增氧剂DMC对汽油理化特性及电控汽油机性能的影.pdf

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1、 第 10卷 第 4 期 2004 年 8月 燃 烧 科 学 与 技 术 Journal of Combustion Science and Technology Vol. 10 No. 4 Aug. 2004 增氧剂 DMC 对汽油理化特性及电控汽油机性能的影响 y 宋崇林, 郭振鹏, 高 祥, 成存玉, 董素荣 ( 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072) 摘 要: 选用碳酸二甲酯(DMC)作为含氧燃料添加剂, 分别按一定的体积比添加到 90#无铅汽油中, 分析其对汽油 主要理化参数的影响规律. 此外, 在发动机试验台架上, 考察了燃用不同掺混比的 DMC/ 汽油混合燃料

2、时, 电控汽油 机动力性能和经济性的变化. 实验结果表明, DMC/ 汽油混合燃料的研究法辛烷值(RON) 随着 DMC 添加量的增大而 增加, 当达到试验最大添加比例 4. 7% 时, 燃料的研究法辛烷值为 93. 3. 混合燃料的雷德蒸气压有所降低, 而馏程与 基础油相比, 基本保持不变. 燃用 DMC/ 汽油混合燃料, 汽油机功率下降, 燃油消耗率和能量消耗率上升. 当达到最 大添加比例 4. 7% 时, 汽油机功率下降最大值达到 7. 4% , 相应的燃油消耗率和能量消耗率则分别上升 11. 4% 和 6. 3% . 关键词: 碳酸二甲酯; 理化特性; 汽油机; 动力性; 经济性 中图

3、分类号: TK411. 71 文献标志码: A 文章编号: 1006 - 8740(2004)04 - 0295 - 04 Effects of Dimethyl Carbonate on Physical and Chemical Properties of Gasoline and on the Performance of an EFI Gasoline Engine SONG Chong -lin, GUO Zhen -peng, GAO Xiang, CHENG Cun -yu, DONG Su -rong (State Key Laboratory of Engines, Tian

4、jin University, Tianjin 300072, China) Abstract: The effects of dimethyl carbonate (DMC) as an oxygenate mixed into the 90#unleaded gasoline on the physical and chemical properties of blended fuels and on the performances of an EFI gasoline engine were investigated. The results showedthat the resear

5、ch octane number (RON) of blended fuels increasedwith the more D MC additives, and the RON reached to 93. 3 with the max DMC content of the test fuels 4. 7% v/v. The Reid vapor pressure had a little decrease, but there was no significant change on the distillation temperature compared with that of t

6、he 90#unleaded gasoline. Addition of DMC into gasoline resulted in a decrease in the output power of EFI gasoline engine and in an increase in the brake specific fuel consumption( BSFC) and the brake specific energy consumption( BSEC) . With the fuel containing 4. 7% (v/v) D MC, highest concentratio

7、n of additives among the test blends, the loss of engine output power was 7. 4% and the BSFC and the BSECwere upto 11. 4% and 6. 3% respective - ly. Keywords: dimethyl carbonate; physical and chemical property; gasoline engine; output power; fuel consumption 由于含氧汽油的普遍推广使用, 作为汽油增氧剂 的甲基叔丁基醚( methyl te

8、r- t butyl ether, MTBE) 全球的 需求量和产量不断增长. 据统计, 2003 年全世界用于 汽油含氧添加剂的MTBE 已达 2 100 万吨, 我国为 150 万吨, 比 1995 年增长 300% . 随着MTBE 使用量的不断 增加, 其对人体健康的影响引起人们的高度重视, MTBE 不易挥发, 且比汽油其他成分更易溶于水, 最近 大量研究结果表明, MTBE 除了能引起麻醉、 共济失 调、 震颤、 面部痉挛、 惊跳反射消失、 肝肾容量增加等急 性症状外, 还可诱发癌症、 免疫系统功能下降等慢性疾 y收稿日期: 2003 - 12 - 02. 基金项目: 国家自然科学

9、基金资助项目(50076032) . 作者简介: 宋崇林( 1965) ) , 男, 博士, 教授, shongchonglin . 病1 3. 因此, 美国加利福尼亚州已决定在 2002 年 12 月31 日后禁止使用MTBE; 纽约州也签署法案, 规定从 2004 年1 月起禁止使用 MTBE. 根据这一趋势, 美国其 他州也可能在不久的将来限用或禁用MTBE5. 目前, 世界各国正寻求开发新一代性能优越、 无污 染、 价格低廉的汽油增氧剂, 以取代 MTBE. 从研究结 果来看, 碳酸二甲酯( dimethyl carbonate, DMC) 是比较理 想的汽油增氧剂, 它是一种绿色化学

10、品, 其毒性很低, 欧洲在 1992 年把它列为无毒化学品, 其分子式为 C3H6O3, 分子量为 90, 分子含氧率为 53%, 沸点为 90. 3 e , 蒸气压为 5. 6 103Pa( 20 e ) , 辛烷值同 MTBE 接近, 可与汽油互溶、 无腐蚀性、 价格较低, 尤其是 DMC 无毒性的特点使其作为 MTBE 的替代品具有很 大的潜力 4. 试验选用碳酸二甲酯( DMC) 作为含氧燃 料添加剂, 分别以一定的比例添加到 90#无铅汽油中, 分析其对汽油主要理化参数的影响规律. 此外, 在发动 机台架上, 考察了燃用不同掺混比的 DMC/ 汽油混合 燃料时, 电控汽油机动力性和经

11、济性的变化. 1 试验设备及方法 DMC 由山东淄博宝鼎生物科技公司提供. 基础油 选用天津炼油厂生产的 90#无铅汽油, 油品的性能指 标满足国家标准 GB17930 -1999, 且汽油中未含任何增 氧剂. 考虑到广泛使用的汽油增氧剂仍然是 MTBE, 故 在本试验中选用 MTBE 体积分数分别为 5% 、 10%、 15% 和 20%时的含氧量作为参照, 换算成相应的 DMC 的体积分数, 其对应的体积分数为 1. 2% 、 2. 4%、 3. 5% 和4. 7%, 试验中使用的设备参数见表 1. 表 1 使用设备名称及生产厂家 仪器名称生产厂家 CFR 辛烷值试验机 Waukesha,

12、Enging, Dresser Equipment Group, INC. XL -2F 型石油产品蒸馏测定仪天津市瑞普电子仪器公司 DSY -007 饱和蒸气压测定器大连离合仪器有限公司 NANFENG 电涡流测功机河南洛阳南峰机械厂 MC -1 型发动机测试控制柜南通市启东测功设备厂 FCM04 燃油消耗率测量仪杭州奕科机电技术研究所 发动机实验在一台HL495IQ 型多点电喷汽油机上 进行, 该发动机为山西榆次新天地发动机制造有限公 司生产, 其主要技术参数如表 2. 选择了发动机外特性 和1 600 r/min、 2 600 r/min 及 3 400 r/ min 负荷特性为 实验工

13、况, 研究了 4 种不同掺混比的 DMC/ 汽油混合 燃料对发动机动力性能和经济性能的影响. 使用的混 合燃料均为现场配制, 考虑到燃料的推广使用, 试验时 未对发动机作任何调整, 各系统也未进行优化匹配. 表 2 汽油机性能参数 项 目类型及参数 型号HL495IQ 型式顶置气门、 直列、 四冲程、 多点电喷式 标定功率/ kW75 标定转速/ (r#min- 1)3 800 最大扭矩/ 转速225( N#m) /2 500 2 650(r#min- 1) 最低油耗/ (g#( kW#h) - 1) 265 燃烧室形状浴盆形 压缩比7. 6B1 缸数4 缸径 行程/mm95 100 排量/

14、L2. 835 2 试验结果及分析 2. 1 DMC 对汽油主要理化特性的影响 图 1 显示出了不同掺混比的 DMC 对 90#无铅汽 油的Reid 蒸气压、 研究法辛烷值( RON) 及馏程的影 响. 图 1 DMC掺混比对汽油 Reid 蒸气压、 RON及馏程的影响 从图 1 可以明显看出, DMC/ 汽油混合燃料的辛烷 值比基础汽油的辛烷值高, 并且随添加量的增加而升 高, 但升高的幅度很小, 这主要是因为 DMC 的 RON 略 高于基础油. 当 DMC 的添加比例为4. 7%时, 燃料的研 #296#燃 烧 科 学 与 技 术 第 10 卷 第 4期 究法辛烷值由基础汽油的 92.

15、5 增加到 93. 3. 图 1中还 显示, DMC/ 汽油混合燃料的蒸气压随 DMC 添加量的 变化规律不明显, 但 DMC 添加到汽油中, 汽油的 Reid 蒸气压有所降低, 其主要原因是DMC 的蒸气压比汽油 低. DMC/ 汽油混合燃料 Reid 蒸气压仍符合国家标准 ( 小于 74 kPa) 的要求. 而且, 随着 Reid 蒸气压的降低, 汽油的挥发性能变好, 燃料容易气化, 与空气混合均 匀, 燃烧得到改善. 此外, 从图 1 中可以明显地看到, DMC 加入后混合燃料的馏程基本没有变化. 2. 2 DMC/ 汽油对发动机动力性能的影响 图 2 为燃用不同配比 DMC/ 汽油混合

16、燃料时, HL495IQ 型电喷汽油机功率的变化. 从图中可以看出, 汽油添加 DMC 后, 发动机动力性呈下降趋势. 当添加 量为 1. 2%、 2. 4%、 3. 5% 和 4. 7% 时, 功率下降值分别 为3. 97%、 5. 48% 、 6. 22% 、 7. 41%. 这主要是因为 DMC 的热值与汽油相比差距较大, 只有汽油的 1/ 3, 而发动 机循环供油量不变, 所以随着 DMC 添加比例的增大, 动力性下降越多. 图 2 燃用含有不同 DMC体积分数汽油的 汽油机外特性曲线 2. 3 DMC/ 汽油对发动机经济性的影响 图 3 图 5 分别给出了在低速 1 600 r/ m

17、in、 中速 2 600 r/ min、 高速 3 400 r/ min 不同转速条件下, 燃用不 同DMC/ 汽油混合燃料时, 汽油机的燃油消耗率和能 量消耗率的变化规律. 从图中可以看出, 汽油添加 DMC 增氧剂后, 发动机燃油消耗率的变化呈上升趋 势. 这主要是由于 DMC 的低热值为 14. 5 MJ/ kg, 汽油 的低热值为 43. 96 MJ/ kg, 混合后的燃料热值随着掺烧 比的增加而下降, 必然导致燃油消耗率上升. 由于 DMC 和汽油的热值相差较大, 直接采用燃油 消耗率考察燃料经济性有一定的局限性. 为此, 采用能 量消 耗率 ( break specific ene

18、rgy consumption, BSEC) 进行对比分析. 由图3 图5还可以看出, 当分别燃用 ( a) 燃烧消耗率 ( b) 能量消耗率 图 3 n= 1 600 r/ min, 燃用含有不同 DMC体积分数的汽油时, 汽油机负荷特性 ( a) 燃油消耗率 ( b) 能量消耗率 图 4 n= 2 600 r/ min, 燃用含有不同 DMC体积分数的汽油时, 汽油机负荷特性 #297#2004年 8 月 宋崇林等: 增氧剂 DMC对汽油理化特性及电控汽油机性能的影响 ( a) 燃油消耗率 ( b) 能量消耗率 图 5 n= 3 400 r/min, 燃用含有不同 DMC 体积分数的汽油时

19、, 汽油机负荷特性 4 种不同配比的 DMC/ 汽油混合燃料时, 与基础汽油相 比, 能量消耗率分别上升 1. 5%、 3. 3%、 4. 1% 和 6. 3% , 上升的幅度低于燃油消耗率. 原因为燃油消耗率 上升的幅度较大, 导致 DMC/ 汽油混合燃料的能量消 耗率比基础汽油高; 另一方面, 由于燃料的/ 自携氧性0 改善了燃烧, 能量利用率提高, 使能量消耗率上升幅度 低于燃油消耗率. 3 结 论 ( 1) 90#无铅汽油中加入 DMC 增氧剂后, 研究法 辛烷值略有增加, Reid 蒸气压下降, 汽油品质得到改 善. ( 2) DMC/ 汽油的馏出温度变化规律不明显, 且变 化幅度不

20、大. ( 3) 电喷式汽油机燃用 DMC 增氧剂汽油时与燃 用90#无铅汽油相比, 动力性降低, 燃油消耗率上升, 能量消耗率略高于基础油. 参考文献: 1 Prah J D. Sensory symptomatic, inflammatory and ocular re - sponses to the metabolism ofmethyl tertiary butyl ether in a con - trolled human exposure experiment J .Inhalation Toxicol, 1995, 6: 521) 538. 2 Cain W S. Acute

21、exposure to low -level methyl tertiary butyl ether(MTBE) : Human reactions and pharmacokinetic response J. Inhalation Toxicol, 1996, 8: 21) 28. 3 Hartley W R, Englande A J, Harrington Jr, et al. Health risk assessment of groundwater contaminated with methyl tertiary butyl ether ( MTBE) J . Wat Sci Tech, 1999, 39( 10, 11): 305) 310. 4 Daniele Delledonne, Franco Rivetti, Ugo Romano. Develop - ments in the production and application of dimethyl carbonate J . Applied Catalysis A , 2001, 221: 241) 251. 5 徐维正. 美国 MTBE 禁用新动向J. 国际化工信息, 2003 (2) : 5) 6. #298#燃 烧 科 学 与 技 术 第 10 卷 第 4期