒸氣壓的變化則要復(fù)雜得多,實(shí)驗(yàn)表明,沸點(diǎn)降低或蒸氣壓升高的“反?！爆F(xiàn)象也會(huì)發(fā)生。相對(duì)而言,二甲醚屬易揮發(fā)溶劑,柴油屬于不易揮發(fā)的混合溶液,柴油/二甲醚混合燃料的蒸氣壓力隨溫度以及混合比例的變化關(guān)系目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。為了掌握混合燃料的濁點(diǎn)及蒸氣分壓力隨溫度的變化規(guī)律,以方便發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用,故在專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展了互溶性的實(shí)驗(yàn)研究。本文采用專(zhuān)用透明耐壓實(shí)驗(yàn)裝置,利用精密恒溫系統(tǒng)對(duì)D10(10%DME和90%柴油)、D20(20%DME和80%柴油)、D30(30%DME和70%柴油)三種柴油/二甲醚混合燃料的飽和蒸氣壓力隨溫度變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;同時(shí)測(cè)定了以上柴油/二甲醚混合燃料(包括0#、-10#柴油)的濁點(diǎn)值。為二甲醚/柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供了急需的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1甲醚/柴油混合燃料的飽和蒸氣壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)容器、恒溫槽、溫度測(cè)量系統(tǒng)及壓力測(cè)量系統(tǒng)組成。測(cè)量系統(tǒng)的原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,其耐壓極限為3MPa,容積為0.1L;實(shí)驗(yàn)中所采用的恒溫槽包括低溫酒精槽和高溫硅油槽,其中酒精槽如圖3所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度覆蓋范圍為-80~300℃,測(cè)量不確定度小于±0.002℃;壓力測(cè)量范圍為0~2MPa,測(cè)量不確定度小于±0.7kPa,完全可以滿足二甲醚/柴油混合燃料的飽和蒸氣壓測(cè)量的實(shí)驗(yàn)要求。此外,恒溫槽側(cè)面帶有觀測(cè)孔,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)混合燃料的低溫分層等物理狀態(tài)的變化情況。2混合燃料在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的臨界互溶溫度5.對(duì)實(shí)驗(yàn)容器進(jìn)行燃料充灌時(shí),先充注柴油,然后加入DME,要求基本充滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)容器以減小實(shí)驗(yàn)誤差?；旌先剂系馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)每次充注前后,稱(chēng)取實(shí)驗(yàn)容器的質(zhì)量得到。實(shí)驗(yàn)中使用的柴油為市售標(biāo)準(zhǔn)的0#及-10#柴油;二甲醚的純度為99.95%。實(shí)驗(yàn)時(shí),將充有一定比例的柴油/二甲醚混合燃料的實(shí)驗(yàn)容器放入恒溫槽中,緩慢升溫直到互溶,混合燃料變?yōu)橥耆该鞯囊后w,靜置一小時(shí)無(wú)變化后,開(kāi)始緩慢降溫直到液體逐漸變模糊然后出現(xiàn)絮狀物并混濁,靜置一段時(shí)間后,容器頂部或底部便會(huì)有分層現(xiàn)象出現(xiàn)。因此,通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn),可將容器內(nèi)液體出現(xiàn)混濁并穩(wěn)定不消失時(shí)的溫度,定義為混合燃料在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的臨界互溶溫度,即濁點(diǎn)。濁點(diǎn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)后,對(duì)混合燃料逐漸升溫至一定溫度,穩(wěn)定2~3h使燃料蒸氣壓力不再變化,從而得到混合燃料在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蒸氣壓力值。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)中燃料溫度可升高至40℃左右,本文測(cè)定蒸氣壓力的溫度上限為60℃,完全可以滿足柴油/二甲醚混合燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究需要。3燃料壓力變化本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究包括高溫區(qū)間和低溫區(qū)間兩部分,其中高溫區(qū)間的實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量燃料的飽和蒸氣壓力;低溫區(qū)間的實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量燃料的濁點(diǎn)、分層情況,由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中燃料壓力變化很大,最高可到幾百個(gè)大氣壓甚至更高,最低為燃料的飽和蒸氣壓。對(duì)于混合燃料來(lái)說(shuō),壓力的增大可以促進(jìn)燃料的互溶,因此,本文測(cè)定的處于混合燃料飽和蒸氣壓下的濁點(diǎn)值可以明確給出一定比例柴油/二甲醚混合燃料的安全使用最低溫度及最低壓力范圍。3.1發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作對(duì)于燃油系統(tǒng)的影響圖4為10%、20%、30%的柴油/二甲醚混合燃料飽和蒸氣壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果,混合燃料中的柴油組分可以降低DME的飽和蒸氣壓力。一定溫度下,混合燃料的飽和蒸氣壓力隨著柴油組分的增加而減小;同一混合比例下,飽和蒸氣壓力隨溫度的增加而增加。`飽和蒸氣壓力的降低有利于燃料儲(chǔ)運(yùn)和消除燃油系統(tǒng)氣阻。實(shí)驗(yàn)測(cè)定,發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在標(biāo)定工況時(shí),在有較大回油量的情況下,高壓油泵油腔內(nèi)燃油的溫度在40℃左右,由圖4可見(jiàn),40℃時(shí)10%DME混合燃料的飽和蒸氣壓力相比DME(0.9MPa)降低至0.4MPa;因此,發(fā)動(dòng)機(jī)低壓輸油泵的出口壓力應(yīng)盡可能保持不低于0.5MPa,以保證油路中無(wú)氣阻現(xiàn)象;若選擇燃用更高二甲醚組分的混合燃料,低壓油路的壓力則需要相應(yīng)進(jìn)一步提高。以上變化規(guī)律的原因是:對(duì)于純二甲醚來(lái)說(shuō),一定溫度下,逸出氣液分界面的二甲醚分子與回到液面的分子達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)的壓力稱(chēng)為該溫度下二甲醚的飽和蒸氣壓;當(dāng)二甲醚中混入柴油后,液相表面被一部分柴油分子所占據(jù),二甲醚分子的氣化有效面積減小了,而液化面積并沒(méi)有變化,即二甲醚氣相分子仍然可以從整個(gè)液面的任一部位進(jìn)入混合溶液,因而原來(lái)與純二甲醚液體成平衡的蒸氣分子返回液面的機(jī)會(huì)大于液相分子氣化的機(jī)會(huì),從而導(dǎo)致蒸氣壓的下降。3.2混合燃料不能互溶常規(guī)柴油的牌號(hào)是根據(jù)柴油的凝點(diǎn)來(lái)確定的,0#及-10#柴油的安全使用溫度應(yīng)分別不能低于0℃和-10℃。二甲醚的理化性質(zhì)與柴油存在差異,混合燃料在環(huán)境溫度降低到濁點(diǎn)以下后,混合燃料將出現(xiàn)不能互溶現(xiàn)象,外觀表現(xiàn)為燃料中出現(xiàn)絮狀物并渾濁(如圖5、圖6對(duì)比所示)。此時(shí)的燃料由于流動(dòng)性差,已經(jīng)無(wú)法保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。圖7、圖8分別表示了二甲醚與0#和-10#柴油混合溶液的濁點(diǎn)隨混合比例的變化關(guān)系。隨著柴油中所摻入二甲醚組分越多,混合燃料的濁點(diǎn)較柴油降低越明顯。0#柴油中摻入30%二甲醚后,燃料的濁點(diǎn)可以降低到-6℃,同樣混合比的-10#柴油/二甲醚混合燃料濁點(diǎn)則降低到接近-16℃。由此可見(jiàn),混合燃料可以較柴油在更低的溫度下使用,從而有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用混合燃料時(shí)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。4飽和蒸氣壓力(1)同一溫度下,混合燃料的飽和蒸氣壓低于純二甲醚的飽和蒸氣壓;混合燃料的飽和蒸