Application of Dimethyl Ether in Compression Ignition Engines

摘要

Dette studie har sin oprindelse i to separate hændelser på Institut for Mekanisk Teknologi på DTU. I 1995 blev en dieselmotor for første gang kørt på DME, og med succes. I 2004 besluttede instituttet at deltage i Shells konkurrence for brændstoføkonomi: Shell Eco-Marathon.Testresultaterne fra forsøgene i 1995 viste at DME er et fremragende dieselmotorbrændstof. DME antændes nemt ved kompressionstænding og det har en molekylær struktur, der gør, at der praktisk taget ikke kommer partikler fra forbrænding af DME. Dette er egenskaber, der er meget ønskelige for et dieselmotorbrændstof. Udfordringerne ved anvendelse af DME i dieselmotorer er den ringe smøreevne og inkompatibilitet med en række af de elastomerer, der typisk anvendes som tætningselementer i brændstofindsprøjtningssystemer. Dette betyder, at selvom DME brænder fint i en dieselmotor, så er det en udfordring at designe et pålideligt brændstofindsprøjtningssystem. Siden da har studier vist, at det ikke er nødvendigt at bruge samme høje indsprøjtningstryk, som man gør i dieselmotorer, til DME. Dette åbner en række muligheder, hvad angår design af indsprøjtningssystemet.I perioden 2004-2009 blev DME-motoren optimeret til brug i den bil, som DTU deltog med ved Shell Eco-Marathon. Bilen vandt konkurrencen i 2007 og 2009. Konceptet var baseret på en direkte indsprøjtet totaktsmotor med et indsprøjtningstryk på kun 150 bar. En stempelpumpe uden direkte metal-metal kontakt var blevet udviklet til at levere indsprøjtningstrykket. De elastomértætninger, der blev anvendt i stedet for metal-metal kontakt, fungerede pga. det lave indsprøjtningstryk.Motoren var baseret på en 50cc Peugeot totaktsmotor. Brændstofindsprøjtningsdysen der blev anvendt var en Bosch HDEV 5, som oprindeligt var udviklet til direkte indsprøjtning af benzin i bilmotorer ved up til 200 bar. Denne indsprøjtningsdyse var for stor til at opnå en almindelig dieselforbrændingsproces i en motor på kun 50cc. Selvom DME antænder let, så blev alt brændstoffet indsprøjtet før forbrændingen påbegyndte, pga. den høje indstrømningsrate. Forsøg på at finde en mindre indsprøjtningsdyse, der også kunne klare det nødvendige indsprøjtningstryk, lykkedes ikke. På trods af, at den resulterende forbrændingsproces mere var et resultat af nødvendighed end design, så var motorvirkningsgraden over 30%, hvilket er godt for en motor af denne størrelse. Indtil dette tidspunkt var alt udviklings- og testarbejde gjort med fokus på virkningsgrad og ikke emissioner. Formålet med dette studie er, at undersøge forbrændingsprocessen og emissionerne fra motoren, og undersøge mulige forbedringer. Det er påvist, at motoren kører med en delvist forblandet forbrændingsproces. Dette resulterer i NOx emissioner der er en størrelsesorden lavere end traditionelle dieselmotorer til biler. Udslippet af kulmonoxid og uforbrændte kulbrinter er ret højt. Eksperimenter med en oxydationskatalysator viste, at kulmonoxiden effektivt kunne omdannes til kuldioxid, men den lave udstødstemperatur gjorde det ikke muligt at omsætte alle kulbrinterne.