碳酸二甲酯对烷基化汽油燃烧性能的影响

杨 鹤， 王鹏飞， 王 俊， 徐 辰， 韩永强， 张建荣

(1.中国石化 石油化工科学研究院， 北京 100083; 2.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022)

随着发动机技术的不断进步，发动机对汽油性能的要求也逐渐提升[1]。催化裂化(FCC)原料加氢处理、催化柴油加氢裂化等生产高辛烷值汽油的技术已经推广应用[2]。汽油作为一种组成复杂的混合物决定了其性能指标不易精准控制，进而人们开发出多种多样的添加剂来改善汽油的性能，如抗爆剂、清净剂以及助燃剂等[3]。在汽油各项性能指标中，抗爆性是最重要的指标，具体表现为汽油辛烷值的大小。抗爆性不足的汽油会发生爆震现象，使得燃烧室内压力失常，进而损坏发动机，降低发动机的热效率、功率、经济性以及增加污染物的排放[4]。抗爆剂的添加对于提高汽油的辛烷值是十分有效的。抗爆剂的发展也从最初的含有重金属的四乙基铅过渡到今天大量使用的甲基叔丁基醚(MTBE)。然而，近期有研究称MTBE会污染地下水，并有可能存在致癌的危险[5]。因此，寻求更加高效、绿色、环保的汽油抗爆剂仍然是当务之急。

酯类化合物一般无毒、环保，是极具潜力的一类新型抗爆剂。其中，碳酸二甲酯(DMC)含氧量高，在有机溶剂中溶解性好且可以有效提高汽油的辛烷值。同时含氧化合物可以减少燃烧室沉积物[6]。关于DMC在柴油中的应用报道较多，主要考察DMC的加入对柴油理化性质、柴油机功率、排放烟度和其他排放指标的影响。孙士杰等[7]研究发现：在符合欧Ⅳ标准的柴油中加入DMC后，柴油机热效率明显提升；随着负载的增加，烟度可降低90%。Rounce等[8]研究了DMC对生物柴油和普通柴油的燃烧排放影响，结果表明，NOx排放有所增加，而CO、总碳氢化合物(THC)以及颗粒物(PM)的排放均有大幅下降。Lü等[9]在对DMC柴油混合燃料的研究中也发现，NOx排放随DMC的增加而增加，当氧体积分数高于15%时，NOx排放增幅可达到15%～20%。然而，相比于柴油，有关DMC对汽油的影响则研究不多，且多集中于对汽油理化性质、排放特性、动力性、经济性等的影响，并未从燃烧的角度加以分析。宋崇林等[10]以掺混不同比例DMC的90#汽油为燃料，对于DMC对汽油机的理化特性、动力性、经济性、排放特性进行了分析，得出了DMC的加入导致燃料燃油消耗率上升、动力性变化不明显等结论。董素荣等[11]分析了DMC对汽油排放特性的影响，DMC的加入导致汽油的NOx排放有所下降。胡二江等[12]从DMC化学式角度分析了着火延迟期模型，但并未深入进行燃烧分析。笔者采用一台增压直喷汽油机，研究了加入体积分数为10%的DMC对烷基化汽油在典型工况下发动机经济性、动力性、排放性以及燃烧过程的影响，并对其燃烧和经济性、排放特性进行了关联性分析。

1 实验部分

1.1 实验燃料

试验用油选取烷基化汽油(Alkylated gasoline, AG)为基础油，进而将碳酸二甲酯(DMC)以体积分数为10%的比例与基础油混合得到调合汽油(AG+DMC)。烷基化汽油来源于某山东地方炼油厂，碳酸二甲酯购自阿拉丁试剂公司。基础油和调合油的理化性质见表1。

表1 烷基化汽油(AG)和调合汽油(AG+DMC)的理化性质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 试验台架

以目前市场主流车型采用的四缸直列四冲程增压直喷汽油机为研究对象，其具体性能参数如表2所示。

表2 四缸直列四冲程增压直喷汽油机的主要性能参数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

发动机台架测控系统的主要仪器设备包括：洛阳南峰机电设备制造有限公司生产的CW260型测功机；瑞士奇石乐Kistler仪器公司生产的6117B型缸压传感器和5011B型电荷放大器；日本小野测器公司生产的ONO SOKKI型体积式油耗仪；AVL李斯特公司生产的INDICOM型燃烧分析仪；日本HORIBA公司生产的MEXA7400型排放分析仪。

1.3 参数的定义

有效燃油消耗率(Brake specific fuel consumption,be)定义为：

式中，be为有效燃油消耗率，g/(kW·h)；B为整机燃油消耗率，g/h；Pe为有效功率，kW。

燃料的化学能转换为曲轴输出功(We，kJ)的能量转换效率，称为有效效率(Effective efficiency,ηe)。

式中，gb为单缸每循环燃油消耗量，kg；Hu为燃料低热值，kJ/kg。

2 结果与讨论

2.1 掺混DMC对燃烧烷基化汽油发动机经济性和动力性的影响

试验研究了DMC的加入对中低转速负荷特性和外特性的典型工况下增压直喷汽油机性能的影响。外特性工况是指发动机全负荷运行时的工况，外特性曲线是在外特性工况下测出的功率或扭矩随转速的变化曲线，可有效地反映出发动机的动力情况。有效燃油消耗率和有效热效率可反映发动机的经济性。表3和图1为在中低转速(1300～2400 r/min)和外特性工况下分别燃烧烷基化汽油和掺入DMC的调合汽油时汽油机有效燃油消耗率及有效热效率。由表3和图1可知，在选取的稳态和外特性工况下，掺入DMC的调合汽油的有效燃油消耗率相比于烷基化汽油明显增加。在转速1300 r/min、扭矩40 N·m 工况下达到最大增幅20.53%，各试验工况下平均增幅为13.4%。

表3 中低转速工况下燃烧掺入DMC前后烷基化汽油的汽油机负荷特性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

图1 外特性工况下燃烧掺入DMC前后烷基化汽油的汽油机经济性对比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

由于掺入DMC的调合汽油与烷基化汽油的热值相差较大，笔者引入有效热效率进一步对发动机经济性进行对比分析。有效燃油消耗率与有效热效率和热值的乘积呈反比，因此影响有效燃油消耗率的主要因素是有效热效率和热值。由表3可知，掺入DMC的调合汽油的有效热效率相比于烷基化汽油变化不明显。以转速2400 r/min、扭矩80 N·m工况为例，掺入DMC的调合汽油的有效热效率相比于烷基化汽油提高约3.34%，但有效燃油消耗率增加约3%，说明有效燃油消耗率的增加主要是由燃料热值降低(见表1)所引起的。

图2为燃烧掺入DMC前后烷基化汽油的汽油机的外特性曲线。对比可知，2种汽油的外特性曲线相近，并无明显差异，偏差幅度均不超过3%。由于这2种汽油的循环供热量相近，因此两者动力性接近。

2.2 掺混DMC对燃烧烷基化汽油发动机排放性能的影响

表4为不同工况下燃烧掺入DMC前后烷基化汽油的CO、NOx以及THC气体有害物的排放对比情况。由表4可知：掺入DMC的调合汽油在低负荷和高负荷时的CO排放优于烷基化汽油；而在中等负荷时的CO排放有一定程度的恶化。在3种工况下，如转速1800 r/min、扭矩60 N·m，转速 2000 r/min、扭矩60 N·m，转速2400 r/min、扭矩60 N·m，CO排放分别增加16%、13%、2%。其他工况下，掺入DMC的调合汽油CO排放均有改善，最大降幅为27%。在相同的转速和扭矩下，掺入DMC的调合汽油NOx和THC排放相比于烷基化汽油均有稍许的优化，其中NOx排放体积分数最多可减少3.57×10-4，降幅为32%，THC排放体积分数最多可减少3.58×10-4，降幅为13%。DMC的掺入会使燃烧始点推迟，燃烧期变长，缸内最高燃烧温度下降，进而减少了NOx的形成。

图2 外特性工况下燃烧掺入DMC前后烷基化汽油的汽油机动力性比较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 不同工况下燃烧掺入DMC前后烷基化汽油的有害物排放对比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为在转速1300 r/min工况下不同扭矩的颗粒物排放对比。可以看出，掺入DMC的调合汽油的总颗粒物排放相比于烷基化汽油表现出了不同程度的增加，最高增幅103%。核态颗粒物的排放呈增长趋势，在扭矩60 N·m下最高增幅113%；中小负荷下掺入DMC的调合汽油的积聚态颗粒物增多；大负荷时积聚态颗粒物减少8%。这是由于在中小负荷区域，发动机中是当量混合气燃烧，积聚态产生很少，DMC不发挥自携氧作用；大负荷区域混合气浓度增加，此时加入的10% DMC发挥自携氧作用，使得大负荷区域积聚态颗粒物相比于烷基化汽油减少。

表5 燃烧掺入DMC前后烷基化汽油在转速1300 r/min下不同扭矩的颗粒物排放对比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 掺混DMC对烷基化汽油燃烧过程的影响

试验研究了掺混DMC对烷基化汽油燃烧过程的影响。表6为在1800 r/min转速下2种汽油在燃烧过程中的燃烧始点(燃烧5%)、燃烧重心(燃烧50%)、燃烧持续期(燃烧5%～95%)以及缸内最大压力(pmax)的比较情况。

由表6可见：相比于烷基化汽油，掺入DMC的调合汽油在扭矩60 N·m工况下燃烧始点推迟0.52° CA;而在小负荷工况扭矩40 N·m下燃烧始点推迟1.24° CA;在扭矩80 N·m工况下燃烧重心最多推移1.98° CA。因此燃烧过程等容度下降，同时散热损失上升，导致掺入DMC的调合汽油热效率有所下降。加入DMC后，在扭矩 80 N·m 下，燃烧持续期延长2.32° CA，从而导致该工况的热效率相比于同转速其他工况的热效率明显降低。掺混DMC后，由于燃料的辛烷值提高，故燃烧始点推迟，同时燃烧重心推后，进而整个燃烧持续期后移，燃烧等容度下降，散热损失增加，导致气缸内温度有所降低，从而减少了NOx的形成。

表6 转速1800 r/min下掺混DMC对烷基化汽油燃烧过程的影响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 结 论

(1) 在等负荷工况下，烷基化汽油中加入DMC使燃料的热值降低，汽油机有效燃油消耗率相比于未加DMC烷基化汽油有所增加，平均增幅为13.4%。在动力性方面，DMC的加入基本上没有影响。

(2) 烷基化汽油中加入DMC后对排放有不同程度的改善。其中，CO排放在小负荷和大负荷时有所改善，最大降幅为27%；中等负荷工况下CO排放无改善。总HC化合物的排放有所改善，最大降幅为13%。同时，NOx的排放有明显改善，最大降幅为32%。在大负荷区域，DMC的自携氧发挥作用，可降低积聚态颗粒物的排放，最大降幅为8%。

(3) 掺混DMC后，燃料的辛烷值提高，延长了点火滞燃期，造成燃烧始点最多可推迟1.24° CA，燃烧重心最多推移1.98° CA，燃烧持续期最大延长2.32° CA，进而导致掺混DMC的调合汽油的燃烧等容度下降，散热损失增加，导致气缸内温度有所降低，从而减少了NOx的形成。