碳酸二甲酯對烷基化汽油燃燒性能的影響

楊 鶴， 王鵬飛， 王 俊， 徐 辰， 韓永強， 張建榮

(1.中國石化 石油化工科學研究院， 北京 100083; 2.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022)

隨著發動機技術的不斷進步，發動機對汽油性能的要求也逐漸提升[1]。催化裂化(FCC)原料加氫處理、催化柴油加氫裂化等生產高辛烷值汽油的技術已經推廣應用[2]。汽油作為一種組成復雜的混合物決定了其性能指標不易精準控制，進而人們開發出多種多樣的添加劑來改善汽油的性能，如抗爆劑、清凈劑以及助燃劑等[3]。在汽油各項性能指標中，抗爆性是最重要的指標，具體表現為汽油辛烷值的大小。抗爆性不足的汽油會發生爆震現象，使得燃燒室內壓力失常，進而損壞發動機，降低發動機的熱效率、功率、經濟性以及增加污染物的排放[4]。抗爆劑的添加對于提高汽油的辛烷值是十分有效的。抗爆劑的發展也從最初的含有重金屬的四乙基鉛過渡到今天大量使用的甲基叔丁基醚(MTBE)。然而，近期有研究稱MTBE會污染地下水，并有可能存在致癌的危險[5]。因此，尋求更加高效、綠色、環保的汽油抗爆劑仍然是當務之急。

酯類化合物一般無毒、環保，是極具潛力的一類新型抗爆劑。其中，碳酸二甲酯(DMC)含氧量高，在有機溶劑中溶解性好且可以有效提高汽油的辛烷值。同時含氧化合物可以減少燃燒室沉積物[6]。關于DMC在柴油中的應用報道較多，主要考察DMC的加入對柴油理化性質、柴油機功率、排放煙度和其他排放指標的影響。孫士杰等[7]研究發現：在符合歐Ⅳ標準的柴油中加入DMC后，柴油機熱效率明顯提升；隨著負載的增加，煙度可降低90%。Rounce等[8]研究了DMC對生物柴油和普通柴油的燃燒排放影響，結果表明，NOx排放有所增加，而CO、總碳氫化合物(THC)以及顆粒物(PM)的排放均有大幅下降。Lü等[9]在對DMC柴油混合燃料的研究中也發現，NOx排放隨DMC的增加而增加，當氧體積分數高于15%時，NOx排放增幅可達到15%～20%。然而，相比于柴油，有關DMC對汽油的影響則研究不多，且多集中于對汽油理化性質、排放特性、動力性、經濟性等的影響，并未從燃燒的角度加以分析。宋崇林等[10]以摻混不同比例DMC的90#汽油為燃料，對于DMC對汽油機的理化特性、動力性、經濟性、排放特性進行了分析，得出了DMC的加入導致燃料燃油消耗率上升、動力性變化不明顯等結論。董素榮等[11]分析了DMC對汽油排放特性的影響，DMC的加入導致汽油的NOx排放有所下降。胡二江等[12]從DMC化學式角度分析了著火延遲期模型，但并未深入進行燃燒分析。筆者采用一臺增壓直噴汽油機，研究了加入體積分數為10%的DMC對烷基化汽油在典型工況下發動機經濟性、動力性、排放性以及燃燒過程的影響，并對其燃燒和經濟性、排放特性進行了關聯性分析。

1 實驗部分

1.1 實驗燃料

試驗用油選取烷基化汽油(Alkylated gasoline, AG)為基礎油，進而將碳酸二甲酯(DMC)以體積分數為10%的比例與基礎油混合得到調合汽油(AG+DMC)。烷基化汽油來源于某山東地方煉油廠，碳酸二甲酯購自阿拉丁試劑公司。基礎油和調合油的理化性質見表1。

表1 烷基化汽油(AG)和調合汽油(AG+DMC)的理化性質Table 1 Physicochemical properties of alkylated gasoline (AG) and blend gasoline (AG+DMC)

DMC—Dimethyl carbonate; AG+DMC—Blend gasoline composed of alkylated gasoline and DMC with 10% volume fraction; RON—Research octane number;T10—10% evaporated temperature;T50—50% evaporated temperature;T90—90% evaporated temperature;F—Final boiling point temperature;pv—Vapour pressure;Hu—Low heat value

1.2 試驗臺架

以目前市場主流車型采用的四缸直列四沖程增壓直噴汽油機為研究對象，其具體性能參數如表2所示。

表2 四缸直列四沖程增壓直噴汽油機的主要性能參數Table 2 Main technical specifications of four-cylinder in-line four-stroke supercharged direct injection gasoline engine

D—Displacement;R1—Idle speed;R2—Rated speed;P—Rated power;R3—Speed under maximum torque;Tmax—Maximum torque;pmax—Maximum pressure

發動機臺架測控系統的主要儀器設備包括：洛陽南峰機電設備制造有限公司生產的CW260型測功機；瑞士奇石樂Kistler儀器公司生產的6117B型缸壓傳感器和5011B型電荷放大器；日本小野測器公司生產的ONO SOKKI型體積式油耗儀；AVL李斯特公司生產的INDICOM型燃燒分析儀；日本HORIBA公司生產的MEXA7400型排放分析儀。

1.3 參數的定義

有效燃油消耗率(Brake specific fuel consumption,be)定義為：

式中，be為有效燃油消耗率，g/(kW·h)；B為整機燃油消耗率，g/h；Pe為有效功率，kW。

燃料的化學能轉換為曲軸輸出功(We，kJ)的能量轉換效率，稱為有效效率(Effective efficiency,ηe)。

式中，gb為單缸每循環燃油消耗量，kg；Hu為燃料低熱值，kJ/kg。

2 結果與討論

2.1 摻混DMC對燃燒烷基化汽油發動機經濟性和動力性的影響

試驗研究了DMC的加入對中低轉速負荷特性和外特性的典型工況下增壓直噴汽油機性能的影響。外特性工況是指發動機全負荷運行時的工況，外特性曲線是在外特性工況下測出的功率或扭矩隨轉速的變化曲線，可有效地反映出發動機的動力情況。有效燃油消耗率和有效熱效率可反映發動機的經濟性。表3和圖1為在中低轉速(1300～2400 r/min)和外特性工況下分別燃燒烷基化汽油和摻入DMC的調合汽油時汽油機有效燃油消耗率及有效熱效率。由表3和圖1可知，在選取的穩態和外特性工況下，摻入DMC的調合汽油的有效燃油消耗率相比于烷基化汽油明顯增加。在轉速1300 r/min、扭矩40 N·m 工況下達到最大增幅20.53%，各試驗工況下平均增幅為13.4%。

表3 中低轉速工況下燃燒摻入DMC前后烷基化汽油的汽油機負荷特性Table 3 Load characteristics of gasoline engine at low and medium speed conditions

AG—Alkylated gasoline; DMC—Dimethyl carbonate; AG+DMC—Blend gasoline composed of alkylated gasoline and DMC with 10% volume fraction;be—Brake specific fuel consumption;I(be)—Increase of brake specific fuel consumption,I(be)=(be(AG+DMC)/be(AG)-1)×100%;ηe—Effective efficiency

圖1 外特性工況下燃燒摻入DMC前后烷基化汽油的汽油機經濟性對比Fig.1 Economic comparison under external conditions(a) be; (b) ηeAG—Alkylated gasoline; DMC—Dimethyl carbonate; AG+DMC—Blend gasoline composed of alkylated gasoline and DMC with 10% volume fraction; be—Brake specific fuel consumption; ηe—Effective efficiency

由于摻入DMC的調合汽油與烷基化汽油的熱值相差較大，筆者引入有效熱效率進一步對發動機經濟性進行對比分析。有效燃油消耗率與有效熱效率和熱值的乘積呈反比，因此影響有效燃油消耗率的主要因素是有效熱效率和熱值。由表3可知，摻入DMC的調合汽油的有效熱效率相比于烷基化汽油變化不明顯。以轉速2400 r/min、扭矩80 N·m工況為例，摻入DMC的調合汽油的有效熱效率相比于烷基化汽油提高約3.34%，但有效燃油消耗率增加約3%，說明有效燃油消耗率的增加主要是由燃料熱值降低(見表1)所引起的。

圖2為燃燒摻入DMC前后烷基化汽油的汽油機的外特性曲線。對比可知，2種汽油的外特性曲線相近，并無明顯差異，偏差幅度均不超過3%。由于這2種汽油的循環供熱量相近，因此兩者動力性接近。

2.2 摻混DMC對燃燒烷基化汽油發動機排放性能的影響

表4為不同工況下燃燒摻入DMC前后烷基化汽油的CO、NOx以及THC氣體有害物的排放對比情況。由表4可知：摻入DMC的調合汽油在低負荷和高負荷時的CO排放優于烷基化汽油；而在中等負荷時的CO排放有一定程度的惡化。在3種工況下，如轉速1800 r/min、扭矩60 N·m，轉速 2000 r/min、扭矩60 N·m，轉速2400 r/min、扭矩60 N·m，CO排放分別增加16%、13%、2%。其他工況下，摻入DMC的調合汽油CO排放均有改善，最大降幅為27%。在相同的轉速和扭矩下，摻入DMC的調合汽油NOx和THC排放相比于烷基化汽油均有稍許的優化，其中NOx排放體積分數最多可減少3.57×10-4，降幅為32%，THC排放體積分數最多可減少3.58×10-4，降幅為13%。DMC的摻入會使燃燒始點推遲，燃燒期變長，缸內最高燃燒溫度下降，進而減少了NOx的形成。

圖2 外特性工況下燃燒摻入DMC前后烷基化汽油的汽油機動力性比較Fig.2 Dynamic performance comparisonunder external conditionsAG—Alkylated gasoline; DMC—Dimethyl carbonate;AG+DMC—Blend gasoline composed of alkylated gasoline and DMC with 10% volume fraction

表4 不同工況下燃燒摻入DMC前后烷基化汽油的有害物排放對比Table 4 Comparison of harmful exhaust emissions at different speeds and torque conditions

AG—Alkylated gasoline; DMC—Dimethyl carbonate; AG+DMC—Blend gasoline composed of alkylated gasoline and DMC with 10% volume fraction;φ—Emissions expressed in volume fraction

表5為在轉速1300 r/min工況下不同扭矩的顆粒物排放對比。可以看出，摻入DMC的調合汽油的總顆粒物排放相比于烷基化汽油表現出了不同程度的增加，最高增幅103%。核態顆粒物的排放呈增長趨勢，在扭矩60 N·m下最高增幅113%；中小負荷下摻入DMC的調合汽油的積聚態顆粒物增多；大負荷時積聚態顆粒物減少8%。這是由于在中小負荷區域，發動機中是當量混合氣燃燒，積聚態產生很少，DMC不發揮自攜氧作用；大負荷區域混合氣濃度增加，此時加入的10% DMC發揮自攜氧作用，使得大負荷區域積聚態顆粒物相比于烷基化汽油減少。

表5 燃燒摻入DMC前后烷基化汽油在轉速1300 r/min下不同扭矩的顆粒物排放對比Table 5 Comparison of particulate matter emissions at 1300 r/min and different torques

AG—Alkylated gasoline; DMC—Dimethyl carbonate; AG+DMC—Blend gasoline composed of alkylated gasoline and DMC with 10% volume fraction;ntotal—Total particulate matter emissions;nnuc—Nuclei particulate matter emissions;nacc—Accumulated particulate matter emissions

2.3 摻混DMC對烷基化汽油燃燒過程的影響

試驗研究了摻混DMC對烷基化汽油燃燒過程的影響。表6為在1800 r/min轉速下2種汽油在燃燒過程中的燃燒始點(燃燒5%)、燃燒重心(燃燒50%)、燃燒持續期(燃燒5%～95%)以及缸內最大壓力(pmax)的比較情況。

由表6可見：相比于烷基化汽油，摻入DMC的調合汽油在扭矩60 N·m工況下燃燒始點推遲0.52° CA;而在小負荷工況扭矩40 N·m下燃燒始點推遲1.24° CA;在扭矩80 N·m工況下燃燒重心最多推移1.98° CA。因此燃燒過程等容度下降，同時散熱損失上升，導致摻入DMC的調合汽油熱效率有所下降。加入DMC后，在扭矩 80 N·m 下，燃燒持續期延長2.32° CA，從而導致該工況的熱效率相比于同轉速其他工況的熱效率明顯降低。摻混DMC后，由于燃料的辛烷值提高，故燃燒始點推遲，同時燃燒重心推后，進而整個燃燒持續期后移，燃燒等容度下降，散熱損失增加，導致氣缸內溫度有所降低，從而減少了NOx的形成。

表6 轉速1800 r/min下摻混DMC對烷基化汽油燃燒過程的影響Table 6 Effect of blending DMC on combustion process at 1800 r/min

AG—Alkylated gasoline; DMC—Dimethyl carbonate; AG+DMC—Blend gasoline composed of alkylated gasoline and DMC with 10% volume fraction;A5—Crank angle at which 5% of mass fraction burned;A50—Crank angle at which 50% of mass fraction burned;A5-95—Crank angle range from 5% to 95% of mass fraction burned;pmax—Maximum pressure in cylinder

3 結 論

(1) 在等負荷工況下，烷基化汽油中加入DMC使燃料的熱值降低，汽油機有效燃油消耗率相比于未加DMC烷基化汽油有所增加，平均增幅為13.4%。在動力性方面，DMC的加入基本上沒有影響。

(2) 烷基化汽油中加入DMC后對排放有不同程度的改善。其中，CO排放在小負荷和大負荷時有所改善，最大降幅為27%；中等負荷工況下CO排放無改善。總HC化合物的排放有所改善，最大降幅為13%。同時，NOx的排放有明顯改善，最大降幅為32%。在大負荷區域，DMC的自攜氧發揮作用，可降低積聚態顆粒物的排放，最大降幅為8%。

(3) 摻混DMC后，燃料的辛烷值提高，延長了點火滯燃期，造成燃燒始點最多可推遲1.24° CA，燃燒重心最多推移1.98° CA，燃燒持續期最大延長2.32° CA，進而導致摻混DMC的調合汽油的燃燒等容度下降，散熱損失增加，導致氣缸內溫度有所降低，從而減少了NOx的形成。