PODE/柴油混合燃料對共軌柴油機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 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 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]。當前，醇類、醚類和生物柴油等是含氧燃料研究的熱點[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時才適宜作為含氧燃料添加在柴油中，常溫下與柴油穩定互溶。PODE的含氧量高，其十六烷值比柴油高，可有效地改善柴油機的燃燒與排放性能，具有較好的應用前景[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院蘭州化學物理所離子液體催化合成工藝，以甲醇為原料，經三聚甲醛合成 PODE[7]。2014年清華大學與山東玉皇化工有限公司合作研發的PODE工業化裝置通過了科技成果鑒定，該裝置設計年產量在萬噸級別。這些PODE的生產項目奠定了PODE大規模生產的堅實基礎，也大幅降低了PODE的生產成本，PODE的生產成本低于柴油，為其大規模應用提供了可能。

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，基于臺架實驗，研究PODE/柴油混合燃料對柴油機缸內壓力、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。同時分析了PODE/柴油混合燃料對柴油機顆粒物數量分布隨粒徑變化的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗燃料

柴油為市售國Ⅳ0#柴油。聚甲氧基二甲醚(PODE)，化學簡式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，表1為PODE組成。使用0#柴油和PODE，根據PODE在混合燃料中所占體積分數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定，無渾濁分層現象出現。表2為4種實驗燃料的特性。

表1 PODE的組成Table 1 Composition of PODE

表2 4種實驗燃料的特性Table 2 Physical and chemical properties of four tested fuels

1.2 實驗設備與實驗方法

1.2.1 實驗柴油機

實驗中所用高壓共軌柴油機為濰柴動力揚州柴油機有限責任公司生產的YZ4DA1-40型四沖程、直列水冷、渦輪增壓中冷、高壓共軌柴油機。柴油機排量為4.09L，壓縮比17.5，標定轉速為2600 r/min，標定功率95 kW。

1.2.2 實驗設備

實驗中臺架系統主要包括：湘儀CAC250型電力測功機和FC2005測功機控制軟件，湘儀水溫控制器(FC24222X2)，AVL 735S型瞬態油耗儀和753C型燃油溫控儀，燃油溫度設定值為38℃，控制精度為±1℃。在柴油機燃燒特性實驗中，使用Dewetro公司的M0391E型燃燒分析儀結合Kistler公司的 6052C型缸壓傳感器測量缸壓數據，連續采集200個循環的缸壓數據計算缸內壓力平均值，并依據缸內平均壓力計算出瞬時放熱率。在柴油機排放特性實驗中，使用AVL 415S型濾紙煙度計測量濾紙煙度值，用于表征柴油機的排氣煙度。采用HoribaMEXA-7200D型尾氣分析系統測量氣體排放。實驗中柴油機顆粒粒徑分布特征由美國TSI公司的EEPS 3090測得，該設備粒徑范圍為5.6～560 nm，采用兩級稀釋系統，一級稀釋系統為旋轉盤式熱稀釋器，二級稀釋系數為熱空氣調節器系統，采樣頻率為10 Hz，可直接測量柴油機排氣顆粒的粒徑和數量。

1.2.3 實驗方法

實驗中，選取了柴油機額定轉速(N)2600 r/min下100%和25%負荷作為實驗工況，由于PODE熱值低，摻混PODE后PODE/柴油混合燃料熱值降低，會導致柴油機扭矩下降，因此實驗中選取了燃用P30混合燃料時，柴油機在2600 r/min時能達到的扭矩值作為該轉速下最大扭矩，分別燃用柴油、P10、P20和P30，記錄柴油機燃燒特性數據和排放特性數據。每個工況點重復測量3次，消除實驗中的不確定性。

2 結果與討論

2.1 燃燒過程分析

圖1所示為柴油機穩定在轉速2600 r/min時，不同負荷下燃用不同摻混比PODE/柴油混合燃料的缸內壓力和放熱率隨曲軸轉角變化的曲線。與柴油的缸內壓力曲線相比，燃用PODE/柴油混合燃料時，燃燒始點提前，滯燃期縮短，缸內最大爆發壓力增大。由圖1(c)可見，100%負荷時放熱率曲線呈雙峰分布，第1個峰處于預混燃燒階段，第2個峰處于擴散燃燒階段。與柴油相比，PODE/柴油混合燃料預混燃燒階段的放熱率峰值下降，預混燃燒減少，且隨著PODE摻混比增大，放熱率峰值進一步降低；PODE/柴油混合燃料擴散燃燒階段的放熱率峰值增大，擴散燃燒速率加快。從圖1(d)可以看出，25%負荷時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，放熱率曲線向左側移動，且放熱率峰值隨著PODE摻混比增大而增大。

對比缸內壓力曲線可以看出，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/柴油混合燃料時滯燃期縮短，燃燒始點提前。100%負荷時，相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的滯燃期縮短，上止點前著火，預混燃燒偏離上止點，但是擴散燃燒加劇，因此缸內壓力升高。25%負荷時噴油較少，缸內燃燒溫度低，上止點后著火，著火延遲期長。相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的燃燒始點向上止點靠近，缸內壓力上升[8-9]。

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

25%負荷時，負荷低，噴油量少，缸內燃燒溫度低，著火延遲期長，滯燃期內噴油基本結束，因此放熱率分布呈現單峰分布。與柴油相比，PODE/柴油混合燃料的滯燃期縮短，燃燒始點提前，燃燒始點向上止點靠近，燃燒加劇；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是柴油機穩定在轉速2600 r/min下，100%和25%負荷時，燃用不同摻混比PODE/柴油混合燃料排放的碳氧化物(NOx)體積分數和排氣煙度。由表3可知，柴油機燃用PODE/柴油混合燃料時，NOx體積分數上升，排氣煙度下降。

表3 不同負荷下PODE/柴油混合燃料排放的NOx體積分數和排氣煙度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

根據澤爾多維奇NOx生成機理，最高燃燒溫度、高溫下的滯留時間以及燃燒過程中的氧濃度決定了柴油機的NOx排放量[10]。在100%負荷燃用PODE/柴油混合燃料時，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，達到相同功率時的供油量增加，燃料蒸發吸收的熱量增大，缸內溫度下降，將導致NOx體積分數下降，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體積分數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%負荷時，放熱率峰值均高于柴油，且由于小負荷時供油量較全負荷少，燃料吸熱量減少，缸內溫度降低幅度減少，因此PODE/柴油混合燃料排放的NOx體積分數相比較于柴油分別增加了7.7%、10.4%和16.2%。與全負荷相比，NOx體積分數增加幅度變大。

在柴油中摻混PODE可有效降低柴油機的排氣煙度，且降低效果顯著。柴油機在100%負荷時燃用P10、P20和P30燃料，排氣煙度分別降低29.6%、44.8% 和75.8%；25%負荷時排氣煙度分別降低28.0%、44.0%和76.0%。柴油機的碳煙生成機理是混合氣中局部高溫缺氧，擴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降低，燃料的蒸發霧化特性變好，且燃料中氧含量增加，改善了濃混合氣區域缺氧的狀況。因此，在柴油中摻混PODE降低了柴油機碳煙排放。PODE沒有芳香烴，燃料中的碳原子以C—O鍵的鍵合狀態存在，不含C—C鍵，抑制了前驅體的生成，減少了碳原子參加生成小分子不飽和碳氫組分的反應，因此降低了碳煙排放[11]。

柴油機的未燃碳氫(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物和部分氧化物。柴油機的一氧化碳(CO)排放來源于燃料在燃燒過程中生成的中間產物。表4是柴油機穩定在轉速2600 r/min下，100%負荷和25%負荷時燃用PODE/柴油混合燃料排放的HC和CO體積分數。與柴油相比，PODE/柴油混合燃料排放的HC體積分數和CO體積分數均有降低。100%負荷下，P10、P20和P30排放的CO體積分數分別降低了13.1%、16.6%和21.3%，HC體積分數降低了17.7%、24.1%和26.2%。25%負荷下，P10、P20和P30排放的CO體積分數分別降低了12.4%、16.3%和20.8%，HC體積分數降低了14.5%、21.6%和24.1%。

表4 不同負荷下PODE/柴油混合燃料排放的HC和CO體積分數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、供氧情況以及反應時間的影響[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體積分數。對于100%負荷和25%負荷而言，PODE的加入有效地降低了CO體積分數，隨著加入PODE的比例增大，CO降低幅度變小。由表4可知，100%負荷和25%負荷下，PODE/柴油混合燃料排放的HC體積分數較柴油降低。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，從而柴油機排氣中的HC體積分數降低。對于100%負荷和25%負荷而言，P30混合燃料與P20混合燃料相比，降低HC體積分數的效果相差不多，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體積分數降低幅度與P20相差無幾。

2.3 顆粒物數量分析

圖2是柴油機穩定在轉速2600 r/min下，100%負荷和25%負荷時，PODE/柴油混合燃料的柴油機排氣顆粒物數量隨粒徑變化的分布。柴油機顆粒按照粒徑大小，可以劃分為核模態顆粒和積聚態顆粒，其粒徑范圍分別為5～50 nm和50～500 nm[13-16]。

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

燃料中加入PODE，可以降低積聚態顆粒物排放，但核模態顆粒物排放增加。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，同時也利于生成的顆粒物進一步氧化，使得顆粒粒徑變小[17]，因此顆粒物數量分布向小粒徑范圍移動，數量峰值增加。而對于25%負荷，缸內燃燒溫度較低，在預混燃燒時生成的未燃碳氫不能及時氧化，因此會在10～20 nm粒徑范圍內形成一個數量峰。PODE加入后，由于PODE易揮發的特性，增加了預混燃燒期間未燃碳氫的比例，造成了小粒徑數量峰值上升，且峰值數量隨著PODE摻混比增大而增加。

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

3 結 論

(1)柴油機燃用PODE/柴油混合燃料時，滯燃期縮短，最大爆發壓力提高。100%負荷下，呈雙峰放熱規律，PODE/柴油混合燃料與柴油相比預混燃燒減少，且預混階段放熱率峰值降低，擴散燃燒加快，擴散階段燃燒放熱率峰值上升；25%負荷下呈單峰放熱規律，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的體積分數，降低排氣煙度，但NOx體積分數稍有增加。在100%和25%負荷下，相比于柴油，P10、P20和P30排放的CO體積分數、排氣煙度均有不同程度降低，而NOx體積分數增加。

(3)在柴油中摻混PODE后，核模態顆粒物數量升高，積聚態顆粒物數量降低。100%負荷時，顆粒物數量分布為單峰分布，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量增加；25%負荷時，顆粒物數量分布為雙峰分布，與柴油相比，PODE/柴油混合燃料第1個數量峰值增加，而第2個數量峰值降低。

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