楊 鶴， 王鵬飛， 王 俊， 徐 辰， 韓永強(qiáng)， 張建榮

(1.中國(guó)石化 石油化工科學(xué)研究院， 北京 100083; 2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(chǎn)高辛烷值汽油的技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用[2]。汽油作為一種組成復(fù)雜的混合物決定了其性能指標(biāo)不易精準(zhǔn)控制，進(jìn)而人們開發(fā)出多種多樣的添加劑來(lái)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(xiàng)性能指標(biāo)中，抗爆性是最重要的指標(biāo)，具體表現(xiàn)為汽油辛烷值的大小?？贡圆蛔愕钠蜁?huì)發(fā)生爆震現(xiàn)象，使得燃燒室內(nèi)壓力失常，進(jìn)而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、功率、經(jīng)濟(jì)性以及增加污染物的排放[4]?？贡瑒┑奶砑訉?duì)于提高汽油的辛烷值是十分有效的。抗爆劑的發(fā)展也從最初的含有重金屬的四乙基鉛過(guò)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(huì)污染地下水，并有可能存在致癌的危險(xiǎn)[5]。因此，尋求更加高效、綠色、環(huán)保的汽油抗爆劑仍然是當(dāng)務(wù)之急。

酯類化合物一般無(wú)毒、環(huán)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(jī)溶劑中溶解性好且可以有效提高汽油的辛烷值。同時(shí)含氧化合物可以減少燃燒室沉積物[6]。關(guān)于DMC在柴油中的應(yīng)用報(bào)道較多，主要考察DMC的加入對(duì)柴油理化性質(zhì)、柴油機(jī)功率、排放煙度和其他排放指標(biāo)的影響。孫士杰等[7]研究發(fā)現(xiàn)：在符合歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的柴油中加入DMC后，柴油機(jī)熱效率明顯提升；隨著負(fù)載的增加，煙度可降低90%。Rounce等[8]研究了DMC對(duì)生物柴油和普通柴油的燃燒排放影響，結(jié)果表明，NOx排放有所增加，而CO、總碳?xì)浠衔?THC)以及顆粒物(PM)的排放均有大幅下降。Lü等[9]在對(duì)DMC柴油混合燃料的研究中也發(fā)現(xiàn)，NOx排放隨DMC的增加而增加，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)高于15%時(shí)，NOx排放增幅可達(dá)到15%～20%。然而，相比于柴油，有關(guān)DMC對(duì)汽油的影響則研究不多，且多集中于對(duì)汽油理化性質(zhì)、排放特性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(duì)于DMC對(duì)汽油機(jī)的理化特性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性進(jìn)行了分析，得出了DMC的加入導(dǎo)致燃料燃油消耗率上升、動(dòng)力性變化不明顯等結(jié)論。董素榮等[11]分析了DMC對(duì)汽油排放特性的影響，DMC的加入導(dǎo)致汽油的NOx排放有所下降。胡二江等[12]從DMC化學(xué)式角度分析了著火延遲期模型，但并未深入進(jìn)行燃燒分析。筆者采用一臺(tái)增壓直噴汽油機(jī)，研究了加入體積分?jǐn)?shù)為10%的DMC對(duì)烷基化汽油在典型工況下發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性以及燃燒過(guò)程的影響，并對(duì)其燃燒和經(jīng)濟(jì)性、排放特性進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)燃料

試驗(yàn)用油選取烷基化汽油(Alkylated gasoline, AG)為基礎(chǔ)油，進(jìn)而將碳酸二甲酯(DMC)以體積分?jǐn)?shù)為10%的比例與基礎(chǔ)油混合得到調(diào)合汽油(AG+DMC)。烷基化汽油來(lái)源于某山東地方煉油廠，碳酸二甲酯購(gòu)自阿拉丁試劑公司?；A(chǔ)油和調(diào)合油的理化性質(zhì)見表1。

表1 烷基化汽油(AG)和調(diào)合汽油(AG+DMC)的理化性質(zhì)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(yàn)臺(tái)架

以目前市場(chǎng)主流車型采用的四缸直列四沖程增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，其具體性能參數(shù)如表2所示。

表2 四缸直列四沖程增壓直噴汽油機(jī)的主要性能參數(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)的主要儀器設(shè)備包括：洛陽(yáng)南峰機(jī)電設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的CW260型測(cè)功機(jī)；瑞士奇石樂(lè)Kistler儀器公司生產(chǎn)的6117B型缸壓傳感器和5011B型電荷放大器；日本小野測(cè)器公司生產(chǎn)的ONO SOKKI型體積式油耗儀；AVL李斯特公司生產(chǎn)的INDICOM型燃燒分析儀；日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA7400型排放分析儀。

1.3 參數(shù)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(jī)燃油消耗率，g/h；Pe為有效功率，kW。

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

式中，gb為單缸每循環(huán)燃油消耗量，kg；Hu為燃料低熱值，kJ/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻混DMC對(duì)燃燒烷基化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響

試驗(yàn)研究了DMC的加入對(duì)中低轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性和外特性的典型工況下增壓直噴汽油機(jī)性能的影響。外特性工況是指發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的工況，外特性曲線是在外特性工況下測(cè)出的功率或扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，可有效地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力情況。有效燃油消耗率和有效熱效率可反映發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。表3和圖1為在中低轉(zhuǎn)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(diào)合汽油時(shí)汽油機(jī)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(wěn)態(tài)和外特性工況下，摻入DMC的調(diào)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(zhuǎn)速1300 r/min、扭矩40 N·m 工況下達(dá)到最大增幅20.53%，各試驗(yàn)工況下平均增幅為13.4%。

表3 中低轉(zhuǎn)速工況下燃燒摻入DMC前后烷基化汽油的汽油機(jī)負(fù)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(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)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(diào)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(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)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(diào)合汽油的有效熱效率相比于烷基化汽油變化不明顯。以轉(zhuǎn)速2400 r/min、扭矩80 N·m工況為例，摻入DMC的調(diào)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(shuō)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(jī)的外特性曲線。對(duì)比可知，2種汽油的外特性曲線相近，并無(wú)明顯差異，偏差幅度均不超過(guò)3%。由于這2種汽油的循環(huán)供熱量相近，因此兩者動(dòng)力性接近。

2.2 摻混DMC對(duì)燃燒烷基化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比情況。由表4可知：摻入DMC的調(diào)合汽油在低負(fù)荷和高負(fù)荷時(shí)的CO排放優(yōu)于烷基化汽油；而在中等負(fù)荷時(shí)的CO排放有一定程度的惡化。在3種工況下，如轉(zhuǎn)速1800 r/min、扭矩60 N·m，轉(zhuǎn)速 2000 r/min、扭矩60 N·m，轉(zhuǎn)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(diào)合汽油CO排放均有改善，最大降幅為27%。在相同的轉(zhuǎn)速和扭矩下，摻入DMC的調(diào)合汽油NOx和THC排放相比于烷基化汽油均有稍許的優(yōu)化，其中NOx排放體積分?jǐn)?shù)最多可減少3.57×10-4，降幅為32%，THC排放體積分?jǐn)?shù)最多可減少3.58×10-4，降幅為13%。DMC的摻入會(huì)使燃燒始點(diǎn)推遲，燃燒期變長(zhǎng)，缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，進(jìn)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(jī)動(dòng)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(duì)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(zhuǎn)速1300 r/min工況下不同扭矩的顆粒物排放對(duì)比?？梢钥闯?，摻入DMC的調(diào)合汽油的總顆粒物排放相比于烷基化汽油表現(xiàn)出了不同程度的增加，最高增幅103%。核態(tài)顆粒物的排放呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在扭矩60 N·m下最高增幅113%；中小負(fù)荷下?lián)饺隓MC的調(diào)合汽油的積聚態(tài)顆粒物增多；大負(fù)荷時(shí)積聚態(tài)顆粒物減少8%。這是由于在中小負(fù)荷區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)中是當(dāng)量混合氣燃燒，積聚態(tài)產(chǎn)生很少，DMC不發(fā)揮自攜氧作用；大負(fù)荷區(qū)域混合氣濃度增加，此時(shí)加入的10% DMC發(fā)揮自攜氧作用，使得大負(fù)荷區(qū)域積聚態(tài)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(zhuǎn)速1300 r/min下不同扭矩的顆粒物排放對(duì)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(duì)烷基化汽油燃燒過(guò)程的影響

試驗(yàn)研究了摻混DMC對(duì)烷基化汽油燃燒過(guò)程的影響。表6為在1800 r/min轉(zhuǎn)速下2種汽油在燃燒過(guò)程中的燃燒始點(diǎn)(燃燒5%)、燃燒重心(燃燒50%)、燃燒持續(xù)期(燃燒5%～95%)以及缸內(nèi)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(diào)合汽油在扭矩60 N·m工況下燃燒始點(diǎn)推遲0.52° CA;而在小負(fù)荷工況扭矩40 N·m下燃燒始點(diǎn)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(guò)程等容度下降，同時(shí)散熱損失上升，導(dǎo)致?lián)饺隓MC的調(diào)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(xù)期延長(zhǎng)2.32° CA，從而導(dǎo)致該工況的熱效率相比于同轉(zhuǎn)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(diǎn)推遲，同時(shí)燃燒重心推后，進(jìn)而整個(gè)燃燒持續(xù)期后移，燃燒等容度下降，散熱損失增加，導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度有所降低，從而減少了NOx的形成。

表6 轉(zhuǎn)速1800 r/min下?lián)交霥MC對(duì)烷基化汽油燃燒過(guò)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(jié) 論

(1) 在等負(fù)荷工況下，烷基化汽油中加入DMC使燃料的熱值降低，汽油機(jī)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(dòng)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(duì)排放有不同程度的改善。其中，CO排放在小負(fù)荷和大負(fù)荷時(shí)有所改善，最大降幅為27%；中等負(fù)荷工況下CO排放無(wú)改善?？侶C化合物的排放有所改善，最大降幅為13%。同時(shí)，NOx的排放有明顯改善，最大降幅為32%。在大負(fù)荷區(qū)域，DMC的自攜氧發(fā)揮作用，可降低積聚態(tài)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(zhǎng)了點(diǎn)火滯燃期，造成燃燒始點(diǎn)最多可推遲1.24° CA，燃燒重心最多推移1.98° CA，燃燒持續(xù)期最大延長(zhǎng)2.32° CA，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)交霥MC的調(diào)合汽油的燃燒等容度下降，散熱損失增加，導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度有所降低，從而減少了NOx的形成。