二甲醚-液化石油氣混合燃料

1、二甲醚/液化石油氣混合燃料火花點火發(fā)動機的燃燒和排放性能研究 （發(fā)動機的研究團隊，綠色生態(tài)機械研究室，韓國機械與材料研究所，171, Jang-Dong, Yuseong-gu, Taejon 305-343, 韓國）摘要 這項研究中，電火花點火的發(fā)動機工作在二甲醚和液化石油氣混合條件下被以實驗的方式研究。在個別項目，性能，排放特性（包括碳氫化合物，CO，和NOx排放），以及汽油機在DME和LPG燃料摻混燃燒工作在18003600rpm時的燃燒穩(wěn)定性。 結(jié)果表明通過混合20%的DME燃料對于較寬范圍負荷的發(fā)動機達到穩(wěn)定的工況是可能的。而且，我們證明，達到10%的DME，發(fā)動機輸出功率與純LPG

2、是可相比的。廢氣排放檢測表明，在較低發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，使用混合燃料時，CH和NOx排放有所增加。然而，隨著混合燃料的使用，發(fā)動機的功率輸出是減少的，而且制動燃油消耗率會嚴重惡化，因為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，爆震會隨DME而顯著增加。 考慮到發(fā)動機功率輸出和廢氣排放的結(jié)果，通過混合上升到10%的DME混合燃料可用來和LPG相替換，并且DME摻混LPG燃料預(yù)期有擴大DME市場的潛力。關(guān)鍵詞 二甲醚 液化石油氣 混合燃料 電火花點火 代用燃料1. 引言 最近，許多研究實施在可替換燃料上，由于對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)品的潛力被證實

3、，而且作為一種燃料是有前途的。作為一種能源，DME在21世紀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)及存儲性能。在亞洲，家庭和運輸?shù)哪茉葱枨笱杆僭黾樱鳛橐环N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，它是通過光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧的。基于它的無毒性，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現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。乍一看，當(dāng)用在柴油機上時，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煙燃燒。不僅是因為它有較低的自燃溫度且?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%左右的質(zhì)量）的存在。此外，

4、一個設(shè)計適當(dāng)?shù)娜剂瞎┙o系統(tǒng)，當(dāng)DME與柴油相比時，NOx的排放被認為是較低的。DME作為一種添加劑或點火增強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%，這意味著每個循環(huán)需要更大量的燃料來確保相同的發(fā)動機功率。當(dāng)LPG溶于DME時，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價格，DME作為用于烹飪和取暖的替代品已經(jīng)在日本和中國被廣泛測試。另外，LPGDME混合物（高達30%的DME的質(zhì)量）已廣泛應(yīng)用在中國家

5、庭。在韓國，2005年的LPG消耗量是790萬噸，幾乎50%來自汽車?，F(xiàn)有的LPG的車輛和氣瓶充裝站可以很容易地修改處理LPGDME的共混物，同時，假設(shè)在LPG中使用20%的DME，需求預(yù)計將在韓國僅約186萬噸。然而，在柴油機中應(yīng)用DME的技術(shù)尚未完全建立，因此LPG-DME混合燃料是一個非?？煽康姆绞綄τ谠谌剂鲜袌錾洗笠?guī)模使用DME?；鸹c火的發(fā)動機工作在LPG-DME混合燃料條件下是通過實驗研究的。表格1.DME和LPG燃料的特性規(guī)格二甲醚正丁烷化學(xué)結(jié)構(gòu)液體密度667579分子量(g/mol)46.0758.12空燃比9.0015.46蒸汽壓力(kPa)539210沸點()-25.0-0

6、.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)動機規(guī)格規(guī)格資源發(fā)動機型號V6 DOHC LPi缸徑?jīng)_程(mm)86.775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. 實驗設(shè)備2.1.測試發(fā)動機 所有的發(fā)動機臺架試驗是在一個2.7升的火花點火并配備了液相噴射系統(tǒng)的發(fā)動機上進行（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通過進氣口注入。該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的功率相當(dāng)于一個小排量汽油發(fā)動機。該發(fā)動機的特點總結(jié)由表2提供。

7、圖1是本研究中使用的實驗裝置示意圖。試驗是在連接到發(fā)動機的一個電渦流測功機上進行的（最大制動功率=300 Ps / 3200 rpm，最大制動力矩=700 Nm）。為了監(jiān)測發(fā)動機的運行參數(shù)（相對負荷，進氣質(zhì)量，冷卻液溫度，值，等等），改變?nèi)剂媳O(jiān)測數(shù)據(jù)，一個可編程的發(fā)動機管理系統(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，和一個寬帶氧傳感器和計被用來精確地控制發(fā)動機的空燃比。此外，廢氣分析儀（Horiba MEXA7100）被用來測量CO，THC，NOx的排放。最后，制動比油耗（BSFC）通過氣瓶

8、使用平衡過程中重量的變化被測量。2.2. 發(fā)動機測試步驟 為了觀察DME混合比對發(fā)動機扭矩的影響從而進行了一系列的測試，制動比油耗，廢氣溫度，和燃燒穩(wěn)定性。發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速（12005200 rpm）和負荷（低負荷，節(jié)氣門全開的條件下）下運行。質(zhì)量分數(shù)從030%的DME混合燃料被使用，同時測量18003600rpm的廢氣排放。 測試結(jié)果的一些不確定性是由于冷卻液溫度，油溫，進氣溫度，環(huán)境溫度和燃料供應(yīng)質(zhì)量的變化等造成的。每個測試至少進行兩次并且減少發(fā)動機測試的不確定性和測試結(jié)果的不確定性變化平均被控制在3%以內(nèi)。3. 結(jié)果和討論3.1. 根據(jù)DME共混物的發(fā)動機性能 使用質(zhì)量分數(shù)從030%的D

9、ME混合燃料，發(fā)動機扭矩，制動比油耗，排氣溫度以及氣缸壓力都被測量。圖2給出了發(fā)動機扭矩根據(jù)DME混合燃料（0%，10%，20%和30%）在12005200rpm節(jié)氣門全開（WOT）的工況下。發(fā)動機的性能表現(xiàn)出更少的轉(zhuǎn)矩當(dāng)DME含量的增加時，DME含量小于10%時發(fā)動機扭矩與純LPG可比的。然而，對于30%DME混合物，相比純LPG工況，發(fā)動機扭矩在高轉(zhuǎn)速時下降20%。在ECU燃油映射數(shù)據(jù)是固定的，無論燃料的成分，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(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)動機扭矩隨DME含

10、量的增加而減少。另外，高負荷很容易發(fā)生爆震，由于DME較高的十六烷值。ECU通過延緩點火定時來消除爆震，從而造成發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的減少。 圖3給出了根據(jù)DME混合燃料（0%，10%，20%和30%）在12005200rpm節(jié)氣門全開（WOT）的工況下的制動比油耗。由于DME較低的能量密度隨著DME含量的增加制動比油耗大大增加；當(dāng)DME含量為10%或者更少時，制動比油耗顯示出和純LPG工作時特性。對于30%DME混合物，在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時的制動比油耗比純LPG試驗結(jié)果下降30%。圖4報告了DME共混物在節(jié)氣門全開的條件下對排氣溫度的測量。因為DME的化學(xué)計量值比丁烷低，所以排氣氣體溫度隨DME含量的增加

11、而增加。因此，混合燃料的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量燃料蒸發(fā)的汽化潛熱，從而導(dǎo)致一個較低的排氣溫度。此外，由于爆震，當(dāng)使用DME混合燃料時點火時間被延遲，這是造成廢氣溫度升高的另一個原因。=為了評估發(fā)動機的效率，將采用燃料轉(zhuǎn)換效率，=sfc : 燃油消耗率Q :低熱值 考慮到每個循環(huán)燃料的質(zhì)量，在燃燒過程中會釋放大量的能量。在節(jié)氣門全開工況下的各種DME混合燃料轉(zhuǎn)換效率如圖5所示。對于相對較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，將四種共混物燃料的轉(zhuǎn)換效率進行比較。然而，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，燃料轉(zhuǎn)換效率大大降低，因為具有較高的DME混合物的燃油消耗率高于較低的DME混合物。相比之

12、下，10%的DME，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，燃料轉(zhuǎn)換效率高于丁烷（LPG100%）。這個結(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含量對氣缸壓力及在1800rpm和40 N m負荷條件下的燃燒率的影響。為了消除點火正時對發(fā)動機燃燒的影響，它被固定在上止點前33。由于DME有較低的最小點火能量和低自燃溫度，當(dāng)有較高的DME含量時，會較早開始燃燒并有更高的峰值壓力。這種燃燒特性顯然是對燃燒率曲線的驗證。隨著DME含量的增加，燃燒結(jié)束時間縮短是由于燃燒的提前開始。當(dāng)DME與丁烷混合時，峰值壓力

13、和指示平均有效壓力略有增加，即使發(fā)動機轉(zhuǎn)速，負荷和點火定時保持不變。3.3. 發(fā)動機廢氣排放 排氣總烴（THC）測量在圖7給出。由于DME與丁烷混合，THC略有增加；然而，對于所有的共混物的THC依然很低，小于350 ppm，這似乎與CO排放的趨勢相一致（圖8）。在150N m負載工況下，無論DME的含量如何發(fā)動機都工作在化學(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。在高負荷條件下超過150 N m扭矩時，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，因為燃燒溫度跟隨者

14、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，DME具有較低的最小點火能量和較低的自點火溫度從而誘導(dǎo)過早開始燃燒。過早的開始燃燒會導(dǎo)致高的峰值壓力和長時間NOx的形成。然而，對于30%DME混合物，會由于爆震引起NOx排放量突然減少。DME被認為是柴油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)用于火花點火發(fā)動機時，由于較高的十六烷值，很容易引起爆震問題。在火花點火發(fā)動機，一旦發(fā)生爆震，點火時間延遲時，可導(dǎo)致NOx排放減少。甚至發(fā)動機是工作在真正的丁烷燃料時，由于爆震，超過200 N m負荷工況時N

15、Ox排放會有一個突然的下降。3.4. 燃燒穩(wěn)定性 爆震是不希望的汽車點火情況，常發(fā)生高負荷工況下的電火花點火發(fā)動機。功率損耗和發(fā)動機嚴重損壞是爆震引起的兩種常見的問題。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，不適宜作為火花點火發(fā)動機的燃料，而且會導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定的問題。 圖10就IMEP_COV（這是由平均IMEP計算而來）而言顯示了燃燒的穩(wěn)定性，根據(jù)DME含量不同的發(fā)動機工況下。5%的IMEP_COV被認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

16、DME的燃料用于火花點火發(fā)動機時，對于自動點燃的燃燒室，DME燃料具有高的爆震傾向。當(dāng)發(fā)生爆震時，ECU固有15的邏輯噴油延遲并保護發(fā)動機。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。比曲線高的負荷面積表示爆震高度敏感的工況。 一般來說，爆震經(jīng)常在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速和高負荷工況時觀察。對于丁烷燃料，爆震在高負荷工況且小于小于2000 rpm時觀察，而對于DME混合燃料，它在達到最大負荷前的各種工況下都會發(fā)生。同時，當(dāng)DME含量增加時，爆震發(fā)生面積增加，而值得注意的是，30%的DME甚至在1/2負荷時觀察爆震。爆震會減少總的發(fā)動機功率，同時增加制動燃油消耗率，由于點火正時的延遲和燃

17、燒效率的惡化。3.6. 20%DME混合燃料在WOT 時的修正 節(jié)氣門全開的工況下，為了得到最大功率和較低的排氣溫度，最佳映射在ECU的過量燃料被特意注入，從而在熱的廢氣中保護催化劑。由于發(fā)動機工作在DME含量較高的燃料時，由于低化學(xué)計量的值（k；相對空/燃比）變得較小。圖12顯示的是在節(jié)氣門全開時依據(jù)DME含量的值。發(fā)動機燃用丁烷時工作的區(qū)間為0.860.90，然而發(fā)動機燃用30% DME混合燃料時工作在相對較窄的區(qū)間0.920.96。狹小的空燃比會產(chǎn)生較小的發(fā)動機扭矩和較高的廢氣溫度，從而影響催化劑的持久性。為了彌補這些問題，20%的DME混合物的值僅僅設(shè)置為丁烷的值。圖13-15表明發(fā)動

18、機扭矩、制動燃油消耗率和排氣溫度在這個修改后的變化。發(fā)動機的扭矩和制動燃油消耗率分別增加了4%和13%，排氣溫度下降了36。盡管燃料是特意提供給發(fā)動機從而達到和純丁烷相同的值，但DME和LPG的摻混物卻減少整體的發(fā)動機扭矩并嚴重增加了制動比油耗。4. 結(jié)論 電火花點火發(fā)動機使用LPGDME的摻混物通過實驗進行研究。性能，排放特性（包括CH，CO，和NOx排放），以及一個汽油機燃用DME摻混LPG的燃燒穩(wěn)定性進行檢測。從這項研究中，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)動機的扭矩減小，制動比油耗顯著增加。2.在節(jié)氣門全開時，由于DME的化學(xué)計量的值低

19、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5%的工作條件下，發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性都被保證，無論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混合物的值被調(diào)整到純丁烷的值后，發(fā)動機的扭矩和制動燃油消耗率分別增加了4%和13%。另外，排氣溫度下降了36。鳴謝作者要感謝KIMM對“中型液化石油氣車輛發(fā)展”的資金和技術(shù)支持。參考文獻1. Maroteaux F, Descombes G, Sauton F. Performance and exhaust emissions of a diesel engine running wi

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