PODE、DMC摻混柴油的燃燒及排放特性對比研究

摘要：為對比柴油機摻混不同的含氧燃料時，不同碳氧鍵燃料對燃燒及排放特性的差異性影響，以柴油（Diesel）、聚甲氧基二甲醚（PODE）/柴油、碳酸二甲酯（DMC）/柴油為對象，在高壓共軌柴油機上，考察其在不同預噴比例及廢氣再循環（EGR）率下的燃燒及排放特性規律。結果表明：碳氧單鍵含氧燃料降低碳煙能力比碳氧雙鍵含氧燃料更強，隨著EGR率增加，PODE/Diesel的放熱率峰值變化幅度更大，NOX排放大幅下降，EGR率為20%時，PODE/Diesel與DMC/Diesel的煙度分別下降78.10%、40.93%；隨著預噴比例增加，DMC/Diesel放熱率峰值變化幅度更大，NOX排放有所下降，預噴比例為20%時，PODE/Diesel與DMC/Diesel的煙度下降64.27%、43.40%；3種燃料中，碳氧單鍵混合燃料的核態顆粒物數量濃度峰值最高，但顆粒物幾何平均粒徑最低。

關鍵詞：含氧燃料；廢氣再循環；預噴策略；柴油機

中圖分類號：S219; TK421""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：2095?5553"（2025）"02?0153?08

Comparative study on the combustion and emission characteristics of

PODE and DMC blended diesel fuel

Zhou Bin1， Yin Chuan2， Jiang Zhuang3， Zeng Dongjian4， Han Weiqiang4， Pu Junzhou4

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xichang University， Xichang， 615000， China; 2. China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing， 401122， China; 3. College of Intelligent Manufacturing and Automotive， Neijiang Vocational and Technical College， Neijiang， 641000， China;

4. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery， Ministry of Education， Xihua University， Chengdu， 610039， China）

Abstract： In order to compare the differential effects of different carbon?oxygen bond fuels on combustion and emission characteristics when diesel engines are mixed with different oxygen?containing fuels， diesel， polymethoxy dimethyl ether （PODE）/Diesel， and dimethyl carbonate （DMC）/Diesel were employed to investigate the combustion and emission characteristics of high?pressure common rail diesel engines under various pre?injection ratios and exhaust gas recirculation （EGR） rates. The results demonstrated that carbon?oxygen single bond oxygen?containing fuel had a stronger ability to reduce carbon smoke than carbon?oxygen double bond oxygen?containing fuel. With an increase in the EGR rate， the peak change in the heat release rate of PODE/Diesel was greater， leading to a significant reduction in NOX emissions. At an EGR rate of 20%， the smoke levels of PODE/Diesel and DMC/Diesel decreased by 78.10% and 40.93%， respectively. Similarly， as the pre?spray ratio increased， the peak change in heat release rate of DMC/Diesel was greater， and NOX emissions decreased. At a pre?spray ratio of 20%， the smoke levels of PODE/Diesel and DMC/Diesel decreased by 64.27% and 43.40%， respectively. Among the three fuels， the peak concentration of nuclear particulate matter in the carbon?oxygen single bond hybrid fuel was the highest， but the geometric average particle size of the particulate matter was the lowest.

Keywords： oxygenated fuel; exhaust gas recirculation; pilot injection strategy; diesel engines

收稿日期：2023年10月14日""""""" 修回日期：2024年1月20日

? 基金項目：國家自然科學基金（52006282）

第一作者：周斌，男，1981年生，四川西昌人，碩士，講師；研究方向為代用燃料清潔燃燒。E?mail： 153104941@qq.com

通訊作者：蔣狀，男，1996年生，四川南充人，碩士，講師；研究方向為新能源高效清潔應用技術。E?mail： 1176126532@qq.com

0 引言

傳統壓燃式（CI）發動機以其良好的可靠性、卓越的動力性被廣泛運用于交通運輸、農業機械等各方面。但大量使用CI發動機導致大量化石燃料被消耗，NOX與顆粒物等主要排放污染物逐年增加，排放法規也因此不斷嚴苛[1]。為實現內燃機的高效、清潔燃燒的方式，國內外學者通過提升機械制造水平，優化燃油噴射策略[2]、采用廢氣再循環[3]與渦輪增壓[4]等燃燒控制技術以及各種先進的新型燃燒模式，如采用反應活性可控壓燃（RCCI）[5]、均質壓燃（HCCI）[6]、低溫燃燒（LTC）[7]等。研究發現，在柴油引燃低溫燃燒模式下，大比例的EGR可同時實現NOX與Soot的極低排放[7]。而隨著預噴比例的增加，低溫放熱始點提前，NOX排放降低，在較低預噴比例下，核態顆粒物排放較高，高預噴比例下，積聚態顆粒物排放較高[8]。此外，也有大量研究從燃料性質入手，優化燃料本身理化性質，打破NOX與Soot“trade?off”關系，如在柴油中摻混對環境無害的可再生燃料[9]，如醇[10]、醚[11]、酯[12]等，由于其在燃燒過程中的自供氧作用，可有效降低碳煙與顆粒物的排放。

目前，國內外對聚甲氧基二甲醚（PODE）與碳酸二甲酯（DMC）進行了大量的應用研究。PODE是一種理想的壓燃式發動機替代燃料，其分子結構無碳碳鍵，含碳氧單鍵，十六烷值比柴油高，能與柴油互溶，含氧量高，各項試驗表明PODE在降低碳煙排放方面具有極大潛力[13]。Liu等[11]研究發現，柴油機燃燒產生的顆粒物氧化性隨著PODE摻混比增加而增強，煙度排放隨著PODE摻混比例的提高而降低，可溶性有機物（SOF）含量增加，摻混PODE可降低燃燒后的顆粒物粒徑；Lin等[13]研究發現在一定條件下，柴油摻混PODE燃燒可同時降低NOX與Soot排放，PODE摻混比為10%時，可以抑制超細顆粒物的形成。DMC是一種與柴油可以很好互溶的短碳鏈酯類含氧燃料。DMC摻混柴油燃燒后可改善發動機的排放或燃油經濟性。張韡[14]在柴油中添加體積比為15%的DMC后，功率下降了5%，但燃油經濟性有所改變，顆粒物（PM）體積分數降低了50%。也有研究發現[13， 15， 16]，摻混不同體積分數的DMC，可有效降低Soot排放，但NOX排放會隨DMC摻混比增加而增加，某些特定工況下可改善NOX與Soot的trade?off關系。Chan等[17]在一臺四缸渦輪增壓汽油發動機上，研究了D8（汽油體積與DMC體積比為92∶8）燃料的經濟性、燃燒性及排放性。DMC燃料混合物的燃燒使總未燃碳氫化合物（THC）減少了約30%，PM排放量減少了60%。D8形成的顆粒形態和納米結構發生了改變，包括初級顆粒粒徑減少10%，顆粒氧化反應性更強（無定型碳含量越高，碳碳鍵越弱）。與汽油燃燒排放的顆粒物相比，D8燃燒產生的顆粒物的氧化提前了15°CA。

綜上所述，PODE與DMC是2種具有研究前景的含氧燃料。目前眾多學者研究了不同含氧燃料含氧量與燃燒模式下的燃燒及排放特性等。含氧燃料的理化性質與化學結構對顆粒物的減少量有重要影響[18]，相同氧質量分數下，不同碳氧鍵的含氧混合燃料的燃燒及排放特性對比研究還比較少。本文在低溫燃燒策略下對比PODE與DMC對NOX與碳煙的改善潛力，分別探究混合燃料的燃燒特性與顆粒物的變化規律。

1 試驗部分

1.1 試驗燃料

試驗使用的3種基礎燃料，分別為0#柴油、碳酸二甲酯、聚甲氧基二甲醚。試驗使用燃料分別記為Diesel、PODE/Diesel、DMC/Diesel，其中2種含氧燃料與Diesel混合后的含氧質量分數為6.26%，此時能保證發動機燃用2種混合燃料時運行平穩，混合燃料含氧量計算如式（1）[19]所示。

式中： ρD——Diesel的密度，kg/m3；

QD——Diesel的含氧量，%；

ρP——PODE的密度，kg/m3；

QP——PODE的含氧量，%；

x——柴油體積分數，%。

試驗燃料性質如表1所示。

1.2 試驗設備

試驗使用一款國五直列4缸水冷柴油機，其主要參數如表2所示。

發動機及測量儀器安裝位置如圖1所示。

通過測量流入進氣歧管中CO2濃度和排氣歧管中CO2濃度計算得到EGR率，計算如式（2）[20]所示。

式中： yint——進氣管中的CO2體積分數，%；

yexh——排氣管中的CO2體積分數，%。

測控平臺主要儀器設備如表3所示。

1.3 試驗設計

試驗水溫控制在85 ℃±1 ℃，發動機轉速為1"600"r/min，負荷為35%，為保證試驗燃料不分層，試驗過程中的混合燃料現場配置使用。

預噴策略會影響預噴燃燒結束后缸內溫度及缸壓，對主噴階段燃燒具有重要影響，對缸內燃燒產物也有不同影響。在保證發動機穩定運行且總噴油量不變的情況下，EGR率取20%，預噴試驗策略取不同的預噴比例（預噴燃油質量占總噴油質量的百分比）；無預噴策略，EGR策略試驗分別取EGR率為5%、10%、15%、20%。詳細試驗控制參數如表4所示。

2 結果與分析

2.1 缸壓及放熱率

圖2為3種燃料在不同EGR率下的缸內平均壓力（后續簡稱缸壓）及瞬時放熱率（后續簡稱放熱率）曲線?？梢园l現，隨著EGR率的增加，3種燃料的缸壓峰值降低，放熱率峰值有所升高，缸壓峰值與放熱率峰值相位均逐漸后移，放熱始點向后延遲，文獻[21， 22]試驗現象與此類似。這可能是因為隨著EGR率的增加，大量惰性氣體進入缸內，降低了缸內氧含量，同時由于廢氣中CO2與H2O等3原子氣體分子的比熱容較高，使壓縮沖程的溫度有一定降低，以上因素減緩了化學反應速率，使燃料的滯燃期延長，燃燒越滯后，缸壓峰值相位在做功沖程越滯后，做功沖程的缸內容積不斷增大，缸內壓力不斷降低。從圖2可知，3種燃料中，PODE/Diesel放熱受到EGR率影響更大，EGR率從5%增加到20%，PODE/Diesel與DMC/Diesel的放熱率峰值分別增加了3.29%、9.49%。

圖3為預噴比例對3種燃料的缸壓及放熱率影響。3種燃料的缸壓與放熱率曲線隨預噴比例的變化趨勢基本一致。預噴比例增加，預噴放熱率峰值增大，主噴放熱率峰值減小，主噴放熱率峰值與放熱始點對應相位前移，缸壓峰值增加。這是因為在適當預噴比例下，預噴階段噴入的燃料越多，預噴階段氧化放熱越多，缸內熱氛圍越有利主噴燃料蒸發霧化，主噴燃料滯燃期縮短，放熱始點對應相位更靠近上止點，故缸壓峰值呈增加趨勢。主噴階段噴入的燃料量降低，導致主噴階段放熱率峰值降低。相同預噴比例下，PODE/Diesel的預噴與主噴的放熱率峰值均低于DMC/Diesel，這是因為Diesel本身的十六烷值已經足夠高，適量的加入DMC后混合燃料的著火性能并未受到明顯影響，且由于DMC的易揮發性有助于促進燃料的混合，綜合影響下，DMC/Diesel的放熱率峰值與缸內壓力峰值高于PODE/Diesel。DMC/Diesel燃燒放熱受預噴影響比PODE/Diesel更敏感，預噴比例由5%增加到20%，PODE/Diesel與DMC/Diesel的主噴放熱率峰值分別降低了23.80%、30.30%，DMC/Diesel的預噴燃燒與缸壓變化受到預噴比例影響更顯著。

2.2"NOX排放

圖4為3種燃料在不同EGR率與預噴比例下的NOX排放。

從圖4可以看出：（1）添加含氧燃料后的混合燃料具有更高的NOX排放，在預噴比例為5%時，DMC的NOX排放比Diesel增加了15.52%。根據擴大的捷里多維奇機理[23]，NOX的形成主要與氧含量、溫度、高溫滯留時間有關，燃料中的氧在燃燒過程中也會起自供氧的作用，燃燒過程增加了O與OH自由基，促進了生成NO的鏈式反應，增加了熱力型NO生成量。（2）在圖4（a）中，隨著EGR率增加，NOX排放降低，EGR率越高，降低NOX排放越顯著，在EGR率從5%增加到20%，Diesel、PODE/Diesel、DMC/Diesel的NOX比排放分別降低了61.16%、58.47%、61.89%。這是因為廢氣進入缸內稀釋了氧氣濃度，減緩了氧化反應進程，混合氣中3原子氣體（CO2、H2O）分子比例增加會提升功質比熱容，增加氣體吸熱，在壓縮沖程中的溫度會有所降低，抑制了NOX生成。

2.3 煙度排放

圖5為3種燃料在不同EGR率與預噴比例下的煙度排放。（1）隨著EGR率與預噴比例增加，Diesel的煙度排放在逐漸增加。這是因為碳煙形成主要是形成于缸內局部高溫缺氧區。EGR率增加，降低了缸內氧濃度與溫度，局部貧氧區比例增加，同時廢氣的稀釋作用及溫度降低會導致碳煙氧化速率減緩；預噴比例增加，預噴階段氧化放熱增加，有助于改善主噴開始時的缸內熱氛圍，加速主噴燃料蒸發霧化，主噴階段的滯燃期縮短，導致局部富燃料區增多，煙度排放增加。（2）Diesel中添加含氧燃料后煙度排放顯著降低，PODE/Diesel與DMC/Diesel在含氧量相同時，PODE/Diesel降低碳煙的潛力比DMC/Diesel更好，在EGR率與預噴比例分別為20%和20%時，PODE/Diesel的煙度相比Diesel最大下降了78.10%和64.27%，DMC/Diesel的煙度相比Diesel下降了40.93%和43.40%。這是因為加入的含氧燃料均不含碳碳鍵，這有助于抑制燃燒過程的環化反應，減少碳煙前驅體（多環芳香烴，PAHs）的生成；另一點是由于DMC與PODE相比Diesel有更充足的氧參與微晶氧化，可以為燃燒起自供氧作用，可改善燃燒后期的局部缺氧環境；如研究發現DMC/Diesel比Diesel的顆粒物的碳原子雜化比（SP3/SP2）比值更大，碳煙顆粒的氧化反應性更強[24]。（3）PODE/Diesel降低碳煙能力比DMC/Diesel更強。PAHs和小的芳香烴是由碳氫自由基如丙炔、烯丙基以及小的不飽和烴如乙炔、乙烯、丙烯產生的，而添加含氧燃料在減少碳氫碎片的同時，會生成大量的活性自由基，這些基團會與不飽和烴進行反應以減少PAH生成。由于PODE沒有C—C與C=C鍵，在高溫裂解過程中很難生成C2以上的碳煙前驅體[25]。Westbrook等[26]研究結果表明，含氧化合物（含有酯基的含氧燃料）的燃燒產生大量甲氧基甲?；杂苫ˋlkoxy"formyl"radica），DMC作為含氧燃料時，將會產生（CO）—O—CH3，研究發現生成CH3+CO2產物所需能量約為4.7"kcal/mol，而生成CH3+CO所需能量大于22"kcal/mol，大約有78%的甲氧基甲酰基分解生成CO2，只有22%生成CO+CH3O。這意味著DMC中存在一部分氧原子不能再消除碳煙前驅體中的碳原子，DMC的碳氧雙鍵結構與氧原子的特定位置導致DMC中的氧直接形成一部分CO2，最初存在于含氧烴添加劑中的氧在消除隨后產生碳煙的物種庫中的C原子時效率較低[26]。Buchholz等[27]的研究也表明雙氧原子成鍵的分子在降低顆粒物（PM）排放方面不如單氧碳鍵結構有效。因此PODE在降低煙度排放方面比DMC具有更好的潛力。

2.4 顆粒物排放

圖6為3種燃料在不同EGR率下的顆粒物數量濃度（dN/d（logDp）隨粒徑的分布。其中顆粒物按粒徑大小分為核態顆粒（粒徑范圍為1～50 nm）、積聚態顆粒（粒徑范圍為50～1"000 nm）、粗糙態顆粒（粒徑在1"000 nm以上）[28]。在相同EGR率下，3種燃料的顆粒物數濃度呈雙峰對數分布。添加含氧燃料后，核態顆粒物數量濃度峰值對應的粒徑增大，核態顆粒物數量濃度峰值會上升，積聚態顆粒物數量濃度峰值下降。這是因為，含氧燃料的氧原子會形成含氧自由基，這會與小的不飽和碳氫碎片反應，降低PAHs的濃度，減少形成碳煙的碳核，碳核的聚合能力降低，從而使聚集態顆粒物數量降低，且在燃燒后期也能夠為氧化已形成的碳煙顆粒提供氧，將積聚態顆粒物氧化為核態顆粒物[29]。

相同EGR率下，PODE/Diesel的核態顆粒物數量濃度峰值比DMC/Diesel更高，積聚態顆粒物數量濃度峰值更低。這是因為環狀分子結構參與燃燒會產生更多的碳煙，而DMC含有C—C鍵，PODE只有C—O單鍵與C—H鍵，很難參與生成碳核的加成環化反應，抑制碳核的表面生長，從而使PODE的小粒徑顆粒物數量濃度更高，但大粒徑數量濃度更低。隨著EGR率的增加，Diesel的核態顆粒物數量濃度峰值在逐漸降低，積聚態顆粒物數量濃度峰值在逐漸上升，但添加含氧燃料后的雙峰變化與之相反，這是因為EGR率增大，缸內氧氣減少，燃燒后期大粒徑顆粒物氧化能力減弱，導致積聚態顆粒物數量濃度上升。

圖7為3種燃料在不同預噴比例下的顆粒物數量濃度隨粒徑分布。如圖7所示，3種燃料的顆粒物數量濃度分布特征為雙峰對數分布，且在加入含氧燃料后的雙峰更為明顯。在加入含氧燃料的積聚態顆粒物粒徑逐漸向小粒徑方向遷移，這是因為積聚態顆粒物是由氧化不完全的碳煙粒子表面吸附可揮發的烴類等揮發性物質組成，而含氧燃料可為顆粒物與烴類物質氧化供氧，促進大粒徑的顆粒物的氧化反應，使積聚態顆粒物表面吸附作用減弱，數量濃度峰值逐漸向小粒徑方向偏移，可見添加含氧燃料后可以促進大粒徑顆粒物的氧化，同時抑制大粒徑顆粒物的表面吸附。

對比2種含氧燃料可知，摻混PODE對氧化的大粒徑顆粒物更有效。在Diesel摻混PODE燃燒時，遠離含氧基團的C—H鍵會先斷裂形成更多有機碳，這比元素碳具有更強的氧化活性，顆粒物的無序度增加，石墨化程度降低，顆粒物更容易被氧化，這使Diesel/PODE產生的大粒徑顆粒物易于被氧化，使最終產生的積聚態顆粒數量濃度更低，由于Diesel/PODE積聚態顆粒物數量的減少，對揮發性和半揮發性組分的吸附能力減弱，以致這些揮發性組分在廢氣稀釋過程中的成核作用增強[30]，以上因素的綜合影響使Diesel/PODE的核態顆粒物數量濃峰值上升。

圖8為種燃料在不同EGR率與預噴比例下的顆粒物幾何平均粒徑（GMD）。GMD用來表征燃料燃燒排放的顆粒物大小，其計算如式（3）所示[31]。

式中： N——顆粒物總數量，個；

Dp——顆粒物直徑，nm。

從圖8（a）可知，Diesel的顆粒物GMD范圍為15～37.5 nm。隨著EGR率增加，其GMD也在逐漸增加。這與圖6反應趨勢相一致，大粒徑的顆粒物越多，則GMD越大。從圖8（a）與圖8（b）可以看出，添加含氧燃料后的顆粒物GMD均小于Diesel，PODE/Diesel的GMD均小于DMC/Diesel，這意味著添加含氧燃料有助于降低顆粒物粒徑，且PODE/Diesel的GMD比DMC/Diesel更小，這可能是PODE/Diesel的顆粒物表明活性更高[11]，更易被氧化。

3 結論

在Diesel中添加相同含氧量的DMC和PODE燃料，研究2種含氧混合燃料在不同低溫燃燒策略下的燃燒及排放特性。由于醇類含氧燃料較大的汽化潛熱對溫度的影響過大，故未考慮在相同含氧量下進行醇、醚、酯3類含氧燃料的對比。

1） EGR率增加，放熱始點推遲，滯燃期延長，缸壓峰值逐漸降低；預噴比例增加，缸壓峰值升高，預噴放熱率峰值增加，主噴放熱率峰值降低。各工況下，Diesel/PODE放熱始點均比Diesel/DMC滯后?；旌先剂虾趿肯嗤瑫r，DMC/Diesel的缸壓與放熱率受預噴比例影響更大，PODE/Diesel的缸壓及放熱率受EGR率影響更大。

2） 添加含氧燃料可大幅降低碳煙排放。由于PODE沒有C—C與C=C鍵，且DMC的碳氧雙鍵結構與氧原子的特定位置，導致DMC雙氧原子成鍵的分子在降低煙度方面不如PODE單氧碳鍵結構有效，EGR率為20%時，Diesel/PODE的煙度比Diesel低78.10%，而DMC/Diesel的煙度比Diesel僅低40.93%。但Diesel/PODE的NOX排放比Diesel/DMC略高；結合EGR可有效抑制NOX排放。

3） 低預噴比例下，積聚態顆粒物數量濃度峰值隨EGR率與預噴比例的增加而增加。而添加含氧燃料可以抑制積聚態顆粒物的產生，2種含氧燃料的GMD在10～30"nm之間，Diesel/PODE的GMD均低于Diesel/DMC的GMD。

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