PODE/柴油混合燃料對共軌柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響

姚肖華，孫 平，劉軍恒，嵇 乾，王玉梅，楊 晨

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

含氧燃料分子中的氧在燃燒過程中能起到自供氧作用，在柴油中加入含氧燃料添加劑后可以有效地改善柴油機(jī)的排放性能，尤其降低排氣煙度和顆粒物排放的效果顯著[1-2]。當(dāng)前，醇類、醚類和生物柴油等是含氧燃料研究的熱點(diǎn)[3]。

聚甲氧基二甲醚(PODE)是一種新型的含氧燃料，其為相對分子質(zhì)量較低的縮醛類聚合物，可由甲醇、二甲醚和多聚甲醛為原料催化合成[4]。只有聚合度n在3～8之間的PODE時(shí)才適宜作為含氧燃料添加在柴油中，常溫下與柴油穩(wěn)定互溶。PODE的含氧量高，其十六烷值比柴油高，可有效地改善柴油機(jī)的燃燒與排放性能，具有較好的應(yīng)用前景[5-6]。

2013年山東辰信新能源有限公司萬噸級聚甲氧基二甲醚裝置投料試車成功。該裝置采用中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理所離子液體催化合成工藝，以甲醇為原料，經(jīng)三聚甲醛合成 PODE[7]。2014年清華大學(xué)與山東玉皇化工有限公司合作研發(fā)的PODE工業(yè)化裝置通過了科技成果鑒定，該裝置設(shè)計(jì)年產(chǎn)量在萬噸級別。這些PODE的生產(chǎn)項(xiàng)目奠定了PODE大規(guī)模生產(chǎn)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也大幅降低了PODE的生產(chǎn)成本，PODE的生產(chǎn)成本低于柴油，為其大規(guī)模應(yīng)用提供了可能。

筆者選取PODE含氧燃料作為柴油添加劑，配制了不同摻混比的PODE/柴油混合燃料，基于臺架實(shí)驗(yàn)，研究PODE/柴油混合燃料對柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、放熱率等燃燒特性以及對CO、HC、NOx和排氣煙度等排放特性的影響。同時(shí)分析了PODE/柴油混合燃料對柴油機(jī)顆粒物數(shù)量分布隨粒徑變化的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)燃料

柴油為市售國Ⅳ0#柴油。聚甲氧基二甲醚(PODE)，化學(xué)簡式CH3O(CH2O)nCH3，n為聚合度，PODE由淄博津昌助燃材料科技有限公司生產(chǎn)，表1為PODE組成。使用0#柴油和PODE，根據(jù)PODE在混合燃料中所占體積分?jǐn)?shù)10%、20%、30%分別配制了3種PODE/柴油混合燃料，記為P10、P20、P30。常溫下靜置30 d，PODE/柴油混合燃料互溶穩(wěn)定，無渾濁分層現(xiàn)象出現(xiàn)。表2為4種實(shí)驗(yàn)燃料的特性。

表1 PODE的組成Table 1 Composition of PODE

表2 4種實(shí)驗(yàn)燃料的特性Table 2 Physical and chemical properties of four tested fuels

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)

實(shí)驗(yàn)中所用高壓共軌柴油機(jī)為濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的YZ4DA1-40型四沖程、直列水冷、渦輪增壓中冷、高壓共軌柴油機(jī)。柴油機(jī)排量為4.09L，壓縮比17.5，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2600 r/min，標(biāo)定功率95 kW。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中臺架系統(tǒng)主要包括：湘儀CAC250型電力測功機(jī)和FC2005測功機(jī)控制軟件，湘儀水溫控制器(FC24222X2)，AVL 735S型瞬態(tài)油耗儀和753C型燃油溫控儀，燃油溫度設(shè)定值為38℃，控制精度為±1℃。在柴油機(jī)燃燒特性實(shí)驗(yàn)中，使用Dewetro公司的M0391E型燃燒分析儀結(jié)合Kistler公司的 6052C型缸壓傳感器測量缸壓數(shù)據(jù)，連續(xù)采集200個(gè)循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)計(jì)算缸內(nèi)壓力平均值，并依據(jù)缸內(nèi)平均壓力計(jì)算出瞬時(shí)放熱率。在柴油機(jī)排放特性實(shí)驗(yàn)中，使用AVL 415S型濾紙煙度計(jì)測量濾紙煙度值，用于表征柴油機(jī)的排氣煙度。采用HoribaMEXA-7200D型尾氣分析系統(tǒng)測量氣體排放。實(shí)驗(yàn)中柴油機(jī)顆粒粒徑分布特征由美國TSI公司的EEPS 3090測得，該設(shè)備粒徑范圍為5.6～560 nm，采用兩級稀釋系統(tǒng)，一級稀釋系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)盤式熱稀釋器，二級稀釋系數(shù)為熱空氣調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，采樣頻率為10 Hz，可直接測量柴油機(jī)排氣顆粒的粒徑和數(shù)量。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中，選取了柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速(N)2600 r/min下100%和25%負(fù)荷作為實(shí)驗(yàn)工況，由于PODE熱值低，摻混PODE后PODE/柴油混合燃料熱值降低，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)扭矩下降，因此實(shí)驗(yàn)中選取了燃用P30混合燃料時(shí)，柴油機(jī)在2600 r/min時(shí)能達(dá)到的扭矩值作為該轉(zhuǎn)速下最大扭矩，分別燃用柴油、P10、P20和P30，記錄柴油機(jī)燃燒特性數(shù)據(jù)和排放特性數(shù)據(jù)。每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)測量3次，消除實(shí)驗(yàn)中的不確定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒過程分析

圖1所示為柴油機(jī)穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速2600 r/min時(shí)，不同負(fù)荷下燃用不同摻混比PODE/柴油混合燃料的缸內(nèi)壓力和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。與柴油的缸內(nèi)壓力曲線相比，燃用PODE/柴油混合燃料時(shí)，燃燒始點(diǎn)提前，滯燃期縮短，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增大。由圖1(c)可見，100%負(fù)荷時(shí)放熱率曲線呈雙峰分布，第1個(gè)峰處于預(yù)混燃燒階段，第2個(gè)峰處于擴(kuò)散燃燒階段。與柴油相比，PODE/柴油混合燃料預(yù)混燃燒階段的放熱率峰值下降，預(yù)混燃燒減少，且隨著PODE摻混比增大，放熱率峰值進(jìn)一步降低；PODE/柴油混合燃料擴(kuò)散燃燒階段的放熱率峰值增大，擴(kuò)散燃燒速率加快。從圖1(d)可以看出，25%負(fù)荷時(shí)放熱率曲線呈單峰分布。與柴油相比，PODE/柴油混合燃料的放熱率峰值上升，放熱率曲線向左側(cè)移動(dòng)，且放熱率峰值隨著PODE摻混比增大而增大。

對比缸內(nèi)壓力曲線可以看出，PODE/柴油混合燃料的滯燃期都隨PODE摻混比增大而縮短。由表2可知，隨著PODE摻混比增大，PODE/柴油混合燃料的十六烷值增大，十六烷值是影響滯燃期的主要因素，因此燃用PODE/柴油混合燃料時(shí)滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)提前。100%負(fù)荷時(shí)，相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的滯燃期縮短，上止點(diǎn)前著火，預(yù)混燃燒偏離上止點(diǎn)，但是擴(kuò)散燃燒加劇，因此缸內(nèi)壓力升高。25%負(fù)荷時(shí)噴油較少，缸內(nèi)燃燒溫度低，上止點(diǎn)后著火，著火延遲期長。相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的燃燒始點(diǎn)向上止點(diǎn)靠近，缸內(nèi)壓力上升[8-9]。

100%負(fù)荷時(shí)，對比放熱率曲線，PODE/柴油混合燃料預(yù)混燃燒階段放熱率峰值下降，擴(kuò)散燃燒階段放熱率峰值上升。燃用PODE/柴油混合燃料時(shí)滯燃期縮短，在此期間形成的可燃混合氣數(shù)量減少，因此相比于柴油，PODE/柴油混合燃料預(yù)混燃燒減少。同時(shí)PODE/柴油混合燃料的熱值相比于柴油較低，綜合效果是PODE/柴油混合燃料在預(yù)混燃燒階段的放熱率峰值降低。PODE具有揮發(fā)特性好、沸點(diǎn)低、含氧量高等優(yōu)點(diǎn)，在柴油中摻混PODE后有利于改善混合氣的均勻性，在擴(kuò)散階段提高了擴(kuò)散燃燒速率，擴(kuò)散燃燒加劇，因此PODE/柴油混合燃料相比柴油在擴(kuò)散燃燒階段的放熱率峰值升高。

25%負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷低，噴油量少，缸內(nèi)燃燒溫度低，著火延遲期長，滯燃期內(nèi)噴油基本結(jié)束，因此放熱率分布呈現(xiàn)單峰分布。與柴油相比，PODE/柴油混合燃料的滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)提前，燃燒始點(diǎn)向上止點(diǎn)靠近，燃燒加??；且PODE/柴油混合燃料中的含氧量增大，燃燒情況改善。因此PODE/柴油混合燃料的峰值放熱率較柴油相比升高。

圖1 PODE/柴油混合燃料的缸壓和放熱率曲線Fig.1 Cylinder pressure and heat release rate curves of PODE/diesel blended fuels N=2600 r/min°CA—Crank angle(a) 100% Load cylinder pressure; (b) 25% Load cylinder pressure；(c) 100% Load heat release rate; (d) 25% Load heat release rate

2.2 排放特性分析

表3是柴油機(jī)穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速2600 r/min下，100%和25%負(fù)荷時(shí)，燃用不同摻混比PODE/柴油混合燃料排放的碳氧化物(NOx)體積分?jǐn)?shù)和排氣煙度。由表3可知，柴油機(jī)燃用PODE/柴油混合燃料時(shí)，NOx體積分?jǐn)?shù)上升，排氣煙度下降。

表3 不同負(fù)荷下PODE/柴油混合燃料排放的NOx體積分?jǐn)?shù)和排氣煙度Table 3 Volume fraction of NOx and smoke intensity of PODE/diesel blended fuels under different loads

N=2600 r/min；FSN—Filter smoke number

根據(jù)澤爾多維奇NOx生成機(jī)理，最高燃燒溫度、高溫下的滯留時(shí)間以及燃燒過程中的氧濃度決定了柴油機(jī)的NOx排放量[10]。在100%負(fù)荷燃用PODE/柴油混合燃料時(shí)，雖然放熱率峰值相對于柴油下降，且PODE/柴油混合燃料的熱值下降，達(dá)到相同功率時(shí)的供油量增加，燃料蒸發(fā)吸收的熱量增大，缸內(nèi)溫度下降，將導(dǎo)致NOx體積分?jǐn)?shù)下降，但是PODE含氧量高的特性增加了燃燒過程中的氧濃度，綜合效果是PODE/柴油混合燃料排放的NOx體積分?jǐn)?shù)相比于柴油分別增加了2.0%、7.4%和9.5%。由于P30相比于P20燃料熱值更低，供油量進(jìn)一步增加，燃燒溫度降低，抑制了熱力型NOx的生成，因此減小了NOx的增長幅度。在25%負(fù)荷時(shí)，放熱率峰值均高于柴油，且由于小負(fù)荷時(shí)供油量較全負(fù)荷少，燃料吸熱量減少，缸內(nèi)溫度降低幅度減少，因此PODE/柴油混合燃料排放的NOx體積分?jǐn)?shù)相比較于柴油分別增加了7.7%、10.4%和16.2%。與全負(fù)荷相比，NOx體積分?jǐn)?shù)增加幅度變大。

在柴油中摻混PODE可有效降低柴油機(jī)的排氣煙度，且降低效果顯著。柴油機(jī)在100%負(fù)荷時(shí)燃用P10、P20和P30燃料，排氣煙度分別降低29.6%、44.8% 和75.8%；25%負(fù)荷時(shí)排氣煙度分別降低28.0%、44.0%和76.0%。柴油機(jī)的碳煙生成機(jī)理是混合氣中局部高溫缺氧，擴(kuò)散燃燒期間生成的碳煙占主要部分。在柴油中加入PODE后，PODE/柴油混合燃料黏度和沸點(diǎn)降低，燃料的蒸發(fā)霧化特性變好，且燃料中氧含量增加，改善了濃混合氣區(qū)域缺氧的狀況。因此，在柴油中摻混PODE降低了柴油機(jī)碳煙排放。PODE沒有芳香烴，燃料中的碳原子以C—O鍵的鍵合狀態(tài)存在，不含C—C鍵，抑制了前驅(qū)體的生成，減少了碳原子參加生成小分子不飽和碳?xì)浣M分的反應(yīng)，因此降低了碳煙排放[11]。

柴油機(jī)的未燃碳?xì)?HC)排放包括未燃燒和未完全燃燒的燃料或潤滑油及其熱解產(chǎn)物和部分氧化物。柴油機(jī)的一氧化碳(CO)排放來源于燃料在燃燒過程中生成的中間產(chǎn)物。表4是柴油機(jī)穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速2600 r/min下，100%負(fù)荷和25%負(fù)荷時(shí)燃用PODE/柴油混合燃料排放的HC和CO體積分?jǐn)?shù)。與柴油相比，PODE/柴油混合燃料排放的HC體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)均有降低。100%負(fù)荷下，P10、P20和P30排放的CO體積分?jǐn)?shù)分別降低了13.1%、16.6%和21.3%，HC體積分?jǐn)?shù)降低了17.7%、24.1%和26.2%。25%負(fù)荷下，P10、P20和P30排放的CO體積分?jǐn)?shù)分別降低了12.4%、16.3%和20.8%，HC體積分?jǐn)?shù)降低了14.5%、21.6%和24.1%。

表4 不同負(fù)荷下PODE/柴油混合燃料排放的HC和CO體積分?jǐn)?shù)Table 4 Volume fraction of HC and CO of PODE/diesel blended fuels under different loads

N=2600 r/min

CO主要受完全燃燒程度決定，其生成量受溫度、供氧情況以及反應(yīng)時(shí)間的影響[12]。柴油中加入PODE后可有效改善燃料的燃燒狀況，PODE蒸發(fā)性能好，改善了參與燃燒的混合氣均勻性，降低了由于不完全燃燒生成的CO體積分?jǐn)?shù)。對于100%負(fù)荷和25%負(fù)荷而言，PODE的加入有效地降低了CO體積分?jǐn)?shù)，隨著加入PODE的比例增大，CO降低幅度變小。由表4可知，100%負(fù)荷和25%負(fù)荷下，PODE/柴油混合燃料排放的HC體積分?jǐn)?shù)較柴油降低。PODE/柴油混合燃料的十六烷值增大縮短了滯燃期，因此降低了滯燃期期間形成稀混合氣的量，從而柴油機(jī)排氣中的HC體積分?jǐn)?shù)降低。對于100%負(fù)荷和25%負(fù)荷而言，P30混合燃料與P20混合燃料相比，降低HC體積分?jǐn)?shù)的效果相差不多，這可能是由于混合比例增大后，燃料的黏度下降導(dǎo)致噴霧貫穿率變小，增加了未燃HC，因此P30混合燃料排放的HC體積分?jǐn)?shù)降低幅度與P20相差無幾。

2.3 顆粒物數(shù)量分析

圖2是柴油機(jī)穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速2600 r/min下，100%負(fù)荷和25%負(fù)荷時(shí)，PODE/柴油混合燃料的柴油機(jī)排氣顆粒物數(shù)量隨粒徑變化的分布。柴油機(jī)顆粒按照粒徑大小，可以劃分為核模態(tài)顆粒和積聚態(tài)顆粒，其粒徑范圍分別為5～50 nm和50～500 nm[13-16]。

由圖2可見，100%負(fù)荷下，4種燃料的顆粒物數(shù)量分布均為正態(tài)單峰分布，峰值在25.5～39.2 nm之間，相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的峰值顆粒物數(shù)量增加，且隨著摻混比例提高，數(shù)量增加幅度上升；PODE/柴油混合燃料的峰值顆粒物數(shù)量分別增加16.8%、30.8%和55.1%，同時(shí)顆粒物數(shù)量分布向小粒徑方向移動(dòng)。而25%負(fù)荷下，4種燃料的顆粒物數(shù)量分布則呈現(xiàn)出雙峰分布,小粒徑峰值都出現(xiàn)在10.8 nm處；而第2個(gè)濃度峰值則在39.2～60.4 nm之間。相比于柴油，對于10.8 nm處的第1個(gè)峰而言，隨著PODE的加入，數(shù)量峰值上升，PODE/柴油混合燃料的峰值數(shù)量分別上升了14.3%、26.9%和33.5%；而對于第2個(gè)峰，隨著PODE的加入，峰值數(shù)量下降且數(shù)量分布向小粒徑方向移動(dòng)，PODE/柴油混合燃料峰值數(shù)量分別下降了15.4%，24.0%和44.5%。

燃料中加入PODE，可以降低積聚態(tài)顆粒物排放，但核模態(tài)顆粒物排放增加。其原因是柴油中加入PODE后，PODE/柴油混合燃料的十六烷值提高，滯燃期縮短，燃料含氧量提高，加速了燃燒，同時(shí)也利于生成的顆粒物進(jìn)一步氧化，使得顆粒粒徑變小[17]，因此顆粒物數(shù)量分布向小粒徑范圍移動(dòng)，數(shù)量峰值增加。而對于25%負(fù)荷，缸內(nèi)燃燒溫度較低，在預(yù)混燃燒時(shí)生成的未燃碳?xì)洳荒芗皶r(shí)氧化，因此會(huì)在10～20 nm粒徑范圍內(nèi)形成一個(gè)數(shù)量峰。PODE加入后，由于PODE易揮發(fā)的特性，增加了預(yù)混燃燒期間未燃碳?xì)涞谋壤斐闪诵×綌?shù)量峰值上升，且峰值數(shù)量隨著PODE摻混比增大而增加。

圖2 不同負(fù)荷下PODE/柴油混合燃料的顆粒物數(shù)量對比Fig.2 Particles number of PODE/diesel blended fuels under different loadsN=2600 r/min(a) 100% Load; (b) 25% Load

3 結(jié) 論

(1)柴油機(jī)燃用PODE/柴油混合燃料時(shí)，滯燃期縮短，最大爆發(fā)壓力提高。100%負(fù)荷下，呈雙峰放熱規(guī)律，PODE/柴油混合燃料與柴油相比預(yù)混燃燒減少，且預(yù)混階段放熱率峰值降低，擴(kuò)散燃燒加快，擴(kuò)散階段燃燒放熱率峰值上升；25%負(fù)荷下呈單峰放熱規(guī)律，放熱率峰值升高，PODE的加入改善燃燒狀況。

(2)在柴油中摻混PODE后可顯著降低排放的HC和CO的體積分?jǐn)?shù)，降低排氣煙度，但NOx體積分?jǐn)?shù)稍有增加。在100%和25%負(fù)荷下，相比于柴油，P10、P20和P30排放的CO體積分?jǐn)?shù)、排氣煙度均有不同程度降低，而NOx體積分?jǐn)?shù)增加。

(3)在柴油中摻混PODE后，核模態(tài)顆粒物數(shù)量升高，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量降低。100%負(fù)荷時(shí)，顆粒物數(shù)量分布為單峰分布，峰值在25.5～39.2 nm之間，相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的峰值顆粒物數(shù)量增加；25%負(fù)荷時(shí)，顆粒物數(shù)量分布為雙峰分布，與柴油相比，PODE/柴油混合燃料第1個(gè)數(shù)量峰值增加，而第2個(gè)數(shù)量峰值降低。

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