基于二甲醚的柴油机燃烧及排放特性研究

为使内燃机在降低有害物排放的同时减少温室气体排放，由BMW公司成立的联合组织针对未来用于柴油机的代用燃料进行了试验，并研究该类燃料的燃烧和排放特性。

1 动机

为了限制全球变暖，减少和避免温室气体（THG）已成为全球工业应用的最重要的技术推动方式之一，其中交通领域为最大的温室气体排放源，轿车和商用车产生的CO₂排放已成为政治和社会讨论的重点，因此需进一步开展相关工作，以降低大气中的CO₂浓度，从而缓解全球变暖趋势。除了如纯电动车等全新车型方案之外，使传统内燃机燃用由再生能源制取的合成燃料也有着较好的应用前景。

2 对能持久应用的合成燃料的要求

因为近几年可再生合成燃料已成为车载动力系统发展过程中的重要课题，为未来汽车选择代用燃料时需设定相关标准，以便集中研究和开发资源，相关标准如下所示：

（1）降低CO₂排放：对于现代采用的合成燃料而言，在当前情况下，车辆应在行驶过程中降低CO₂排放，应用合成燃料的CO₂排放至少不应高于传统化石燃料；

（2）降低有害物排放：新型燃料应不仅能降低CO₂排放，而且还应充分避免产生其他有害物排放；

（3）适用性和成本：降低CO₂排放是针对现代交通运输而提出的任务，开发新型燃料标准并将其应用到车型认证过程中需花费较高的成本和较长的时间，因此使燃料实现标准化应更具优势，其能以适当的价格尽推广至全球。

（4）从这些要求出发，二甲醚（DME）和氧亚甲基醚（OME）被认为是适合于柴油机的代用燃料，并由此开展了相关试验研究。

3 二甲醚作为柴油机的代用燃料

在该项目的框架下，基础喷射试验的燃料开展了单独试验、整机试验以及实车试验，由此评价其用于替代柴油的潜力。下文根据DME来讨论甲基醚的物理和化学特性。

4 物理和化学特性

通过DME燃烧形成的排放物已确认，由于其含氧量较高（34.8%）并且无C-C碳链，由此可实现几乎无碳烟的燃烧过程，而无碳烟排放就能应用较高的废气再循环（EGR），并同时降低氮氧化物（NO_x）排放。为了使用DME运行，表中在热值、密度、润滑性和粘度方面进行了显示出来的差异要求对燃油箱和喷射系统进行技术调整。

DME是性质与液化石油气（LPG）相似的蒸汽压曲线的液化气，因而可应用与LPG相似的燃油箱和低压燃料供应部件，系统部件已用DME进行过检验，并按需进行了调整。DME根据环境温度在饱和状态下以0.2～0.7 MPa的压力贮存于燃油箱中。液化DME从燃油箱输送给压力位2～3 MPa的燃料调节回路，此处燃料温度被调节到＜40 ℃，以避免发生相态变化，并在接头处供给喷油系统。

5 二甲醚共轨喷射系统

为了进行试验研究工作，将一种柴油机共轨喷射系统按照DME特有的燃料特性进行调整。由于在高压燃油泵中存在泄漏情况，以往由于DME的体积压缩模量较低等缘故，通常将最大喷射压力限制在60 MPa。减小死容积就能将共轨压力最高提高到100 MPa。同时采用干式电磁伺服阀，以避免浸润和溶解树脂，密封圈用可耐受DME的全氟醚橡胶（FFKM）制成。

与柴油燃料相比，DME热值和密度值较低，不能在相同的时间内将所必需的内能带入燃烧室以实现燃烧，而必须通过加大喷油嘴的流通横截面予以补偿，为此喷油嘴的液压流量要相对于基准柴油喷油嘴（PC-D）提高1.8倍（PC-1.8），同样在100 MPa最大共轨压力下也要求调整加大2.5倍标定的喷油嘴（PC-2.5）的流量特性。为了在高压喷雾罐中进行试验，设计了具有3个喷孔的专用喷油嘴，以便改进单个喷束的光学通道，而为单缸机试验则提供了一个基于计算流体力学（CFD）优化结果的附加喷油嘴（PC-2.1）。

为了能描述喷油嘴加大喷孔对喷束扩展特性的影响，在高压喷雾罐（HPC）中进行喷雾试验，在轿车柴油机燃烧过程用的基准喷油嘴（PC-HPC-D）的基础上对前文所描述的标定的DME喷油嘴进行试验。

采用光学测量方法在高压喷雾罐中采集喷束随时间扩展的宏观特性。在测量中除了气态贯穿深度（GPL）和液态贯穿深度（LPL）之外，还要查明火焰提升高度（LOL）。为了测定GPL使用了纹影图像，而借助于测量活跃的氢氧基残余辐射来测定LOL。柴油的LPL同样通过纹影图像进行测定，而DME因密度较小则采用米氏散射光方法来进行测量。

图1示出了柴油和DME在罐内压力p_a = 5 MPa和温度T_a = 840 K的情况下高压罐测量的结果，这种环境条件是从基准量产发动机喷油开始时的负荷工况点推导出来的。喷油器控制脉冲持续时间为ten=1 000 μs，而共轨压力被调整到100 MPa。在与基准喷油嘴（PC-HPC-D）比较LPL时，柴油的液态喷束长度明显比DME更长，这可通过DME较低的沸点和蒸汽压来说明，其蒸汽压与高压喷雾罐中的环境压力非常接近，DME的相态从液态变化到气态几乎是同时发生的，因而得到了缩短的LPL。喷孔直径较大的喷油嘴（PC-HPC-2.5）对DME的LPL产生了显著影响，液态柴油喷束的贯穿深度仅有小幅度增长，而DME却因喷束蒸发较强烈的冷却作用而产生了明显的差别。

           

图1 在高压喷雾罐中进行的光学试验

为了对发动机气缸内的燃烧过程进行试验研究，从稍后试验的整机衍生出了单缸试验发动机，并且应用合适的喷油系统部件作为试验载体。在试验中，根据量产柴油机的特性曲线场选择有代表性的负荷工况点。

下面更进一步地考察柴油和DME在中等负荷时的一个运行工况点。对于不同燃料和喷油嘴结构发动机边界条件都保持不变,而喷油器控制始点和持续期以及EGR率则根据燃料和喷油嘴参数进行调整，以保持燃烧重心位置恒定不变。在单缸发动机上进行的试验，与提供量产发动机的数据不同，仅使用一次主喷射。图2示出了柴油基础测量与采用2种不同喷油嘴喷孔直径的DME之间的比较。基础柴油采用量产结构的基准喷油嘴（PC-D）进行测量，而DME则采用补偿物理特性（PC-1.8）和补偿喷油压力较低（PC-2.5）的喷油嘴进行试验。为了适应不同的NO_x比排放水平（ISNO_x）而调整EGR率。

正如从图2所示，DME在2种不同配置的喷油嘴情况下，甚至在最低NO_x排放时，根据滤纸烟度值（FSN值）都检测不到碳烟排放，这种特性归因于快速的混合气形成、较高的氧含量和无C-C碳链。无C-C碳链导致CO形成，并由此替代了高温热解状况中的碳烟。

图2 改变EGR率（n=1 750 r/min，p_mi=0.86 MPa）,基准柴油（PC-D），DME采用经过标定的喷油嘴（PC-1.8和PC-2.5）

所有3种情况描述的HC（ISHC）和CO（ISCO）比排放数量级是相似的，仅在低EGR率时DME的HC排放比柴油更低。

与此相反，3种配置之间的差别主要体现在最大压力升高数值上。尽管DME具有较高的十六烷值，并且通常会导致不明显的压力升高现象，但在此处却显示出较高的压力升高数值，这可通过燃烧持续期（BD5-90，译注：指燃烧5%～90%充量质量的持续期）缩短现象来解释，因此这种较小的喷油嘴（PC-1.8）是大有裨益的，特别是在能同时观察到可应用较高的EGR率的背景下。

在图2中可看到DME与柴油的一个较大差别是指示效率（ηi），DME因燃烧持续期（BD5-90）较短和废气温度较低而相对于柴油呈现出更高的效率。

6 二甲醚用于轿车的整机试验结果

应用福特公司一款1.5 L柴油机作为在发动机台架和汽车上进行试验的试验载体。发动机硬件必须针对DME喷射部件而进行调整（图3）,其中集成高压燃油泵是最大的挑战，因DME润滑性能不良，通过发动机机油来确保燃油泵的润滑，同时因泵油相位发生变化，针对皮带传动机构进行的调整也是必不可少的。

 

图3 针对发动机硬件的优化过程

此外，为了优化发动机硬件设备，必须将用于调节高压燃油系统的传感器和调节执行机构集成到发动机电控系统中，以便使发动机能在稳态和动态条件下运行。除了量产发动机电控单元中的喷油参数之外，发动机电控系统保持不变，而DME喷射系统则由另一个电控单元来进行调节，2个电控单元通过CAN接口相互通讯。

整机在10个部分负荷和3个全负荷运行工况点进行测量。图4示出了DME在一个运行工况点（n=2 000 r/min，p_m=0.7 MPa）下的优化标定方式。从保持NO_x排放恒定不变，在尽可能保持柴油机标定和相应的边界条件情况下改变共轨压力、燃烧重心位置和过量空气系数。与柴油机的基本情况不同，通过DME进行测量时取消预喷射，因为单缸试验机上的试验在使用小喷油嘴时采用简单的喷射策略、较高的EGR率和降低共轨压力相结合的情况下，在优化噪声特性方面显现出良好前景。

图4 在保持NO_x排放不变的情况下对n = 2 000 r/min，p_me= 0.7 MPa运行工况点进行优化

单参数变化的目标是，在CO排放较低的情况下达到尽可能更高的效率。由于相对于柴油而言DME的燃烧持续期较短和与其相关的废气温度较低，因而废气涡轮增压器是主要限制因素之一，因此在相对较高的NO_x比排放（2.0 g/（kW·h））情况下进行优化，以确保可变涡轮几何截面（VTG）位置的回旋余地。

在调整喷油始点的同时将共轨压力降低到35 MPa，就能显现出在CO和效率方面的优势。正如预计，在高压指示效率随共轨压力的降低而降低的同时，有效效率却得以相应提高，一方面可用因高压燃油泵的传动功率降低而减小了摩擦损失来进行解释，另一方面与采用72 MPa共轨压力的柴油基本测量相比，随着共轨压力的降低，燃烧持续期相应延长，从而增加了废气热焓，使废气涡轮增压器在较高的效率下运行，并降低了换气损失，而共轨压力降低到35 MPa以下就会带来一系列弊端。对于改变燃烧重心位置而言，可观察到相似的发展趋势，燃烧重心位置向早期方向调节能在CO排放几乎相同的情况下改善效率。改变过量空气系数表明，在λ=1.5的情况下应进行稀薄燃烧，但是无法实现与汽油机相似的化学计量比燃烧，因为由此会使效率降低，并使CO排放显著增加，从而明显高于现代汽油直接喷射汽油机的数值。

附加的废气成分通过颗粒计数器和傅里叶转换红外线光谱计（FTIR）进行测量。经柴油机氧化催化转化器后的CH₄排放不会受到共轨压力和燃烧重心位置变化的影响，但是其会随着过量空气系数的降低而增加，并在λ=1.1时达到最大值，而过量空气系数进一步降至λ=1.0时就会使CH₄排放降低到接近极限的水平，此时废气温度就会大幅升高（约550 ℃），以致于超过了CH₄在催化转化器中实现合理转化的阈值，但在低负荷时仍达不到较低的废气温度水平。颗粒数（PN）原始排放始终保持在图4所示的变化范围内，明显低于现代直喷式汽油机的数值，但是在其他运行工况点按趋势来看，则处于较高或相同的水平，由此在优化过程中所获得的知识基础上逐步改变EGR率（图5）。

图5 对n = 2 000 r/min，p_me= 0.7 MPa运行工况点进行优化后，EGR率的改变情况

在用最佳标定测量时的效率几乎相当于传统柴油机。因其相对于柴油具有更佳的H/C比值，从而使DME具备CO₂排放方面的优势，而CO排放始终较高。

根据从优化稳态运行工况点推导出的特性曲线场范围的标定规定，还需应用降低NO_x排放（DeNO_x）系统和柴油机颗粒捕集器，其标定状况示于图6。

 

图6 DME发动机特性曲线场（图中虚线为使用柴油的量产发动机全负荷特性曲线）

为了最终证实DME作为柴油机代用燃料的潜力，在Ford公司Mondeo轿车基础上采用得以充分优化的发动机硬件和燃油箱系统，并开发出了一种演示车辆，在试验台试验中所积累的经验都应用到了该演示车辆的开发过程中。

DME在全球统一的轻型车试验程序（WLTC）中的排放潜力与柴油的比较示于图7，并针对颗粒、NO_x和CO₂原始排放进行评估。对于DME的燃烧就不再存在传统柴油机燃烧所特有的炭烟与NO_x排放的目标冲突了，其颗粒质量处于零排放水平，其NO_x排放相对于柴油同样也能显著降低（-33%），而CO₂排放几乎保持不变。如果DME通过可再生能源进行制取（E-DME）并与油井-车轮（TtW）平衡相结合的话，那么就能几乎保持CO₂排放不变并实现无有害物排放的运行状态。

图7  WLTC试验循环中DME相对于柴油的优势

7 结论

在由德国联邦政府经济和能源部推进的“新型车辆和系统技术”专业计划进程中，在“XME-Diesel”项目中研究甲基醚燃料（DME/OME）是否适于用作轿车和商用车柴油机的代用的燃料，并是否能实现可持续发展。在考虑到对未来用作柴油机代用燃料的多种要求（TtW-CO₂和废气排放，可用标准，全球的适用性和低成本）情况下，证实了DME堪称一种充满前景的新型代用燃料。在该项目计划中，基于高压喷雾试验、单缸试验和整机试验以及实车试验，对DME的工作能力进行了充分分析和演示。

作者：[德]W.WILLEMS等

整理：范明强  

编辑：伍赛特