二甲醚-液化石油氣混合燃料教材

1、二甲醚/液化石油氣混合燃料火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能研究（發(fā)動(dòng)機(jī)的研究團(tuán)隊(duì)，綠色生態(tài)機(jī)械研究室，韓國(guó)機(jī)械與材料研究所，171,Jan g-Do ng, Yuseo ng-gu, Taejon 305-343韓國(guó)）摘要這項(xiàng)研究中，電火花點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)工作在二甲醚和液化石油氣混合條件下被 以實(shí)驗(yàn)的方式研究。在個(gè)別項(xiàng)目，性能，排放特性（包括碳?xì)浠衔?，CO,和NOx排放），以及汽油機(jī)在 DME和LPG燃料摻混燃燒工作在18003600rpm時(shí) 的燃燒穩(wěn)定性。結(jié)果表明通過(guò)混合20%的DME燃料對(duì)于較寬范圍負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的 工況是可能的。而且，我們證明，達(dá)到 10%的DME，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與純L

2、PG 是可相比的。廢氣排放檢測(cè)表明，在較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，使用混合燃料時(shí)，CH和NOx排放有所增加。然而，隨著混合燃料的使用，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出是減少 的，而且制動(dòng)燃油消耗率會(huì)嚴(yán)重惡化，因?yàn)?DME的能量含量與LPG相比非常 低。此外，由于DME較高的十六烷值，爆震會(huì)隨 DME而顯著增加?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出和廢氣排放的結(jié)果，通過(guò)混合上升到 10%的DME混 合燃料可用來(lái)和LPG相替換，并且DME摻混LPG燃料預(yù)期有擴(kuò)大DME市場(chǎng) 的潛力。關(guān)鍵詞二甲醚液化石油氣混合燃料電火花點(diǎn)火代用燃料1. 引言最近，許多研究實(shí)施在可替換燃料上，由于對(duì)較低的燃油消耗率和廢氣排放 要求的增加。DME混合燃料產(chǎn)品的潛

3、力被證實(shí)，而且作為一種燃料是有前途的。 作為一種能源，DME在21世紀(jì)吸引了非常大的注意，出于它是多元化能源，而 且有很好的物理、化學(xué)及存儲(chǔ)性能。在亞洲，家庭和運(yùn)輸?shù)哪茉葱枨笱杆僭黾樱?作為一種可替代燃料，使用 DME是非常有前途的。DME的毒性很低，和LPG等同，它是通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧的。基于它的無(wú)毒性，合適的可溶性以及室溫下的蒸汽壓，定量的 DME可作為噴霧器的壓 縮氣體實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。乍一看，當(dāng)用在柴油機(jī)上時(shí)， DME似乎是一種特別好 的、有效的可替代燃料，并且?guī)缀跏菬o(wú)煙燃燒。不僅是因?yàn)樗休^低的自燃溫度 且?guī)缀跏撬查g蒸發(fā)，而且由于在燃料中分子結(jié)構(gòu)缺少直的C-C鍵以及氧原子（35%左

4、右的質(zhì)量）的存在。此外，一個(gè)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)娜剂瞎┙o系統(tǒng)，當(dāng) DME與 柴油相比時(shí)，NOx的排放被認(rèn)為是較低的。DME作為一種添加劑或點(diǎn)火增強(qiáng)劑 甚至能夠用于各種燃料在傳統(tǒng)的柴油燃燒中， 雙燃料工況和均質(zhì)壓燃工況中。丙 烷，氫氣和天然氣以及DME的援助，都已被測(cè)試作為柴油的替代品。DME的燃料特性和丁烷相似，但是 DME的低熱值只有丁烷的63%，這意味 著每個(gè)循環(huán)需要更大量的燃料來(lái)確保相同的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。當(dāng) LPG溶于DME時(shí), 混合燃料與主體液體燃料（DME ）相比具有較高的能量含量。由于不斷增加的LPG價(jià)格，DME作為用于烹飪和取暖的替代品已經(jīng)在日本 和中國(guó)被廣泛測(cè)試。另外，LPG -DME混合物

5、（高達(dá)30%的DME的質(zhì)量）已廣 泛應(yīng)用在中國(guó)家庭。在韓國(guó)，2005年的LPG消耗量是790萬(wàn)噸，幾乎50%來(lái)自 汽車(chē)。現(xiàn)有的LPG的車(chē)輛和氣瓶充裝站可以很容易地修改處理 LPG -DME的共 混物，同時(shí)，假設(shè)在LPG中使用20%的DME，需求預(yù)計(jì)將在韓國(guó)僅約186萬(wàn)噸。 然而，在柴油機(jī)中應(yīng)用DME的技術(shù)尚未完全建立，因此LPG-DME混合燃料是一 個(gè)非常可靠的方式對(duì)于在燃料市場(chǎng)上大規(guī)模使用DME。火花點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)工作在LPG-DME混合燃料條件下是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的。表格1.DME和LPG燃料的特性規(guī)格二甲醚止烷化學(xué)結(jié)構(gòu)CH3 2OC4 H10液體密度667579分子量（g/mol）46.075

6、8.12空燃比9.0015.46蒸汽壓力（kPa）539210沸點(diǎn)C）-25.0-0.5汽化潛熱（kJ/kg）467358辛烷值55-60-低熱值（MJ/kg）28.8045.72表格2.V6 DOHC的LPG發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格規(guī)格資源發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)V6 DOHC LPi缸徑?jīng)_程（mm）86.7 75壓縮比10.4位移（cc）2656最大功率（KW）121.45400 rpm最大扭矩（N m）2454000 rpm2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.1. 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)所有的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)是在一個(gè) 2.7升的火花點(diǎn)火并配備了液相噴射系統(tǒng)的 發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行（第三代LPG噴射系統(tǒng)）。在這種燃油供給系統(tǒng)中，被壓縮成液相 的LPG通過(guò)進(jìn)

7、氣口注入。該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的功率相當(dāng)于一個(gè)小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。 該發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)總結(jié)由表2提供。圖1是本研究中使用的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 試驗(yàn) 是在連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)電渦流測(cè)功機(jī)上進(jìn)行的（最大制動(dòng)功率=300 Ps / 3200rpm,最大制動(dòng)力矩=700 N ）。為了監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)（相對(duì)負(fù)荷，進(jìn)氣 質(zhì)量，冷卻液溫度，入值，等等），改變?nèi)剂媳O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，一個(gè)可編程的發(fā)動(dòng)機(jī)管 理系統(tǒng)（EMS）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ETAS MAC2 ）被應(yīng)用。熱電偶和壓電壓力傳 感器（Kistler 6117B）用于排氣系統(tǒng)、氣缸壓力監(jiān)測(cè)，和一個(gè)寬帶氧傳感器和入計(jì)被用來(lái)精確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比。此外，廢氣分析儀（Horiba

8、 MEXA7100 ）被用來(lái)測(cè)量CO，THC，NOx的排放。最后，制動(dòng)比油耗（BSFC）通過(guò)氣瓶使 用平衡過(guò)程中重量的變化被測(cè)量。2.2. 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試步驟為了觀察DME混合比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響從而進(jìn)行了一系列的測(cè)試，制動(dòng)比油耗，廢氣溫度，和燃燒穩(wěn)定性。發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速（1200-200 rpm）和負(fù)荷（低負(fù)荷，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的條件下）下運(yùn)行。質(zhì)量分?jǐn)?shù)從030%的DME混合燃料被使用，同時(shí)測(cè)量18003600rpm的廢氣排放。測(cè)試結(jié)果的一些不確定性是由于冷卻液溫度，油溫，進(jìn)氣溫度，環(huán)境溫度和 燃料供應(yīng)質(zhì)量的變化等造成的。每個(gè)測(cè)試至少進(jìn)行兩次并且減少發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的不 確定性和測(cè)試結(jié)果的不確定性變化平均被

9、控制在3%以?xún)?nèi)。3. 結(jié)果和討論3.1.根據(jù)DME共混物的發(fā)動(dòng)機(jī)性能使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)從030%的DME混合燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，制動(dòng)比油耗，排氣 溫度以及氣缸壓力都被測(cè)量。圖2給出了發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩根據(jù)DME混合燃料（0%, 10%，20%和30%）在1200吒200rpm節(jié)氣門(mén)全開(kāi)（WOT）的工況下。發(fā)動(dòng)機(jī)的 性能表現(xiàn)出更少的轉(zhuǎn)矩當(dāng) DME含量的增加時(shí)，DME含量小于10%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭 矩與純LPG可比的。然而，對(duì)于 30%DME混合物，相比純LPG工況，發(fā)動(dòng)機(jī) 扭矩在高轉(zhuǎn)速時(shí)下降20%。在ECU燃油映射數(shù)據(jù)是固定的，無(wú)論燃料的成分， 所以，盡管DME含量從030%變化，但噴油量是恒定的。參考表1, 丁烷（

10、45.72 MJ/kg）的低熱值比DME（28.8 MJ/kg）高很多，因此，相同量的燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 隨DME含量的增加而減少。另外，高負(fù)荷很容易發(fā)生爆震，由于DME較高的十六烷值。ECU通過(guò)延緩點(diǎn)火定時(shí)來(lái)消除爆震，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的減少。圖3給出了根據(jù)DME混合燃料（0%, 10%，20%和30%）在1200吒200rpm 節(jié)氣門(mén)全開(kāi)（WOT ）的工況下的制動(dòng)比油耗。由于 DME較低的能量密度隨著 DME含量的增加制動(dòng)比油耗大大增加；當(dāng) DME含量為10%或者更少時(shí)，制動(dòng) 比油耗顯示出和純LPG工作時(shí)特性。對(duì)于30%DME混合物，在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí) 的制動(dòng)比油耗比純LPG試驗(yàn)結(jié)果下降30%

11、。圖4報(bào)告了 DME共混物在節(jié)氣門(mén) 全開(kāi)的條件下對(duì)排氣溫度的測(cè)量。因?yàn)?DME的化學(xué)計(jì)量入值比丁烷低，所以排 氣氣體溫度隨DME含量的增加而增加。因此，混合燃料的 入值高于丁烷是由于 總的燃料供給量是固定。更大的空燃比需要更多的過(guò)量燃料蒸發(fā)的汽化潛熱，從而導(dǎo)致一個(gè)較低的排氣溫度。此外，由于爆震，當(dāng)使用 DME混合燃料時(shí)點(diǎn)火時(shí) 間被延遲，這是造成廢氣溫度升高的另一個(gè)原因。f =3600sfc g / kW h Qhv MJ / kg為了評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，將采用燃料轉(zhuǎn)換效率，f=3600sfc（g /kW -h Qhv （MJ / kg jsfc :燃油消耗率Q :低熱值考慮到每個(gè)循環(huán)燃料的質(zhì)量，

12、在燃燒過(guò)程中會(huì)釋放大量的能量。在節(jié)氣門(mén)全 開(kāi)工況下的各種DME混合燃料轉(zhuǎn)換效率如圖5所示。對(duì)于相對(duì)較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速，將四種共混物燃料的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行比較。然而，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，燃 料轉(zhuǎn)換效率大大降低，因?yàn)榫哂休^高的DME混合物的燃油消耗率高于較低的DME混合物。相比之下，10%的DME，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，燃料轉(zhuǎn)換效率 高于丁烷（LPG100%）。這個(gè)結(jié)果是由混合燃料較小的低熱值引起的，即使丁烷 的燃油消耗率和10%的DME混合物是相當(dāng)?shù)摹?.2. 不同DME混合物的缸壓分析圖6表明，DME含量對(duì)氣缸壓力及在1800rpm和40 N m負(fù)荷條件下的燃燒 率的影響。為了消除點(diǎn)火正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)

13、機(jī)燃燒的影響，它被固定在上止點(diǎn)前 33C。 由于DME有較低的最小點(diǎn)火能量和低自燃溫度，當(dāng)有較高的 DME含量時(shí)，會(huì) 較早開(kāi)始燃燒并有更高的峰值壓力。這種燃燒特性顯然是對(duì)燃燒率曲線的驗(yàn)證。隨著DME含量的增加，燃燒結(jié)束時(shí)間縮短是由于燃燒的提前開(kāi)始。當(dāng) DME與 丁烷混合時(shí)，峰值壓力和指示平均有效壓力略有增加， 即使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，負(fù)荷和 點(diǎn)火定時(shí)保持不變。3.3. 發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放排氣總烴（THC）測(cè)量在圖7給出。由于DME與丁烷混合，THC略有增加； 然而，對(duì)于所有的共混物的THC依然很低，小于350 ppm，這似乎與CO排放 的趨勢(shì)相一致（圖8）。在150N m負(fù)載工況下，無(wú)論DME的含量如何發(fā)

14、動(dòng)機(jī)都 工作在化學(xué)當(dāng)量的工況。 在這些工況下，當(dāng)DME的含量較高時(shí)CO排放量也較 高，原因有可能是由于爆震引起不穩(wěn)定燃燒。 在高負(fù)荷條件下超過(guò)150 N m扭矩 時(shí)，總的空燃比是更大，并引起 CO排放量的突然增加。NOx排放如圖9所示。DME混合物產(chǎn)生更多的NOx排放，因?yàn)槿紵郎囟雀S者排氣溫度，含有較高的百分比DME的共混物燃料的燃燒溫度應(yīng)該更高。這將導(dǎo)致產(chǎn)生更高熱的NOx。同時(shí)，DME具有較低的最小點(diǎn)火能量和較低的自 點(diǎn)火溫度從而誘導(dǎo)過(guò)早開(kāi)始燃燒。過(guò)早的開(kāi)始燃燒會(huì)導(dǎo)致高的峰值壓力和長(zhǎng)時(shí)間 NOx的形成。然而，對(duì)于30%DME混合物，會(huì)由于爆震引起 NOx排放量突然 減少。DME被認(rèn)為是柴油

15、替代品由于其高的辛烷值和低的碳煙及NOx排放。當(dāng)高含量DME燃料應(yīng)用于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，由于較高的十六烷值，很容易引起 爆震問(wèn)題。在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，一旦發(fā)生爆震，點(diǎn)火時(shí)間延遲時(shí)，可導(dǎo)致NOx排放減少。甚至發(fā)動(dòng)機(jī)是工作在真正的丁烷燃料時(shí)，由于爆震，超過(guò)200 N m負(fù)荷工況時(shí)NOx排放會(huì)有一個(gè)突然的下降。3.4. 燃燒穩(wěn)定性爆震是不希望的汽車(chē)點(diǎn)火情況，常發(fā)生高負(fù)荷工況下的電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。功率損耗和發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞是爆震引起的兩種常見(jiàn)的問(wèn)題。為了防止爆震高辛烷 值燃料被推薦，因此，DME，它具有高的十六烷值，不適宜作為火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng) 機(jī)的燃料，而且會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定的問(wèn)題。圖10就IMEP_COV （

16、這是由平均IMEP計(jì)算而來(lái)）而言顯示了燃燒的穩(wěn)定 性，根據(jù)DME含量不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況下。5%的IMEP_COV被認(rèn)為是決定了燃 燒的穩(wěn)定性的捷徑，并且我們得到了在低負(fù)荷工況下少于 2%的IMEP_COV。3.5. DME混合燃料的爆震由于DME燃料的高辛烷值，當(dāng)LPG混合DME的燃料用于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī) 時(shí)，對(duì)于自動(dòng)點(diǎn)燃的燃燒室，DME燃料具有高的爆震傾向。當(dāng)發(fā)生爆震時(shí)，ECU 固有15C的邏輯噴油延遲并保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。爆震發(fā)生面積在所有的工況條件下隨 DME含量的變化在圖11中顯示。比曲線高的負(fù)荷面積表示爆震高度敏感的工況。一般來(lái)說(shuō)，爆震經(jīng)常在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷工況時(shí)觀察。對(duì)于丁烷燃料，爆震在高

17、負(fù)荷工況且小于小于 2000 rpm時(shí)觀察，而對(duì)于DME混合燃料，它在達(dá) 到最大負(fù)荷前的各種工況下都會(huì)發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)DME含量增加時(shí)，爆震發(fā)生面積增加，而值得注意的是，30%的DME甚至在1/2負(fù)荷時(shí)觀察爆震。爆震會(huì)減 少總的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，同時(shí)增加制動(dòng)燃油消耗率，由于點(diǎn)火正時(shí)的延遲和燃燒效率的惡化。36 20%DME混合燃料在 WOT時(shí)的入修正節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的工況下，為了得到最大功率和較低的排氣溫度，最佳映射在ECU 的過(guò)量燃料被特意注入，從而在熱的廢氣中保護(hù)催化劑。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作在DME 含量較高的燃料時(shí)，由于低化學(xué)計(jì)量的 入值入（k;相對(duì)空/燃比）變得較小。圖 12顯示的是在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)依據(jù) D

18、ME含量的入值。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用丁烷時(shí)工作的 入 區(qū)間為0.86-0.90,然而發(fā)動(dòng)機(jī)燃用30% DME混合燃料時(shí)工作在相對(duì)較窄的 入 區(qū)間0.92096。狹小的空燃比會(huì)產(chǎn)生較小的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和較高的廢氣溫度，從 而影響催化劑的持久性。為了彌補(bǔ)這些問(wèn)題，20%的DME混合物的入值僅僅設(shè)置為丁烷的入值。圖13-15表明發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、制動(dòng)燃油消耗率和排氣溫度在這個(gè) 修改后的變化。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和制動(dòng)燃油消耗率分別增加了4%和13%，排氣溫度下降了 36C。盡管燃料是特意提供給發(fā)動(dòng)機(jī)從而達(dá)到和純丁烷相同的入值，但DME和LPG的摻混物卻減少整體的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩并嚴(yán)重增加了制動(dòng)比油耗。4. 結(jié)論電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)使用L

19、PG-DME的摻混物通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。性能，排放 特性（包括CH，CO,和NOx排放），以及一個(gè)汽油機(jī)燃用DME摻混LPG的燃 燒穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)。從這項(xiàng)研究中，可以得出以下結(jié)論。1由于DME比純LPG有較低的能量含量，隨著 DME含量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭 矩減小，制動(dòng)比油耗顯著增加。2. 在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)，由于DME的化學(xué)計(jì)量的入值低于丁烷，從而排氣溫度隨DME 含量的增加而增加。3. 在所有IMEP_COV未超過(guò)5%的工作條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性都被保證， 無(wú)論DME含量如何。4隨著DME含量增加，爆震發(fā)生面積大幅度增加。5. 在20%DME混合物的入值被調(diào)整到純丁烷的 入值后，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和

20、制動(dòng)燃 油消耗率分別增加了 4%和13%。另外，排氣溫度下降了 36C。鳴謝 作者要感謝KIMM對(duì)“中型液化石油氣車(chē)輛發(fā)展”的資金和技術(shù)支持。參考文獻(xiàn)1 . Maroteaux F, Descombes G, Sauton F. Performanee and exhaust emissions of a diesel enginerunning with DME. In: Proceedings of the 2001 ICE spring technical conference, vol. 1; 2001. p. 73 -81.2 . Japan DME forum. DME handb

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