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)柴油機的問題：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)動機的高效率和抗疲勞動力保持不變。但柴油機改燒二甲醚時,需要對發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)參數(shù)進行調整,需要的技術改動大,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,以熱值計經濟性提高,對發(fā)動機可基本不做調整。有鑒于此,采用燃用二甲醚/柴油混合燃料的辦法,解決在用柴油動力汽車,特別是城市公交汽車的排放問題,是比較現(xiàn)實可行的。為此,本文對柴油/二甲醚混合燃料的互溶性進行研究,它是混合燃料進行工業(yè)應用的重要前提。西安交通大學工程熱物理實驗室對二甲醚飽和蒸氣壓力與溫度的變化關系進行了細致的實驗研究。二甲醚的飽和蒸氣壓隨溫度的增加急劇升高,20℃的常溫下也可達到0.4~0.5MPa。由于發(fā)動機燃油供應系統(tǒng)靠近發(fā)動機機體,再加上高壓柱塞泵往復泵油摩擦生熱,使燃料溫度可升高至40℃左右。必須對燃料供應系統(tǒng)加壓才能保證二甲醚燃料以液體狀態(tài)進入發(fā)動機。因此,二甲醚及其混合燃料的飽和蒸氣壓力是二甲醚發(fā)動機研發(fā)過程中需要著重考慮的參數(shù)之一。依據(jù)化工原理,純溶劑中混入不揮發(fā)溶質會引起溶液沸點升高或蒸氣壓降低。然而在固定組成的混合溶劑中溶入不揮發(fā)溶質后,溶液沸點及蒸氣壓的變化則要復雜得多,實驗表明,沸點降低或蒸氣壓升高的“反常”現(xiàn)象也會發(fā)生。相對而言,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系目前國內外尚未見報道。為了掌握混合燃料的濁點及蒸氣分壓力隨溫度的變化規(guī)律,以方便發(fā)動機的應用,故在專門的實驗臺上開展了互溶性的實驗研究。本文采用專用透明耐壓實驗裝置,利用精密恒溫系統(tǒng)對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行實驗研究;同時測定了以上柴油/二甲醚混合燃料(包括0#、-10#柴油)的濁點值。為二甲醚/柴油混合燃料發(fā)動機的開發(fā)提供了急需的基礎實驗數(shù)據(jù)。1甲醚/柴油混合燃料的飽和蒸氣壓測量實驗系統(tǒng)主要由實驗容器、恒溫槽、溫度測量系統(tǒng)及壓力測量系統(tǒng)組成。測量系統(tǒng)的原理如圖1所示。實驗裝置如圖2所示,其耐壓極限為3MPa,容積為0.1L;實驗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。實驗系統(tǒng)溫度覆蓋范圍為-80~300℃,測量不確定度小于±0.002℃;壓力測量范圍為0~2MPa,測量不確定度小于±0.7kPa,完全可以滿足二甲醚/柴油混合燃料的飽和蒸氣壓測量的實驗要求。此外,恒溫槽側面帶有觀測孔,可以實時監(jiān)測實驗裝置內混合燃料的低溫分層等物理狀態(tài)的變化情況。2混合燃料在一定質量分數(shù)的臨界互溶溫度5.對實驗容器進行燃料充灌時,先充注柴油,然后加入DME,要求基本充滿整個實驗容器以減小實驗誤差。混合燃料的質量分數(shù)通過每次充注前后,稱取實驗容器的質量得到。實驗中使用的柴油為市售標準的0#及-10#柴油;二甲醚的純度為99.95%。實驗時,將充有一定比例的柴油/二甲醚混合燃料的實驗容器放入恒溫槽中,緩慢升溫直到互溶,混合燃料變?yōu)橥耆该鞯囊后w,靜置一小時無變化后,開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,靜置一段時間后,容器頂部或底部便會有分層現(xiàn)象出現(xiàn)。因此,通過反復實驗,可將容器內液體出現(xiàn)混濁并穩(wěn)定不消失時的溫度,定義為混合燃料在一定質量分數(shù)的臨界互溶溫度,即濁點。濁點測定實驗后,對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量分數(shù)的蒸氣壓力值。由于實驗測定發(fā)動機燃油供應系統(tǒng)中燃料溫度可升高至40℃左右,本文測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上的應用研究需要。3燃料壓力變化本文所進行的實驗研究包括高溫區(qū)間和低溫區(qū)間兩部分,其中高溫區(qū)間的實驗主要測量燃料的飽和蒸氣壓力;低溫區(qū)間的實驗主要測量燃料的濁點、分層情況,由于實際發(fā)動機燃油系統(tǒng)中燃料壓力變化很大,最高可到幾百個大氣壓甚至更高,最低為燃料的飽和蒸氣壓。對于混合燃料來說,壓力的增大可以促進燃料的互溶,因此,本文測定的處于混合燃料飽和蒸氣壓下的濁點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)動機穩(wěn)定工作對于燃油系統(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驗結果,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運和消除燃油系統(tǒng)氣阻。實驗測定,發(fā)動機穩(wěn)定工作在標定工況時,在有較大回油量的情況下,高壓油泵油腔內燃油的溫度在40℃左右,由圖4可見,40℃時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)動機低壓輸油泵的出口壓力應盡可能保持不低于0.5MPa,以保證油路中無氣阻現(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進一步提高。以上變化規(guī)律的原因是:對于純二甲醚來說,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成動態(tài)平衡,此時的壓力稱為該溫度下二甲醚的飽和蒸氣壓;當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,而液化面積并沒有變化,即二甲醚氣相分子仍然可以從整個液面的任一部位進入混合溶液,因而原來與純二甲醚液體成平衡的蒸氣分子返回液面的機會大于液相分子氣化的機會,從而導致蒸氣壓的下降。3.2混合燃料不能互溶常規(guī)柴油的牌號是根據(jù)柴油的凝點來確定的,0#及-10#柴油的安全使用溫度應分別不能低于0℃和-10℃。二甲醚的理化性質與柴油存在差異,混合燃料在環(huán)境溫度降低到濁點以下后,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對比所示)。此時的燃料由于流動性差,已經無法保證發(fā)動機的正常工作。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隨混合比例的變化關系。隨著柴油中所摻入二甲醚組分越多,混合燃料的濁點較柴油降低越明顯。0#柴油中摻入30%二甲醚后,燃料的濁點可以降低到-6℃,同樣混合比的-10#柴油/二甲醚混合燃料濁點則降低到接近-16℃。由此可見,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)動機燃用混合燃料時對環(huán)境的適應能力。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