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二甲醚液化石油气混合燃料教材

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,Taejon305-343,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

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.V6DOHC的LPG发动机规格

规格

资源

发动机型号

V6DOHCLPi

缸径

冲程（mm）

86.7

75

压缩比

10.4

位移（cc）

2656

最大功率（KW）

121.4@5400rpm

最大扭矩（Nm）

245@4000rpm

2.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=300Ps/3200rpm，最大制动力矩=700N

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（Kistler6117B）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（HoribaMEXA7100）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（1200–5200rpm）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（45.72MJ/kg）的低热值比DME（28.8MJ/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。

=

为了评估发动机的效率，将采用燃料转换效率，

=

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 Nm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350ppm，这似乎与CO排放的趋势相一致（图8）。

在150Nm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 Nm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 Nm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。

功率损耗和发动机严重损坏是爆震引起的两种常见的问题。

为了防止爆震高辛烷值燃料被推荐，因此，DME，它具有高的十六烷值，不适宜作为火花点火发动机的燃料，而且会导致燃烧不稳定的问题。

图10就IMEP_COV（这是由平均IMEP计算而来）而言显示了燃烧的稳定性，根据DME含量不同的发动机工况下。

5%的IMEP_COV被认为是决定了燃烧的稳定性的捷径，并且我们得到了在低负荷工况下少于2% 的IMEP_COV。

3.5.DME混合燃料的爆震

由于DME燃料的高辛烷值，当LPG混合DME的燃料用于火花点火发动机时，对于自动点燃的燃烧室，DME燃料具有高的爆震倾向。

当发生爆震时，ECU固有15℃的逻辑喷油延迟并保护发动机。

爆震发生面积在所有的工况条件下随DME含量的变化在图11中显示。

比曲线高的负荷面积表示爆震高度敏感的工况。

一般来说，爆震经常在发动机低转速和高负荷工况时观察。

对于丁烷燃料，爆震在高负荷工况且小于小于2000rpm时观察，而对于DME混合燃料，它在达到最大负荷前的各种工况下都会发生。

同时，当DME含量增加时，爆震发生面积增加，而值得注意的是，30%的DME甚至在1/2负荷时观察爆震。

爆震会减少总的发动机功率，同时增加制动燃油消耗率，由于点火正时的延迟和燃烧效率的恶化。

3.6.20%DME混合燃料在WOT时的λ修正

节气门全开的工况下，为了得到最大功率和较低的排气温度，最佳映射在ECU的过量燃料被特意注入，从而在热的废气中保护催化剂。

由于发动机工作在DME含量较高的燃料时，由于低化学计量的λ值λ（k；相对空/燃比）变得较小。

图12显示的是在节气门全开时依据DME含量的λ值。

发动机燃用丁烷时工作的λ区间为0.86–0.90，然而发动机燃用30%DME混合燃料时工作在相对较窄的λ区间0.92–0.96。

狭小的空燃比会产生较小的发动机扭矩和较高的废气温度，从而影响催化剂的持久性。

为了弥补这些问题，20%的DME混合物的λ值仅仅设置为丁烷的λ值。

图13-15表明发动机扭矩、制动燃油消耗率和排气温度在这个修改后的变化。

发动机的扭矩和制动燃油消耗率分别增加了4%和13%，排气温度下降了36℃。

尽管燃料是特意提供给发动机从而达到和纯丁烷相同的λ值，但DME和LPG的掺混物却减少整体的发动机扭矩并严重增加了制动比油耗。

4.结论

电火花点火发动机使用LPG–DME的掺混物通过实验进行研究。

性能，排放特性（包括CH，CO，和NOx排放），以及一个汽油机燃用DME掺混LPG的燃烧稳定性进行检测。

从这项研究中，可以得出以下结论。

1.由于DME比纯LPG有较低的能量含量，随着DME含量的增加，发动机的扭矩减小，制动比油耗显著增加。

2.在节气门全开时，由于DME的化学计量的λ值低于丁烷，从而排气温度随DME含量的增加而增加。

3.在所有IMEP_COV未超过5%的工作条件下，发动机的燃烧稳定性都被保证，无论DME含量如何。

4.随着DME含量增加，爆震发生面积大幅度增加。

5.在20%DME混合物的λ值被调整到纯丁烷的λ值后，发动机的扭矩和制动燃油消耗率分别增加了4%和13%。

另外，排气温度下降了36℃。

鸣谢

作者要感谢KIMM对“中型液化石油气车辆发展”的资金和技术支持。

参考文献

[1].MaroteauxF,DescombesG,SautonF.PerformanceandexhaustemissionsofadieselenginerunningwithDME.In:

Proceedingsofthe2001ICEspringtechnicalconference,vol.1;2001.p.73–81.

[2].JapanDMEforum.DMEhandbook;2007.

[3].ArcoumanisC,BaeC,CrookesR,KinoshitaE.Thepotentialofdi-methylether（DME）asanalternativefuelforcompression–ignitionengines:

areview.Fuel2008;87（2008）:

1014–30.

[4].LongbaoZ,HewuW,DemingH,ZuohuaH.StudyofperformanceandcombustioncharacteristicsofaDME-fueledlight-dutydirect-injectiondieselengine.SAEpaper1999-01-3669;1999.

[5].KapusP,OfnerH.DevelopmentoffuelinjectionequipmentandcombustionsystemforDIdieselsoperatedondi-methylether.SAEpaper950062;1995.

[6].AnB,SatoY,LeeS,TakayanagiT.EffectsofinjectionpressureofcombustionofaheavydutydieselenginewithcommonrailDMEinjectionsystem.SAEpaper2004-01-1864;2004.

[7].MurayamaT,MiyamotoN,YamadaT,KawashimaJ,ItowK.Amethodtoimprovethesolubilityandcombustioncharacteristicsofalcohol-dieselfuelblends.SAEpaper821113;1982.

[8].CrookesRJ,Bob-ManuelKDH.Di-methyletherorrapeseedmethylester:

apreferredalternativefueloptionforfuturedieselengineoperation.In:

Proceedingsofthefifthinternationalcolloquiumonfuels;2005.p.181–7.

[9].ChenZ,KonnoM,OgumaM,YanaiT.ExperimentalstudyofCInatural-gas/DMEhomogeneouschargeengine.SAEpaper2000-01-0329.SAETransJEng2000;109（3）:

442–51.

[10].YeomK,JangJ,BaeC.HomogeneouschargecompressionignitionofLPGandgasolineusingvariablevalvetiminginanengine.Fuel2007;86（4）:

494–503.

[11].KajitaniS,ChenCL,OgumaM,AlamM,RheeK.Directinjectiondieselengineoperatedwithpropane-DME-blendedfuel.SAEpaper982536;1998.

[12].WeidouN,LijianT,DeweiF.RationalcognitionofDMEmarketinChina.In:

ProceedingsofthethirdAsianDMEconference;2006.p.21–38.

[13].KimB.KogasDMEbusiness.In:

ProceedingsofthethirdAsianDMEconference;2006.p.197–205.

[14].KangK.AheavydutyLPGleanburnengineusingLPisystem.In:

InternationalsymposiumonLPGvehicles;2002.

[15].HeywoodJB.Internalcombustionenginesfundamentals.NewYork:

McGrawHill;1998.

附录：

缩写：

BSFC，制动比油耗；BTDC，上止点前；CA，曲轴角；CO，一氧化碳；COV，变化系数；DME，二甲醚；DOHC，顶部双凸轮；ECU，发动机控制中心；EMS，发动机管理系统；IMEP，指示平均有效压力；LPG，液化石油气；LPI，液相喷射；NOx，氮氧化物；SFC，燃油消耗率；SI，电火花点火；THC，总的碳氢化合物（总烃）；WOT，节气门全开。

术语

λλ值（空燃比）

ηf燃料转换效率（%）

低热值（MJ/kg）

Fig.1.实验装置示意图

Fig.2.节气门全开时依据DME含量的不同发动机转速下的发动机扭矩。

Fig.3.节气门全开时按DME含量在不同发动机速度下的制动燃油消耗率。

Fig.4.节气门全开时按DME含量在不同发动机速度下的排气温度。

Fig.5.节气门全开时按DME含量在不同发动机速度下的燃料转换效率。

Fig.6.根据DME含量在1800 rpm及40N M负荷以下的气缸压力和燃烧速率。

Fig.7.根据DME含量在1800rpm时发动机的总烃（THC）排放。

Fig.8.根据DME含量在1800rpm时发动机一氧化碳（CO）的排放量。

Fig.9.根据DME含量在1800rpm时发动机NO

的排放量。

Fig.10.根据DME含量的指示平均有效压力。

Fig.11.根据DME含量的爆震极限。

Fig.12.节气门全开时根据DME含量的相对空燃比。

Fig.13.修正λ值后的20% DME燃料的发动机的扭矩变化。

Fig.14.修正λ值后的20% DME燃料的制动比油耗变化。

Fig.15.修正λ值后的20% DME燃料的废气温度变化。