瞬態工況下摻混PODE對混合動力柴油機排放特性的影響*

陳東東，王 鐵，李國興，喬天佑，侯振寧

（太原理工大學車輛工程系，太原030024）

前言

隨著環境污染和石油資源短缺問題的加劇，人們越來越注重汽車的環保與節能，《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中提到：到2035年，傳統能源動力乘用車將全部轉變為混合動力，而新能源汽車將成為主流［1］。混合動力汽車兼具純電動汽車和傳統燃油車的優點，發動機是其主要動力源之一，混合動力汽車需要發動機快速起動，其瞬態程度更高，勢必造成起動過程排放控制困難［2-3］。同時混合動力汽車模式切換時，需要發動機迅速達到指定轉速和負荷，其瞬態特性較強，故造成其瞬態工況下的高排放［4-5］。

混合動力汽車柴油機的主要排放物之一為Soot，含氧燃料可有效降低柴油機的Soot排放，較高的十六烷值可以有效地降低顆粒物中的可溶性有機物［6-7］。聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）具有較高的十六烷值和氧含量，成為柴油添加劑的首選，同時也是清潔代用燃料中的研究熱點。

國內外研究學者針對PODE和柴油摻混燃料對柴油性能的影響展開大量研究。王志等［8］研究發現在柴油中添加20%的PODE3-4，可使輕型柴油機大負荷下的碳煙降低90%，重型柴油機在歐洲穩態循環下顆粒物降低36.2%。馮浩杰等［9］研究發現，柴油中摻混PODE，在額定工況下，柴油機的CO、HC和排氣煙度均有所降低，NOx排放基本不變。王其平等［10］研究發現，PODE可以減少缸內的不均勻程度，降低排放物。陳東東等［11］研究發現，在最大轉矩工況點下，F-T柴油摻混PODE可以降低其CO和Soot排放。田晶等［12-14］人研究發現，相同柴油機工況下，隨PODE摻混比的提高，NOx排放先上升后下降，提高PODE摻混比有利于降低柴油機PM排放。Christophe等［15］研究發現PODE與柴油摻混，在不同負荷下可以同時降低NO和碳煙排放及燃燒噪聲。趙玉偉等［16］對摻混PODE的國六柴油機排放性能進行了研究，研究結果顯示，CO和碳煙排放量在高負荷工況下降低幅度較大。

綜上，柴油摻混PODE可改善柴油機的排放特性，但均基于普通柴油機在穩態工況下進行的研究，很少涉及到多元摻混燃料在混合動力發動機上的應用，針對其在混合動力發動機瞬態工況的研究更鮮有報道，為研究瞬態工況下摻混PODE對混合動力柴油機排放特性的影響，本文基于單軸并聯式柴油混合動力試驗平臺，分別燃用0#柴油、PODE體積比為10%和20%的0#柴油/PODE混合燃料這3種燃油，研究不同瞬態工況下發動機排放特性，為多元燃料在混合動力發動機上的應用提供試驗依據。

1 試驗燃料

試驗所用的基礎燃料包括0#柴油和PODE，其理化性質如表1所示。以0#柴油為基礎燃料，配置PODE體積比分別為10%和20%的柴油/PODE摻混燃料，分別記為D90P10和D80P20。

表1 燃料理化指標

2 試驗設備及方案

2.1 試驗設備

試驗所用發動機為云內D25TCIE1高壓共軌柴油機，原機ECU，未對發動機做任何改造。該機主要技術參數如表2所示。試驗過程基于單軸并聯式油電混合動力試驗臺架進行，油電混合動力臺架如圖1所示。

圖1 測試系統布置示意圖

表2 試驗樣機主要技術參數

試驗所用測試設備主要有：四川誠邦ET4000發動機測控系統，160 kW電力測功機，AVL SES-AM i60 FT多組份尾氣排放分析儀，AVL Micro Soot Sensor 483微碳煙排放測試系統，Kistler燃燒分析儀，Kistler 2614C角標儀，Kistler 6125B缸壓傳感器。

2.2 試驗方案

混合動力柴油機的瞬態工況主要為急加速和快速起動，本文所研究的急加速工況為負載恒轉速，驅動恒位置模式下，保持轉速1 900 r/min（最大轉矩轉速）不變，油門從25%增加到35%，過渡時間分別為0、2和5 s。快速起動工況為電機以800 r/min的轉速拖動發動機起動，起動后電機立即卸載轉矩，發動機怠速運行。在這兩個瞬態工況下，分別燃用0#柴油、D90P10和D80P20 3種燃料，測量其瞬態參數及瞬態排放數值。試驗的環境溫度為室溫25℃左右，發動機機油溫度為85℃左右。

為保證試驗的可靠性和結果的準確性，在試驗前所有測試儀器都進行標定和校準。高速拖動的設備為電力測功機，當達到設定的速度時斷開驅動轉為無負載模式，試驗過程中，發動機測試系統每0.5 s記錄一組數據；25組份尾氣排放分析儀（采樣頻率1 kHz）和微碳煙排放測試系統（采樣頻率5 kHz）在瞬態工況中持續測量，試驗結果除去無效值。

3 試驗結果分析

3.1 急加速和快速起動工況瞬態特性

圖2 為混合動力柴油機在轉速為1 900 r/min油門從25%升到35%不同過渡時間的瞬態特性對比。從圖2（a）可以看出，定轉速升油門的調節過程中，轉速會先升高后降低，過渡時間越短，急加速過程中的轉速峰值越高，其瞬態特性越強。過渡時間為0、2和5 s時，轉速超調量分別為163、115和64 r/min。從圖2（b）中可以看出，定轉速升油門的調節過程中，發動機的轉矩緩慢上升，沒有出現瞬態峰值，隨著過渡時間的增大，轉矩的變化速率減小。恒轉速變油門瞬態過程中，轉速和轉矩隨時間的變化趨勢一樣，主要是因為測控系統的調節方式為PID調節，當油門增加時，轉速和轉矩同時響應，轉速迅速升高，隨著轉矩的升高慢慢回落到指定轉速。

圖2 1 900 r/min，25%-35%油門開度瞬態特性

圖3 為混合動力柴油機800 r/min拖動快速起動過程轉速和轉矩隨時間的變化，由圖3可以看出，電機拖動發動機起動，拖動1 s后將發動機拖動到怠速800 r/min。由于起動初期，電機拖動轉矩大于發動機自身產生的轉矩，所以系統總轉矩為負，隨著4 s后電機卸載，系統輸出正轉矩，發動機轉矩從起動開始輸出正轉矩，隨著時間的變化先升高后降低，主要是發動機初期噴油過多，所以轉矩增大，隨著噴油量的減少，轉矩隨之減小。

圖3 800 r/min拖動起動過程瞬態特性

3.2 急加速瞬態排放特性分析

瞬態工況下，噴油量和進氣量都在時刻變化，排氣能量隨之變化，由于渦輪增壓器的存在，進氣壓力和渦輪增壓壓力也隨之改變，導致柴油機油氣混合狀態等燃燒條件的改變，最終影響發動機的排放性能。3.2.1 NOx排放

圖4 為混合動力柴油機燃用3種油品時，在1 900 r/min油門從25%升到35%不同過渡時間的NOx排放對比。從圖4中可以看出，無論過渡時間的長短，瞬態加速過程中的NOx排放均未出現峰值，平穩變化，但隨著過渡時間的減小，NOx排放會增加。從圖4（a）中可以看出，燃用0#柴油時，相比5 s過渡過程，0和2 s過渡過程中NOx累加排放量分別增大27%和16%。圖4（b）中可以看出，燃用D90P10時，相比5 s過渡過程，0和2 s過渡過程中NOx累加排放量分別增大19%和9%。從圖4（c）中可以看出，燃用D80P20時，相比5 s過渡過程，0和2 s過渡過程中NOx累加排放量分別增大30%和14%。

圖4 1 900 r/min，25%-35%油門開度瞬態加速NOx排放

相比燃用0#柴油，摻混PODE使得瞬態加速過程中的NOx排放有所增大，隨著PODE比例的增大，NOx排放先升高后降低。這主要是因為PODE具有高含氧的特點，同時PODE容易蒸發，可以改善其燃燒特性，增加了混合動力柴油機的高溫富氧區域，導致摻混PODE后，NOx排放有所升高。由于其熱值較低，放熱率降低，動力性下降，燃油消耗量有所增大，混合氣濃度隨之增大，對NOx排放的生成形成不利因素，同時PODE具有較高的十六烷值，滯燃期短，預混燃燒減少，也阻礙了NOx排放的生成，所以，隨著PODE比例的增大，NOx排放有所降低。

3.2.2 Soot排放

圖5 為混合動力柴油機燃用3種油品時，轉速為1 900 r/min油門從25%升到35%不同過渡時間的Soot排放對比。從圖5中可以看出，無論過渡時間的長短，瞬態加速過程中的Soot排放均出現峰值，隨著過渡時間的減小，Soot排放峰值增大。從圖5（a）中可以看出，燃用0#柴油時，相比穩態目標工況時的Soot排放值，0、2和5 s過渡過程中Soot排放峰值分別增大173%、104%和91%。從圖5（b）中可以看出，燃用D90P10時，相比穩態目標工況時的Soot排放值，0、2和5 s過渡過程中Soot排放峰值分別增大217%、158%和132%。從圖5（c）中可以看出，燃用D80P20時，相比穩態目標工況時的Soot排放值，0、2和5 s過渡過程中Soot排放峰值分別增大200%、137%和132%。

圖5 1 900 r/min，25%-35%油門開度瞬態加速Soot排放

相比燃用0#柴油，摻混PODE使瞬態加速過程中的Soot排放大幅降低，但其瞬態排放畸變明顯，隨著PODE比例的增大，Soot排放降低程度減小，同時瞬態排放畸變減弱。相比燃用0#柴油，燃用D90P10和D80P20時，在過渡時間為0時，加速過程中的Soot排放峰值分別降低37%和63%；在過渡時間為2 s時，加速過程中的Soot排放峰值分別降低31%和59%；在過渡時間為5 s時，加速過程中的Soot排放峰值分別降低34%和57%。

這是由于在壓燃式柴油機中，Soot的形成是因為油氣混合不均勻，在局部高溫缺氧的環境中碳原子無法被完全氧化，其主要是在柴油機的擴散燃燒期生成。PODE的高含氧特性，解決了其混合氣過濃區域的缺氧問題，抑制了Soot的生成，同時PODE的十六烷值較大，滯燃期短，易著火燃燒，導致碳原子氧化完全，生成少量的Soot。所以摻混PODE可以降低瞬態加速過程中的Soot排放。但是隨著PODE比例的增加，其含氧量的優勢會減弱，故其Soot排放的降低程度會減小。

3.3 快速起動瞬態排放特性分析

3.3.1 CO排放

圖6 為3種油品在800 r/min拖動起動工況下CO排放隨時間的變化曲線對比。從圖6中可以看出，起動過程中，CO的瞬態排放畸變明顯，隨著時間的變化，CO先升高后降低，存在峰值。摻混PODE可以使起動過程中CO排放峰值降低，相比燃用0#柴油，燃用D90P10和D80P20時，起動過程中CO排放峰值分別降低10%和26%。

圖6 800 r/min拖動起動過程CO排放對比

這是由于柴油機CO的生成主要是由不完全燃燒導致的，主要由缸內燃燒程度和氧濃度決定。由于PODE含有氧原子，摻混PODE可以增加混合氣的氧濃度，同時PODE的沸點較低，容易蒸發霧化，可以改善缸內燃燒狀況，抑制CO排放的生成。

3.3.2 NOx排放

圖7 為3種油品在800 r/min拖動起動工況下NOx排放隨時間的變化曲線對比。從圖7中可以看出，起動過程中，NOx的瞬態排放畸變明顯，隨著時間的變化，NOx先升高后降低，存在峰值。摻混PODE對起動過程中NOx排放影響不大。主要是因為，NOx排放的生成條件是高溫富氧，在起動工況下，溫度占主導因素，其溫度較低，抑制了富氧條件的優勢。

圖7 800 r/min拖動起動過程NOx排放對比

3.3.3 Soot排放

圖8 為3種油品在800 r/min拖動起動工況下Soot排放隨時間的變化曲線對比。從圖8中可以看出，起動過程中，Soot的瞬態排放畸變明顯，隨著時間的變化，Soot先升高后降低，存在峰值。摻混PODE可以使起動過程中Soot排放峰值降低，隨著PODE比例的增大，其Soot降低幅度減小。相比燃用0#柴油，燃用D90P10和D80P20時，起動過程中Soot排放峰值分別降低53%和60%。

圖8 800 r/min拖動起動過程Soot排放對比

這是由于快速起動工況的瞬態特性較強，其混合氣濃度較濃，摻混PODE后，混合燃料的氧含量提升，解決了一部分缺氧的問題，當滿足富氧條件時，溫度此時的作用凸顯，隨著PODE比例的增大，摻混燃料的熱值降低，放熱率降低，缸內溫度有所降低，故摻混PODE后，起動過程中的Soot排放降低。由于PODE十六烷值較大，滯燃期短，預混燃燒較少，容易著火，故摻混燃料在起動過程中Soot峰值出現的時間點較0#柴油有所提前。

4 結論

（1）在急加速（恒轉速，變油門）工況下，隨著工況變化過渡時間的減少，其混合動力柴油機的瞬態特性增強，NOx排放和Soot排放都有所增大。

（2）急加速工況下，相比燃用0#柴油，摻混PODE使得瞬態加速過程中的NOx排放有所增大，隨著PODE比例的增大，NOx排放先升高后降低。瞬態加速過程中的Soot排放大幅降低，其瞬態排放畸變明顯，隨著PODE比例的增大，Soot排放降低程度減小，同時瞬態排放畸變也有所減弱。

（3）快速起動工況下，相比燃用0#柴油，摻混PODE可以降低起動過程中的CO和Soot排放，隨著PODE比例的增大，其降低幅度減小，而對起動過程中NOx排放的影響不大。

綜上所述，摻混PODE可有效改善混合動力汽車柴油機的瞬態排放特性，具有很好的應用前景。