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1、使用碳酸二甲酯作为含氧添加剂对柴油和生物柴油排放物的对比摘要：在欧洲，新交通工具的销售中多数为柴油车。这归因于固有的燃油效率和高可靠性。从全球变暖的担忧上已经看到了用可再生能源替代化石柴油产生较低的二氧化碳(CO2)排放量的生产需求。含氧的生物柴油燃料，如油菜籽甲酯(RME)可以用在一个未修改的传统的柴油发动机中，RME燃烧产生的未完全燃烧的碳氢化合物(THCs)、一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)的排放量低。这一结果是由于燃料本身所含氧的比重(10.8wt)。本研究探讨用添加碳酸二甲酯(DMC)的形式来增加燃料本身含氧量对常规柴油的影响。结果发现，用96%柴油和4%的DMC的混合物使氮氧化物(
2、NOx)增加，并且碳氢化合物、CO、和PM减少到50%。有趣的是，在仅有1.1%wt的氧中，柴油里2%的DMC可以和RME燃烧产生类似的颗粒、THCs和CO排放物。DMC混合也可能有潜力减少迄今未调节致癌物的排放，如苯和1,3-丁二烯。1 简介柴油发动机具有热效率高，可靠的特点，并与火花点火(SI)发动机相比提高了转矩特性。从全球变暖的问题和远离不可再生的化石燃料的需求来看，代替传统化石燃料道路运输的目标逐步实行。一个例子是生物燃料的管理1。很显然，生物燃料在欧洲引起了人们强烈的兴趣。欧洲道路运输市场仅约为270吨(2004)。到2020年，当生物燃料管理中有10%的生物燃料替代品时，这预计将
3、增加到325吨2。这可能意味着，生物燃料的生产量将不得不大于30百万吨/年(作为生物燃料的往往是低发热率)。在10.8%wt在菜籽油甲酯(RME)的情况下，生物燃料使用的是燃料本身含氧量(目前在欧洲是最流行的)。燃烧的研究表明，燃料本身的含氧量可以辅助燃料对氧的诱导作用，因此，即使在燃料丰富地方也可以从燃料中发现可利用的氧3-6。在以下几个方面，提高燃烧是通过改进燃料对氧的诱导作用:改进后的混合物提高了柴油完全燃烧的可能性。最简单的说法是由于氧的利用率(反应物)。当没有足够的氧的时候，以不完全燃烧为主。当然，这是不利的，因为较少的燃料燃烧意味着较低的有效功率，并且未燃烧的烃(碳氢化合物)和CO
4、是有潜在危险的排放物。已经观察到，在使烟尘核的形成和增长减速的原因是由于氧燃料本身的含氧量7,8。事实上研究表明，当燃料本身氧含量在30%以上时为无烟燃烧9,11。有几种化合物，可用于燃料加氧。这些包括酯、醚、乙二醇、乙酸盐和碳酸盐12。一些研究人员已发现，有一个小差异是因为用于增加燃料中的氧的分子结构和大小导致对排放物的影响，并且这个控制因素是由氧的添加量13-16。图1 碳酸二甲酯(乳酸)碳酸二甲酯(DMC)是一种无毒的化合物，C3H6O3(图1)。对DMC的主要兴趣是由它产生的约为53高氧比重。很多以前的研究中曾经有人试图研究燃料本身的氧含量的影响8-18。也许最棘手的问题是进行这些研究
5、时，添加剂在改变各种燃料性能效果解耦。DMC对燃料的其他各种重要的特性的影响小,但仍然不理想。先前的研究已经表明DMC有减少PM，碳氢化合物，一氧化碳的排放量和在某些情况下，氮氧化物和热效率的潜力19,20。近年来由甲醇与氧催化氧化羰基合成法生产DMC已成为可能21,22。这一步已经看到了光气合成DMC一个分量危险的消除。利用生物衍生的甲醇和潜在浪费的CO2来自最新一代发电站封存的超临界二氧化碳为原料，它能够以经济的方式生成DMC作为一种绿色生物燃料。以前的研究已经集中在柴油和生物柴油燃烧之间的比较23-25。我们已经看到，生物柴油燃料可以改善烟雾、一氧化碳和总未燃尽碳氢化合物(THCs)。但
6、是，生物柴油燃料往往会增加氮氧化物。这项研究的主要目的是进一步推动我们对燃料本身含氧量在柴油燃烧中所扮演的角色的理解，可以通过比较柴油燃烧和含DMC和生物柴油的柴油柴油燃烧。第二个目的是检查DMC在传统化石柴油中作为含氧添加剂的潜力。2 实验部分2.1 .发动机试验设备和实验装置实验使用单缸、泵-线-喷嘴、直喷柴油机进行，喷油时限维持在制造商的设置范围。燃料喷射器位于靠近燃烧室中心，并具有180bar的打开压力，燃烧室是碗式活塞设计。表1显示了一个详细的发动机规格，单缸柴油发动机试验台(图2)由一个晶闸管控制的直流电动机-发电机机测力计连接到测力传感器和用于装载和启动发动机。缸内压力痕迹获取由
7、奇石乐6125B石英式压力传感器与奇石乐5011电荷放大器在通过一个360 PPR增量轴编码器与记录数据采集板国家仪器的PCI-MIO-16E-4的数据来确定安装在PC上曲柄轴的位置。内部开发的Lab VIEW软件基于用于获得压力数据和分析燃烧参数(例如，变异系数(COV)的平均指示有效压力(IMEP)、峰值压力、指示功率和热释放)。大气条件的读取中，温度、压力、湿度、都被用来记录和分析燃烧的排放。该实验系统还涉及其他标准的发动机试验装置仪器，即燃料流量计和几个当地的热电偶。废气再循环(EGR)的流动是由阀门手动控制的。作为减少在一个固定的发动机操作点上的空气体积流量的百分比，该EGR水平由容
8、积确定。进气气流测量使用Romet G65旋转气流计。该EGR方法的准确性已被测试，通过在我们的实验条件下使用的该塔的功能测试，与30%的EGR在分析仪和减容技术在记录的最大的区别是小于1%。我们在调整减少通过基础测试基础的测试，以补偿每一天发生的任何的变化。对六个燃料进行了测试,，基本燃料成分在表2中列出。表3显示了六个测试燃料的燃料特性。20种DMC已被列入，因为它们的燃料氧气重量百分比接近RME。表1 发动机规格图2 柴油机原理与EGR表2 燃料表3 燃料特性图3 2000 rpm 4 bar IMEP 0% EGR气缸压力和热释放率2.2 排放分析Horiba Mexa 7100 DE
9、GR分析仪用来测量氮氧化物、CO、CO2、O2、THCs的浓度。Horiba Mexa 通过化学发光测量氮氧化物(NO+ NO2)；使用非色散红外 (NDIR)测量CO和CO2；O2由电化学测量方法和碳氢化合物(THCs)火焰离子化检测器(FID)测定。采用博世烟度计进行发动机冒烟测量。TSI smp 3080粒子数量和大小是用来测量发动机的PM排放的总数量和大小分布，稀释倍数为1份排气100份的空气。所有测试的热稀释器设定在573K(蒸发掉水和挥发性有机化合物)为具体的碳数和粒径分布的产量(烟尘)PM。为了使物种形成的小的组成(有害)未燃尽的水电碳更全面的排放,惠普模型II 5890系列气相
10、色谱仪(GC)配备一个安捷伦火焰离子化检测器(FID)。这使碳物种的百万分浓度(ppm)从C1C7即甲烷(PPM)甲苯(PPM)上升，对于C1-C5,最低检测浓度1 ppm；对于C6-C7，2 ppm，50 ppm1 ppm的精度(气体标准,验证了准确性0.1 ppm)。2.3 测试过程所有测试都是稳定状态和设置在引擎的速度1500和2000 rpm。研究不同混合物的影响，进行了2bar，4和5bar均表示平均有效压力(IMEP)。所有的测试都是在至少两个不同场合的至少两次，并在所有这些试验中读取平均数。在读数之前，至少要稳定两分钟。我们的排放记录软件平均每十秒记录一次，记录一百秒。在发动机油
11、已经达到足够的温度的时候，所有测试都是在19和27之间进行。为了研究废气循环的影响，发动机运行保持在恒定负载EGR技术分别变化为0%和30%。为了进行燃烧分析，前面提到的内部开发的实验室基础软件被用来获取连续发动机循环的数据，以便研究汽缸压力峰值的统计,变异系数的峰值压力，IMEP等等。每个测试条件是从200个连续的发动机循环的气缸压力数据已经获取和的平均值来确定。3 结果与讨论3.1 燃烧一个有趣的现象是，我们注意到在燃料混合阶段，在超低硫柴油(ULSD)中引进一点DMC会使溶解和分散更容易。但是DMC在超低硫柴油(20 DMC)的大量混合并不容易，当然为实现一个连续的单液搅拌也是必要的。这
12、样做的意义可能是DMC在一定时间上需要从柴油中分离出来，也可能是需要某种表面活性剂。一个初步的调查显示，1个月内，在室温下大约一半的20DMC的已经从超低硫柴油分离。其他的混合物似乎没有分离。图4 2000rpm,5bar IMEP 0EGR气缸压力和放热图5 2000rpm3号发动机负载总氮氧化物排放量在有无EGR的情况下( 2,4和5bar IMEP)图6 在2000rpm时烟雾浓度有大量20DMC的混合物在燃烧过程中也呈现了一个问题，汽缸压力的峰值比低硫柴油燃烧(图3)要高得多，尤其是在初始预混合燃烧阶段。我们认为这可以降低柴油的十六烷值并提高氧含量。出于这个原因，当该燃料使用时，最大I
13、MEP 5bar变得无法实现时，作为喷射系统硬件无法输送燃料的要求的量。图4是一个典型的气缸压力(顶部)的热释放率(ROHR)(底部)的整个范围内的曲柄角度(CAD)。20 DMC系列省略了从图5和图6前面提到的燃料问题。当考虑到缸内压力，很明显，较高的峰值压力使混合燃料得以实现。实际上，DMC峰值呈线性比例增加，即线性峰值压力的增加会使氧含量增加。这个迹象表明，提高预混(接近TDC)时发生了燃烧。如果我们也看看汽缸压力之前TDC，初始压力上升也使混合中的氧气增多。因此，确实压力升高(最清楚地在图4中看到)和压力上升速率(未示出)会再次增加共混物的氧的量。在罗尔分析(图4)，我们可以立即看到，
14、在所有的DMC的混合物的热释放的初始峰值速率明显不同。它也可以看出，这个峰值与DMC的量有关，即更多的DMC给出放热的更高的初始峰值速率。这表明，在用燃料本身含氧量预混或快速燃烧阶段增加了燃料的使用比例。这似乎符合逻辑的，正如燃料本身的含氧量，更多的燃料将在点火延迟期间的可燃性极限下与氧气接触(喷射点开始燃烧，即正的ROHR)26。此外，十六烷值和密度通过添加少量的DMC(表3)并没有显著的影响。所有燃料在燃烧的开始就被保持在约-6CAD。在罗尔在图4中进一步来看,在混合控制燃烧和延迟燃烧阶段期，包含DMC共混物在内都低于超低硫柴油放热的基础。这方面的一个可能的原因是在超低硫柴油的燃烧，气缸内
15、的压力低于含氧燃料的共混物。因此，增加部分未烧尽，仍然可以燃烧。喷射氧浓度的增加并不显著影响发射的长度(即气体的温度并没有显着改变)氮氧化物和烟尘没有明显增加27。另一种可能性是，如果没有燃料本身含氧量 会有更大比例的烟灰(不完全燃烧)仍然能(依赖温度)发生反应释放热量在以后膨胀过程。类似燃烧趋向于为上述被认为的所有负载条件和在引擎的速度(1500和2000 rpm)。主要差异在于载荷之间变化的程度，即在低负荷不太明显。这些趋势在EGR率为0%和30%时也能被发现。比较生物柴油与传统柴油(图4),可以看到,峰值压力较高的生物柴油，压力也略有增加。ROHR注意到也许更有趣的是明显的差异，很明确的
16、是，燃烧开始较早，预混的峰值也增加(第一峰)。综合考虑，认为在燃烧主要是由于体积模量的增加，即生物柴油的密度，在依次注入气缸内之前使燃料内压力上升率更快，这一趋势已被观察到许多28-32。生物柴油预混放热峰在CAD之前并比柴油的大。含10.8%wt RME的生物柴在密度和本身氧含量上都有所增加(表1)。由此可见,增加密度,就有增加汽缸燃油喷射过程中渗透的潜力。这应该提高混合过程中增加渗透扩散的区域。根据这一点上，预混燃料燃烧应随着燃油密度的增加而变强。所以这个结合的大部分燃料本身含氧量的密度在预混燃料的程度上应该有一个相当大的增加。生物柴油在这种情况下，具有39MJ/ kg的低卡值(LCV)与柴油的42.7MJ/kg相比。以百分比，生物柴油含有约92的柴油质量的能量
