二甲醚-液化石油气混合燃料

二甲醚/液化石油气混合燃料火花点火发动机的燃烧和排放性能研究（发动机的研究团队，绿色生态机械研究室，韩国机械与材料研究所，171, Jang-Dong, Yuseong-gu, Taejon 305-343,韩国）摘要这项研究中，电火花点火的发动机工作在二甲醚和液化石油气混合条件下被以实验的方式研究。

在个别项目，性能，排放特性（包括碳氢化合物，CO，和NOx排放），以及汽油机在DME和LPG燃料掺混燃烧工作在1800~3600rpm时的燃烧稳定性。

结果表明通过混合20%的DME燃料对于较宽范围负荷的发动机达到稳定的工况是可能的。

而且，我们证明，达到10%的DME，发动机输出功率与纯LPG 是可相比的。

废气排放检测表明，在较低发动机转速下，使用混合燃料时，CH 和NOx排放有所增加。

然而，随着混合燃料的使用，发动机的功率输出是减少的，而且制动燃油消耗率会严重恶化，因为DME的能量含量与LPG相比非常低。

此外，由于DME较高的十六烷值，爆震会随DME而显著增加。

考虑到发动机功率输出和废气排放的结果，通过混合上升到10%的DME混合燃料可用来和LPG相替换，并且DME掺混LPG燃料预期有扩大DME市场的潜力。

关键词二甲醚液化石油气混合燃料电火花点火代用燃料1.引言最近，许多研究实施在可替换燃料上，由于对较低的燃油消耗率和废气排放要求的增加。

DME混合燃料产品的潜力被证实，而且作为一种燃料是有前途的。

作为一种能源，DME在21世纪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、化学及存储性能。

在亚洲，家庭和运输的能源需求迅速增加，作为一种可替代燃料，使用DME是非常有前途的。

DME的毒性很低，和LPG等同，它是通过光化学反应生成臭氧的。

基于它的无毒性，合适的可溶性以及室温下的蒸汽压，定量的DME 可作为喷雾器的压缩气体实现商业化生产。

乍一看，当用在柴油机上时，DME 似乎是一种特别好的、有效的可替代燃料，并且几乎是无烟燃烧。

不仅是因为它有较低的自燃温度且几乎是瞬间蒸发，而且由于在燃料中分子结构缺少直的C-C 键以及氧原子（35%左右的质量）的存在。

此外，一个设计适当的燃料供给系统，当DME 与柴油相比时，NOx 的排放被认为是较低的。

DME 作为一种添加剂或点火增强剂甚至能够用于各种燃料在传统的柴油燃烧中，双燃料工况和均质压燃工况中。

丙烷，氢气和天然气以及DME 的援助，都已被测试作为柴油的替代品。

DME 的燃料特性和丁烷相似，但是DME 的低热值只有丁烷的63%，这意味着每个循环需要更大量的燃料来确保相同的发动机功率。

当LPG 溶于DME 时，混合燃料与主体液体燃料（DME ）相比具有较高的能量含量。

由于不断增加的LPG 价格，DME 作为用于烹饪和取暖的替代品已经在日本和中国被广泛测试。

另外，LPG –DME 混合物（高达30%的DME 的质量）已广泛应用在中国家庭。

在韩国，2005年的LPG 消耗量是790万吨，几乎50%来自汽车。

现有的LPG 的车辆和气瓶充装站可以很容易地修改处理LPG –DME 的共混物，同时，假设在LPG 中使用20%的DME ，需求预计将在韩国仅约186万吨。

然而，在柴油机中应用DME 的技术尚未完全建立，因此LPG-DME 混合燃料是一个非常可靠的方式对于在燃料市场上大规模使用DME 。

火花点火的发动机工作在LPG-DME 混合燃料条件下是通过实验研究的。

表格1.DME 和LPG 燃料的特性规格二甲醚 正丁烷 化学结构()O CH 23 104H C 液体密度667 579 分子量(g/mol )46.07 58.12 空燃比9.00 15.46 蒸汽压力(kPa )539 210 沸点(℃)-25.0 -0.5 汽化潜热(kJ/kg )467 358 辛烷值 55-60 -低热值 (MJ/kg) 28.80 45.72表格2.V6 DOHC的LPG发动机规格规格资源发动机型号V6 DOHC LPi缸径⨯冲程(mm) 86.7⨯75压缩比10.4位移 (cc) 2656最大功率(KW) 121.4@5400 rpm最大扭矩(N m) 245@4000 rpm2.实验设备2.1.测试发动机所有的发动机台架试验是在一个2.7升的火花点火并配备了液相喷射系统的发动机上进行（第三代LPG喷射系统）。

在这种燃油供给系统中，被压缩成液相的LPG通过进气口注入。

该系统能够产生的功率相当于一个小排量汽油发动机。

该发动机的特点总结由表2提供。

图1是本研究中使用的实验装置示意图。

试验是在连接到发动机的一个电涡流测功机上进行的（最大制动功率=300 Ps / 3200 rpm，最大制动力矩=700 N∙m）。

为了监测发动机的运行参数（相对负荷，进气质量，冷却液温度，λ值，等等），改变燃料监测数据，一个可编程的发动机管理系统（EMS）和数据采集系统（ETAS MAC2）被应用。

热电偶和压电压力传感器（Kistler 6117B）用于排气系统、气缸压力监测，和一个宽带氧传感器和λ计被用来精确地控制发动机的空燃比。

此外，废气分析仪（Horiba MEXA7100）被用来测量CO，THC，NOx的排放。

最后，制动比油耗（BSFC）通过气瓶使用平衡过程中重量的变化被测量。

2.2. 发动机测试步骤为了观察DME混合比对发动机扭矩的影响从而进行了一系列的测试，制动比油耗，废气温度，和燃烧稳定性。

发动机在不同转速（1200–5200 rpm）和负荷（低负荷，节气门全开的条件下）下运行。

质量分数从0～30%的DME 混合燃料被使用，同时测量1800～3600rpm 的废气排放。

测试结果的一些不确定性是由于冷却液温度，油温，进气温度，环境温度和燃料供应质量的变化等造成的。

每个测试至少进行两次并且减少发动机测试的不确定性和测试结果的不确定性变化平均被控制在3%以内。

3. 结果和讨论3.1. 根据DME 共混物的发动机性能使用质量分数从0～30%的DME 混合燃料，发动机扭矩，制动比油耗，排气温度以及气缸压力都被测量。

图2给出了发动机扭矩根据DME 混合燃料（0%，10%，20%和30%）在1200–5200rpm 节气门全开（WOT ）的工况下。

发动机的性能表现出更少的转矩当DME 含量的增加时，DME 含量小于10%时发动机扭矩与纯LPG 可比的。

然而，对于30%DME 混合物，相比纯LPG 工况，发动机扭矩在高转速时下降20%。

在ECU 燃油映射数据是固定的，无论燃料的成分，所以，尽管DME 含量从0～30%变化，但喷油量是恒定的。

参考表1，丁烷(45.72 MJ/kg )的低热值比DME (28.8 MJ/kg )高很多，因此，相同量的燃料，发动机扭矩随DME 含量的增加而减少。

另外，高负荷很容易发生爆震，由于DME 较高的十六烷值。

ECU 通过延缓点火定时来消除爆震，从而造成发动机转矩的减少。

图3给出了根据DME 混合燃料（0%，10%，20%和30%）在1200–5200rpm 节气门全开（WOT ）的工况下的制动比油耗。

由于DME 较低的能量密度随着DME 含量的增加制动比油耗大大增加；当DME 含量为10%或者更少时，制动比油耗显示出和纯LPG 工作时特性。

对于30%DME 混合物，在发动机高转速时的制动比油耗比纯LPG 试验结果下降30%。

图4报告了DME 共混物在节气门全开的条件下对排气温度的测量。

因为DME 的化学计量λ值比丁烷低，所以排气气体温度随DME 含量的增加而增加。

因此，混合燃料的λ值高于丁烷是由于总的燃料供给量是固定。

更大的空燃比需要更多的过量燃料蒸发的汽化潜热，从而导致一个较低的排气温度。

此外，由于爆震，当使用DME 混合燃料时点火时间被延迟，这是造成废气温度升高的另一个原因。

f η=()()kg MJ Q h kW g sfc HV //3600⋅为了评估发动机的效率，将采用燃料转换效率，f η=()()kg MJ Q h kW g sfc HV //3600⋅ sfc : 燃油消耗率Q :低热值 考虑到每个循环燃料的质量，在燃烧过程中会释放大量的能量。

在节气门全开工况下的各种DME 混合燃料转换效率如图5所示。

对于相对较低的发动机转速，将四种共混物燃料的转换效率进行比较。

然而，随着发动机转速的增加，燃料转换效率大大降低，因为具有较高的DME 混合物的燃油消耗率高于较低的DME 混合物。

相比之下，10%的DME ，随着发动机转速的增加，燃料转换效率高于丁烷（LPG100%）。

这个结果是由混合燃料较小的低热值引起的，即使丁烷的燃油消耗率和10% 的DME 混合物是相当的。

3.2.不同DME 混合物的缸压分析图6表明，DME 含量对气缸压力及在1800rpm 和40 N m 负荷条件下的燃烧率的影响。

为了消除点火正时对发动机燃烧的影响，它被固定在上止点前33℃。

由于DME 有较低的最小点火能量和低自燃温度，当有较高的DME 含量时，会较早开始燃烧并有更高的峰值压力。

这种燃烧特性显然是对燃烧率曲线的验证。

随着DME 含量的增加，燃烧结束时间缩短是由于燃烧的提前开始。

当DME 与丁烷混合时，峰值压力和指示平均有效压力略有增加，即使发动机转速，负荷和点火定时保持不变。

3.3. 发动机废气排放排气总烃（THC ）测量在图7给出。

由于DME 与丁烷混合，THC 略有增加；然而，对于所有的共混物的THC 依然很低，小于350 ppm ，这似乎与CO 排放的趋势相一致（图8）。

在150N m 负载工况下，无论DME 的含量如何发动机都工作在化学当量的工况。

在这些工况下，当DME 的含量较高时CO 排放量也较高，原因有可能是由于爆震引起不稳定燃烧。

在高负荷条件下超过150 N m 扭矩时，总的空燃比是更大，并引起CO 排放量的突然增加。

NOx 排放如图9所示。

DME 混合物产生更多的NOx 排放，因为燃烧温度跟随者排气温度，含有较高的百分比DME的共混物燃料的燃烧温度应该更高。

这将导致产生更高热的NOx。

同时，DME具有较低的最小点火能量和较低的自点火温度从而诱导过早开始燃烧。

过早的开始燃烧会导致高的峰值压力和长时间NOx的形成。

然而，对于30%DME混合物，会由于爆震引起NOx排放量突然减少。

DME被认为是柴油替代品由于其高的辛烷值和低的碳烟及NOx排放。

当高含量DME燃料应用于火花点火发动机时，由于较高的十六烷值，很容易引起爆震问题。

在火花点火发动机，一旦发生爆震，点火时间延迟时，可导致NOx 排放减少。

甚至发动机是工作在真正的丁烷燃料时，由于爆震，超过200 N m负荷工况时NOx排放会有一个突然的下降。

3.4. 燃烧稳定性爆震是不希望的汽车点火情况，常发生高负荷工况下的电火花点火发动机。