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点火正时和负荷对2,5-二甲基呋喃DISI发动机
燃烧及排放性能的影响
Ritchie Daniel, Guohong Tian, Hongming Xu, Miroslaw L. Wyszynski, Xuesong Wu,Zuohua Huang
摘要：
近年来，生物乙醇已经成为汽车燃料市场上的火花点火发动机的主要替代燃料。然而，由于最近关于2，5-二甲基呋喃（DMF）的制备技术取得了重大突破，这种极具潜力的替代燃料引起了全世界研究人员的关注。虽然DMF的能量含量可以与汽油相媲美，但是我们对它的燃烧性能和排放性能还是知之甚少。因此，本文将试验DMF燃料在单缸直喷点燃式发动机机中的性能，并将实验所得结果与各自具有最佳点火正时的乙醇和汽油燃料性能相比。研究结果表明，DMF具有足以和汽油相媲美的燃烧性能和排放性能，甚至在某些方面性能超过了乙醇。这两种生物燃料的燃烧速率更高和初始燃烧持续时间均少于汽油。生物燃料具有更高的燃烧效率，有助于降低发动机的碳氢化合物排放和一氧化碳排放。这些初步的结果证明了最初只被当作成辛烷值改进剂的DMF，可能成为具有竞争力的可再生汽油替代燃料。
关键词：2,5-二甲基呋喃（DMF）；生物燃料；乙醇；SI发动机
- 研究背景介绍
近年来，汽车行业为了降低对汽车对化石燃料供应的依赖而做出了不懈努力，并且这个行业对日益加剧的全球变暖问题深表担忧。现在，在商业上的持续研究和开发结果已有了很大的成效。在巴西，使用混合燃料的汽车十分常见：汽车可以持续使用任意乙醇-汽油混合燃料[1]。这一现象证明了生物质燃料具有成为短期或中期可再生替代燃料的能力，同时使用生物质燃料可以降低二氧化碳对环境的影响。
最近， 2,5-二甲基呋喃（DMF）制备技术取得了重大突破[2]。Dumesic和他的团队展示了由生物质制取燃油的先进转换技术，成功将果糖转变成DMF，效率高且产量巨大[2,3]。赵和他的同事进一步深入研究扩充了这个技术理论，得到5-羟甲基糠醛（HMF（DMF的中间体））的高产量制备方法，并且这个过程不需要用到Dumesic和他的团队使采用的酸催化剂[4]。赵等人研究出来的DMF制备技术不仅大大降低了其生产成本，更使葡萄糖成为制取HMF的潜在原料。此外，Mascal已经证明了纤维素本身可以转化成呋喃产品[5]。这些理论和技术进步引起了人们的广泛关注，DMF可以作为汽油的潜在替代燃料[6]。
将DMF的理化性质与乙醇的相比较。首先，DMF的能量密度（31.5MJ / l）比乙醇（23 MJ / l）高了40％，更接近汽油的能量密度（35 MJ / l）[7]。其次，DMF的沸点（92℃）比乙醇（78℃）高，相对不易挥发，可以作为更加实用的液体燃料用于日常的交通运输所需[7]。第三，与乙醇不同，DMF不溶于水，这使得它在储存过程中成分较为稳定并且不会污染地下水资源或在运输管道中被水污染[2]。最后，与汽油和乙醇相比，DMF具有更好的抗爆性能，它的研究法辛烷值（RON）为106 [8]。这意味着DMF燃料可以采用高压缩比或增压技术来最大限度地发挥其热效率和所含能量[9]。综上所述，DMF具有的改进生产技术和本身理化性质，使得它成为一种非常有潜力的汽油替代燃料。
虽然至今研究人员已经探索了许多不同的基于汽油的醇类替代燃料[10-12]，但乙醇还是一直吸引着世界各地的关注。当前的重点在于如何改善乙醇-汽油混合燃料在不同的火花点火发动机上的实际使用效果[13-16]。乙醇的高抗爆性可以提高发动机的热效率和扭矩输出[17]。但是，由于其燃油经济性较差和低热值较小，所以在发动机上普遍采用了高压缩比燃烧以及增压技术[18]。
目前，在少数文献中可以找到DMF作为汽油的替代燃料。首次被报道的吴等人的研究，其中就包括了DMF的层流燃烧速率[19]和燃烧产物中间体[20]。最近，第一份关于DMF作为发动机燃料应用的报告是本文第一作者发表的。文中初步实验分析比较了：在忽略发动机负荷和使用固定的点火正时的情况下， DMF、乙醇和汽油各自的燃烧性能和排放性能[21]。然后作者发表的第二篇论文，对乙醇和汽油各自的层流燃烧速率进行了比较[22]。
本文中，深入研究了点火提前角及负荷对DMF燃料的燃烧性能和排放性能的影响。将DMF的实验结果分别与乙醇和汽油的进行比较，并使用汽油的最佳点火正时和相应的燃料。再次，以汽油为比较基准，将DMF与目前的主要生物燃料乙醇相比较。它是由该机构主导的一系列实验的一部分，探讨作为汽车燃料使用的DMF。下面将介绍实验装置，分析结果，并最终得出结论。
2．实验装置
2.1. 发动机和仪器
该实验在单缸4冲程火花点火发动机上进行，如图1所示。四气门气缸盖里使用了V8发动机（AJ133）产品上的捷豹喷雾式直喷技术[23]，还包括进气门和排气门的可变气门正时技术。本次研究中使用的阀门时序如表1所示。
图1 发动机和仪器设置示意图
表1 发动机主要技术参数技术
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发动机类型 4冲程，4气门 燃烧系统 喷雾式DISI 排量 565.6cm3 缸径行程 9088.9mm 压缩比 11.5:1 发动机转速 1500rpm 喷油器 多孔喷嘴 燃油喷射压力及正时 150bar, 280°bTDC 进气门开启角 16°bTDC 排气门关闭角 36°aTDC |
发动机连接到直流测功机上，在忽略发动机输出转矩的情况下保持发动机转速为1500 rpm（plusmn;1 rpm）。缸内压力使用Kistler 6041A水冷压力传感器测量，将该传感器固定在气缸盖的侧壁上。然后将信号传递至Kistler 5011电流放大器，最后把数据传递到仪器数据采集卡。以0.5CAD（曲柄转角）为间隔，300次连续工作循环采集数据样本，以便取平均值。使用电子轴编码器测量曲轴位置。使用PID（比例积分微分）控制器分别将冷却液和油温控制在85°C和95°C（plusmn;3°C）。所有温度的测量均使用K型醚电流计。
发动机采用LabVIEW编程环境中开发的软件进行控制。用LabVIEW获取高速、曲柄转角分析和低速、时间分析数据，用MATLAB编写代码进行数据分析，从而对DMF的燃烧性能进行研究。
2.2．排放和燃料测量
气体排放量使用Horiba MEXA-7100DEGR排气分析仪来进行定量分析。排气样品在排气门的下游0.3m处抽取，并通过加热管线（保持在191℃）泵送到分析仪。使用TSI制造的3936运动粒子扫描测定仪（SMPS）测量颗粒物（PM）排放。这个仪器包括3080静电分级器，a3775冷凝颗粒计数器（CPC）和3081差分流动性分析仪（DMA）。从Horiba分析仪样品中取出PM样品。以67：1的稀释比使用旋转圆盘仪器（由TSI提供，型号379020A）加热(150℃)。 SMPS测量的颗粒直径为7.23至294.3 nm，样品和表层流量分别为1和10 l / min。
燃油消耗量通过空气体积流量（通过正位移流量计测量）和实际的lambda;值（Bosch LSU宽带lambda;传感器和ETAS LA4lambda;计）来测量。 LA4lambda;计使用燃油特性曲线、排气中氧含量来解释实际空燃比（化学计量AFR）。在每次测试之前，用户需要输入燃料的氢-碳比（H / C）和氧-碳（O / C）比以及化学计量AFR，以便使用燃料组分来表征燃料特性曲线。
2.3. 燃料测试
研究中使用的DMF由中国的Shijiazhuang Lida Chemical Co. Ltd提供，纯度为99.8％。 RON 97汽油和生物乙醇燃料均由Shell Global Solutions UK提供。大众普遍认为辛烷值高说明汽油较好，为两种生物燃料提供了有说服力的标准。燃料特性如表2所示。
表2 燃料性能测试表
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DMF 乙醇 汽油 |
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化学分子式 C6H8O C2H6O C2-C14 H/C比 1.333 3 1.795 O/C比 0.167 0.5 0 含氧量（%） 16.67 34.78 0 20℃密度（kg/） 889.7 790.9 744.6 研究法辛烷值（RON） n/a 106 96.8 空燃比 10.72 8.95 14.46 低热值(MJ/kg) 33.7 26.9 42.9 低热值(MJ/L) 30 21.3 31.9 汽化潜热（kj/kg） 332 840 373 初始沸点（℃） 92 78.4 32.8 |
2.4. 实验步骤
一旦冷却液和润滑油温度分别稳定在85℃和95℃，发动机这时可认为是热机。所有实验在化学计量AFR（lambda; = 1）、固定喷油正时（280°bTDC）、环境空气进气温度（约25plusmn;2℃）和恒定气门正时（见表1）的条件进行。压力数据来自内部开发的使用实验室LabVIEW代码编写的软件所记录的300个连续循环。
在更换燃料时，使用氮气对高压喷油系统进行扫气，直到确认管道干净为止。一旦用新燃料将管道重新加压至150bar，发动机便先运行几分钟。这是为了确保在采集任意一项数据之前，喷油器顶端或任何燃烧室不会残留先前的燃料。根据表2中的化学计量AFR，O / C和H / C比，分别为每种燃料调整ETAS LA4lambda;计设置。
2.5. 点火提前
在3.5-8.5 bar IMEP(指示平均有效压力)之间的点火扫描中，使用1 bar IMEP为间隔，分别为每种燃料确定最佳点火正时，也称MBT正时。在本文中，它被定义为点火正时并给出了固定节气门位置时的最大IMEP。在每个负荷下，点火正时被提前至发现爆震极限，或直到发现发动机性能或稳定性显着下降（转矩降低gt;5％或指示平均有效压力变动gt; 3％）。如果听见敲缸声，将制动力矩正时延迟2CAD。当这种情况发生时，最佳点火正时重新定位至爆震限制最大制动力矩正时或防碰撞最大制动力矩正时。为了消除实验的主观性，未采用进一步减少排放物滞留时间的方法。同理，点火正时被重新筛查，直到发现发动机性能下降。在每次点火扫描过程中，一旦所需的负荷和化学计量AFR在预计的最大制动力矩点达到，燃料流量和空气流量保持恒定。首先，调整节气门位置，然后调节燃料喷射脉冲宽度（plusmn;1），以获得化学计量。每种燃料重复三次取平均值。
2.6. 发动机负荷
一旦每种燃料的最大制动力矩正时确定了，在3.5至8.5 bar IMEP内以1 bar IMEP为间隔，发动机负荷多次变化。在每个负荷下，发动机分别以每种燃料的MBT/KL-MBT正时运行。当使用DMF和乙醇时，使用固定的汽油MBT/KL-MBT正时，在相同的点火条件下评估其性能。对于重复性，连续三天分别使用每种燃料进行了三组测试。但是，每天的燃料测试顺序
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