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在点燃式缸内直喷发动机中燃用2-甲基呋喃与2，5-二甲基呋喃，汽油，乙醇相比的燃烧、排放特性

摘要：

虽然2，5-二甲基呋喃（DMF）被认为是火花点火（SI）发动机的新型生物燃料候选物，但自从改进的生产方法被发现以来，2-甲基呋喃（MF）作为另一种果糖的脱水和氢解过程的主要产品，也已引起了燃料研究人员的注意。 MF的能量密度与DMF和汽油相当，然而尤其是在汽车应用领域人们对其燃烧行为了解甚少。 本文研究了与汽油、乙醇和DMF相比燃用MF的单缸喷雾引导直喷式火花点火（DISI）发动机的燃烧排放结果。 实验测量并研究了管制排放物（CO，和HC）和颗粒物质（PM）以及不受管制的排放物（甲醛和乙醛）。 实验是在发动机转速为1500r/min，采用用燃料特定的最佳点火正时（MBT），平均有效指示压力在3.5和8.5bar 之间，并且在化学计量空燃比下进行的。试验结果表明：MF的抗爆能力与DMF相近且优于汽油； 虽然MF具有与DMF相似的化学结构，但其燃烧特性明显不同， 在测量的负载范围内，与汽油和DMF相比，MF的指示热效率始终能够高出的约3％。 这种指示热效率的增长归因于MF较快的燃烧速率和更高的抗爆能力。与乙醇相比，MF的体积指示燃油消耗量降低了约30％； MF的整体的规定排放量与其他测试燃料相当，而醛类排放量远低于汽油和生物乙醇。

关键词：点燃式缸内直喷发动机，2-甲基呋喃，2，5-二甲基呋喃，甲醛，乙醛

1. 简介：

近几十年来，由于能源供给和全球变暖等问题，人们更加重视提高燃油经济性和减少车辆尾气排放的问题。 对生物燃料的研究也持续在进行：例如生物乙醇，由于其可再生性和高辛烷值被广泛应用于汽油机中。除了汽油机以外，生物乙醇还在柴油机中有所应用。来自Minnesota大学的研究人员报告了氢气辅助乙醇在柴油机中燃烧的应用。此外，我们也研究了乙醇-柴油混合燃料在柴油机上的使用情况。然而， 生物乙醇有几个局限性：低能量密度、高挥发性和在生产阶段能耗高，因此寻找生物乙醇的优越替代品是能源发展的重要领域。

MF改进的生产方法在2009年被发现：Dumesic 、Romaacute;n，和Zhao等人独立发现并进一步开发了一种高效的由果糖转化为MF的方法，并分别在自然和科学板块发表。选择性除氧可以分为两个步骤： 第一是通过脱水去除三氧原子产生5-羟甲基糠醛(HMF); 第二是通过氢解去除两个氧原子来生产MF。果糖是丰富的可再生物，因此，该方法生产的MF也被认为是一种可再生燃料。在这个过程中，DMF也产生了。该论文笔者的研究小组是第一个研究 DMF 为发动机燃料的小组。他们还研究了采用DMF和汽油的双重喷射策略， 并出版了一本关于DMF作为新的生物燃料候选者的书。研究结果表明，DMF和汽油具有相似的燃烧排放特性， 使它更容易适应当前的缸内直喷技术。最近发表的一些对于DMF非常有趣的研究结果也很支持现有的研究工作。

MF的性质与DMF类似且有一些作为发动机燃料更具吸引力的特性。MF的初始沸点（63℃）比DMF（92℃）更接近与汽油（32.8℃），其密度（20℃时为913.2 kg / m3）高于DMF（20℃时为889.72 kg / m3），其沸点（22℃）低于DMF（16℃） ，这也能克服通常与生物乙醇相关的发动机冷启动困难问题。 最后，其汽化潜热（358.4 kJ / kg）高于DMF（330.5 kJ / kg），这将在大开度节气门的缸内直喷发动机和点燃式缸内直喷发动机中产生更高的动力输出。

目前人们对MF的燃烧和排放知之甚少。 第一份报告[21]发现由于较高的汽化潜热和较高的燃烧稳定性，MF在发动机冷起动方面比乙醇更优，MF的抗爆能力优于汽油，这将允许在汽油机中使用时采用更高的压缩比，并通过发动机“小型化”提高效率。MF的HC排放量至少比汽油低61％。然而，由于MF高的绝热火焰温度高，排放水平是一个问题。

在本研究中，研究了了单缸引导喷射DISI发动机中MF的燃烧和排放。 实验是在发动机转速为1500r/min的化学计量空燃比下进行的，并且使用燃料特定的最佳点火正时（MBT），平均有效指示压力在3.5和8.5bar 之间，将结果与燃用汽油、乙醇和DMF进行比较，不仅测量了管制排放物（CO，和HC），还对颗粒物（PM）的大小、数量分布以及甲醛和乙醛等不受管制的排放物进行了研究。 燃料特定的最佳点火正时可以用于研究每种燃料的最佳燃烧性能。

1. 实验系统和方法

2.1发动机和仪器设备

本次实验是在研究用单缸、喷雾引导的四冲程DISI发动机上进行的（如图2），发动机规格参数在表2中给出。 无论发动机扭矩输出如何，发动机都与直流（DC）测功机连接以保持1500 r/min（plusmn;1r/min）的恒定转速。 使用型号为6041A的Kistler水冷压力传感器测量缸内压力。 所有温度都用K型热电偶测量。 使用比例积分微分（PID）控制器和热交换器使冷却液和机油温度分别精确保持在358 K和368 K（plusmn;3 K）。 使用100L进气缓冲罐（大约是发动机扫气量的200倍）来稳定进气流量。

该发动机使用LabVIEW编写的内部控制软件进行控制。 使用Horiba MEXA-7100DEGR气体分析仪测量气体排放物。 HC、和CO的测量精度为1 ppm。 使用由TSI制造的扫描移动粒度分光仪（SMPS3936）测量颗粒物质（PM）。 排气样本在排气阀下游0.3 m处进行，并通过加热管线（保持在464 K）泵送到分析仪。

2.2测试燃料

被研究的四种燃料的特性被列入表1中。 汽油和乙醇均由英国 Shell Global Solutions公司提供。 选择高辛烷值汽油是因为它代表了市场上的最具竞争力的燃料特征。 DMF由中国北京LYS化学有限公司提供，纯度为99％。 MF由英国Fisher Scientic提供，纯度为99％。

2.3实验过程

2.3.1发动机设置

首先暖机使冷却水和机油温度稳定。 所有测试的进气温度均在环境温度（298plusmn;1K），发动机转速为1500r/min和化学计量空燃比（AFR）下进行。 对于每个测试，记录来自300个连续循环的压力数据，然后取平均值。

在这项工作中进行的每种燃料的所有测试都是在特定燃料的最佳点火正时下完成的，称为最大制动扭矩（MBT）正时。 对于各种负载下的每种燃料（间隔为1 bar IMEP时为3.5-8.5 bar IMEP）进行行火花扫描。 用于定义MBT正时的是火花正时，它为固定节气门位置提供最大指示平均有效压力。 如果燃烧爆震或燃烧不稳定（指示平均有效压力变化系数＞5％），MBT时间延迟2个CAD。 在这种情况下，最佳点火正时称为爆震限制点火提前（KLSA）。

2.3.2甲醛和乙醛的定量

在这项研究中，甲醛和乙醛的排放通过使用HPLC酸化的2，4-二硝基苯肼（DNPH）溶液的湿化学分析来研究。 在CARB方法中测量了13种不同的羰基，但是由于甲醛和乙醛的存在会使羰基化合物在在废气中排放，其余的单个羰基（C＞3）的浓度低于5ppm，因此在本文中只提到了甲醛和乙醛。在由Sigma Aldrich提供的酸化的DNPH试剂（20ml）中以恒定的低速率（1L /分钟）对废气鼓泡进行固定时间段（20分钟），羰基与DNPH试剂的相互作用产生DNPH-羰基衍生物，然后可以通过反相HPLC分析，每个测试重复三次以量化重复性的量级。在校准中使用含甲醛和乙醛的乙腈标准溶液（由Sigma Aldrich提供），然后将样品中每种化合物的峰面积与校准的峰面积进行比较以确定其浓度。

1. 结果与讨论

3.1点火正时

图3a显示了各种负载下每种燃料特定的优化点火正时或MBT/KLSA正时。在指示平均有效压力为3.5 bar下，所有燃料的MBT/KLSA相位没有差异。然而，随着负载从指示平均有效压力为4.5bar逐渐增加，所有燃料的MBT / KLSA位置开始不同。 MF在整个负荷范围内具有与DMF类似的MBT/KLSA位置。乙醇有最大的火花点火时间，而汽油的MBT/KLSA阻力最大。在最高负荷（指示平均有效压力为8.5 bar）下，MF的MBT/KLSA时间比汽油提前6个CAD。 MF和乙醇在最高负荷下的最大差异为5个CAD。在整个负载范围内，使用MF以及DMF和汽油时可观察到爆震现象。对于MF和DMF，敲击开始发生在指示平均有效压力为6.5 bar ，而对于汽油来说受限制于 5.5 bar IMEP。在使用乙醇时没有观察到爆震。每种燃料的抗爆能力取决于化学结构的氧化物数量.MF（C5H6O）在化学结构上与DMF（C6H8O）类似，唯一的不同是MF在其环丁烯环上缺少一个甲基。 MF分子相对简单紧凑，而汽油是C2-C14烃的混合物。总的来说，汽油链是四种研究燃料中最长和最复杂的。乙醇具有最简单和最好的结构，其碳原子数只有两个。随着碳氢链长度的增加，暴露于高温时燃料变得更容易分解，而高温会增加SI发动机爆震的倾向。这可能是MF（紧凑型结构）与汽油（长链）不同且具有更高抗爆性的原因之一。燃烧温度一直是影响燃油抗爆能力的另一个重要因素。这也可能受燃料在缸内直喷后的蒸发冷却效应影响。在汽化过程中，液体燃料吸收来自环境空气的热量，这降低了气缸内的温度。

图3b显示了用于评估燃料间冷却效果的汽化潜热（HV）和低热值（LHV）的比率。 HV / LHV表示一个燃料能量输入单元蒸发液体燃料所需的热量。MF 与DMF和汽油相比具有好的冷却效果。 这意味着MF蒸发时将从气缸内吸收更多的能量，这有助于降低点火温度并阻止尾气自燃。 生物乙醇显着的高HV / LHV（与MF相比）是其高抗爆能力的主要原因。

3.2质量分数燃烧，CID和CD

图4a和b分别给出了指示平均有效压力为3.5和8.5 bar下四种测试燃料的质量分数燃烧（MFB）曲线。缸内压力数据和对应的气缸容积数 据用于计算对应曲轴转角的放热率。 MFB的定义是从燃烧开始到结束的连续曲柄角积累的释放热量除以整个燃烧过程释放的总热量。

正如Heywood所提出的，Wiebe函数的功能是可用于表示燃烧质量分数与曲轴转角曲线的关系：

其中theta;是曲轴转角，theta;₀是开始燃烧对应的转角，是整个燃烧持续期对应的转角，alpha;和m是可调参数。

指示平均有效压力在3.5和8.5 bar下，MF的燃烧速度最快。 随着负荷从3.5增加到8.5barIMEP，生物乙醇和MF在燃烧速率上的差异变小，但是汽油和MF之间的差异增大了。点火延迟（CID）定义为开始火花放电点火到5％的MFB之间对应的CAD间隔，如图4c所示。 MF的CID一直是整个负载范围内最短的。 CID中MF和汽油之间的差异随着负荷的增加而降低，在指示平均有效压力为3.5 bar时最大为3 CAD，在8.5 bar时最小为2 CAD。 这是由于随着负载的增加，MF和汽油之间的点火正时差异增加。 如前所述，在 3.5 bar IMEP，MF和汽油的点火正时相同，而在8.5 bar IMEP时MF的点火时间提前了6 CAD。

由于在火花放电的情况下缸内温度和压力较低，提前的火花点火正时延长了CID。由于乙醇的冷却效果较显著和高负荷时的较大火花正时，MF和乙醇之间的CID差异增大从3.5 bar IMEP的1 CAD增加到8.5 bar IMEP的2 CAD。在MF和DMF之间，它们在整个负载范围内的CID差异保持相同（2CAD）。

图4d显示了每种燃料在不同负载下的燃烧持续时间（由CAD中的10-90％MFB间隔定义）。如前所述，MF在整个负载范围内始终具有最短的燃烧时间（CD），而汽油则是最长的。与CID的差异不同，MF和汽油之间的CD差异随负载增加而增加。 MF和汽油之间的最大差异（7 CAD）在8.5 bar IMEP上发生，最小差值（4 CAD）在3.5 bar IMEP上。 8.5bar IMEP的MF的CD分别比乙醇和DMF短约3和2CAD。 许多出版物已经报道了含氧碳氢化合物燃烧速率更快，这也可以用来解释为什么MF与DMF和乙醇一样，与汽油（分子中不含氧）相比具有更短的CD。如图5所示，较短的CID和CD对于MF的益处是获得较高的燃烧稳定性。对于MF的IMEP变异系数始终低于其他三种研究过的燃料。较高的燃烧稳定性表明MF在稀薄燃烧或分层时更具有优势。

3.3缸内压力和温度

3.5和8.5 bar IMEP下四种测试燃料的缸内压力分别如图6a和b所示。在3.5 bar IMEP下，MF的最大缸内压力发生在10-20 CAD之间。在8.5 bar IMEP下，MF和生物乙醇的缸内压力最相近，二者都高于DMF和汽油。

图6c显示了各种燃料在各种负载下的最大缸内压力。 MF始终在整个负载范围内产生最高的气缸峰值压力，其最大缸内压力在8.5 bar IMEP时不会达到峰值。正如预期的那样，汽油在四种燃料中峰值压力最低，其峰值接近7.5 bar IMEP。 MF和汽油在峰值压力之间的差异随着载荷的增加而增加，分别在3.5和8.5巴IMEP处有4和15bar的差异。尽管MF比乙醇具有更高的峰值压力，但它们的差异随着负荷增加而降低。在3.5 bar IMEP时，MF的峰值压力比乙醇高2.8巴。然而，在指示平均有效压力为8.5 bar时，其峰值压力几乎相同。至于MF和DMF，它们的峰值压力差在整个负载范围内保持几乎恒定，这与它们在燃烧持续时间上的恒定差异一致。

MF显著的高峰值压力主要归因于两个因素：较提前的点火正时和较短的燃烧时间。MF较短的燃烧持续时间导致精确到上止点（TDC）附近释放会更多的能量，这对其缸内压力峰值有显著的

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