聚甲氧基二甲醚-柴油混合燃料對柴油機燃燒與排放的影響

馮浩杰， 孫　平， 劉軍恒， 劉少康， 王玉梅

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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聚甲氧基二甲醚-柴油混合燃料對柴油機燃燒與排放的影響

馮浩杰， 孫平， 劉軍恒， 劉少康， 王玉梅

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要：在柴油中摻混體積分數為5%、10%和15%的聚甲氧基二甲醚(PODE3-8)得到PODE3-8-柴油混合燃料，利用熱重分析儀在氧氣氣氛下對這些混合燃料樣品進行熱分析，考察其揮發(fā)和氧化特性，計算熱分析參數；在柴油機上考察它們的燃燒與排放性能，并與柴油對比。結果表明，隨摻混比的增加，3種PODE3-8-柴油混合燃料的起始質量損失溫度相對于柴油降低了3.4℃、5.6℃和7.0℃，起始燃燒溫度降低了6.4℃、11.8℃和17.2℃，熱穩(wěn)定性降低，同時綜合燃燒特性指數提高。在額定工況下，與燃用柴油相比，柴油機燃用PODE3-8-柴油混合燃料時，滯燃期縮短，缸內最高壓力略有提高；在預混燃燒階段放熱率峰值有所降低，在擴散燃燒階段放熱率峰值提高；比油耗相對于柴油分別增加0.8%、3.2%和8.5%，但有效熱效率提高2.8%、4.2%和3.1%；CO排放分別降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放分別降低了19.2%、26.8%和21.7%，排氣煙度分別降低了25.2%、30.8% 和32.1%，NOx排放基本不變。

關鍵詞：聚甲氧基二甲醚； 熱重分析； 燃燒； 排放

柴油機相對于汽油機具有熱效率高、油耗低、耐久可靠性好等優(yōu)點，因而廣泛應用于交通運輸、工程機械等領域。然而柴油機的顆粒物和NOx排放相對較高，難以滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求。目前，解決該問題的主要技術措施有，采用新型燃燒方式(如均質壓燃技術)，加裝尾氣后處理系統(tǒng)(如選擇性催化還原技術、柴油顆粒捕集器技術)以及使用含氧燃料[1-2]。

以甲醇、乙醇、二甲醚、碳酸二甲酯和生物柴油為代表的多種含氧燃料，由于燃料分子中的氧在燃燒過程中起到自供氧作用，從而改善柴油機燃燒和排放性能[3-5]。其中，醚類燃料因具有較高的含氧量，以及優(yōu)越的著火性能，且可以與柴油以任意比例互溶，因此適合作為柴油燃料。聚甲氧基二甲醚(PODEn)作為新型含氧燃料，化學簡式CH3O(CH2O)nCH3(n為聚合度)，是一類低相對分子質量的縮醛類聚合物。n分別為0、1和2時，對應于二甲醚(DME)、甲縮醛(DMM)和二聚甲醛。DME在常壓下為氣態(tài)，在柴油中添加DME不僅增加其蒸氣壓，降低其黏度，而且互溶性較差，其他兩種化合物也存在沸點和閃點較低問題，作為替代燃料使用時需要對發(fā)動機的供油和燃燒系統(tǒng)進行優(yōu)化。當n>8時，對應的低聚甲醛存在低溫下結晶現象，而n在3～8范圍的 PODEn適宜作為柴油添加劑。PODE3-8具有與柴油互溶穩(wěn)定、含氧量高(≥47%)、十六烷值高(≥78)等優(yōu)點，可有效改善柴油機的燃燒與排放性能，具有較好的應用前景[6-10]。2013年，山東辰信新能源有限公司和中國科學院蘭州化學物理研究所合作的萬噸級PODEn生產設備投產，為PODEn的推廣使用提供可能。筆者選用PODE3-8作為含氧燃料，配制不同摻混比例的混合燃油；通過熱重實驗，研究混合燃油的蒸發(fā)和氧化特性，并在柴油機上進行臺架實驗，探討其對柴油機燃燒過程以及經濟性和排放性的影響。

1　實驗部分

1.1實驗燃料

所用柴油為國Ⅳ柴油，PODE3-8由淄博臻安商貿提供。配制體積分數分別為5%、10%和15%的PODE3-8-柴油混合燃料，分別記為P5、P10和P15。各比例混合燃料互溶穩(wěn)定，在常溫下靜置30 d，沒有產生分層現象。各混合燃料的理化性質列于表1。

表1　5種燃料的理化性質

1.2實驗設備與實驗方法

1.2.1熱重實驗

采用METTLER公司TGA/DSC1型熱重分析儀對混合燃料進行熱重實驗。樣品量10 mg，O2流量50 mL/min；升溫區(qū)間40～400℃，升溫速率12℃/min。由實驗數據獲取TG-DTG曲線，計算其熱分析參數，分析燃料的蒸發(fā)和氧化特性。

1.2.2發(fā)動機實驗

實驗用發(fā)動機為 186FA單缸四沖程風冷柴油機，其他實驗設備包括杭州中成測試設備有限公司的CWF7.5測功機和MCS-960油耗儀、奧地利AVL公司的AVL 415S濾紙煙度計、日本Horiba公司的MEXA-7200D尾氣分析系統(tǒng)和奧地利Dewetron公司的M0391E燃燒分析儀。

以柴油機標定功率轉速3000 r/min下平均有效壓力(BMEP)分別為0.115 MPa、0.230 MPa、0.345 MPa和0.460 MPa作為實驗工況，對應的負荷率分別為25%、50%、75%和100%，分別燃用柴油、P5、P10和P15，記錄發(fā)動機轉速、扭矩、油耗和尾氣排放等數據。在100%負荷時，連續(xù)采集200個循環(huán)的發(fā)動機燃燒缸內壓力隨曲軸轉角的變化并計算平均值，得到瞬時放熱率等燃燒特性參數。

驗證實驗結果的不確定性不超過5%，每個實驗工況均重復運行3次，并根據Kline 和 McClintock[11]建立的方法計算標準差。計算結果表明，在置信度為95%時，燃燒缸內壓力、比油耗、濾紙煙度和氣體排放的標準差分別為3.1%、1.5%、1.7%和1.8%。

2　結果與討論

2.1熱重實驗結果與分析

圖1是4種燃油樣品在O2氛圍下的TG-DTG曲線，根據實驗結果計算得到熱分析參數列于表2。TG-DTG曲線中，質量損失占總質量的1%所對應的溫度稱為起始質量損失溫度(Ts)；TG曲線上最大質量損失率點的切線與TG曲線基線延長線的交點所對應的溫度稱為起始燃燒溫度(Te)，Ts和Te的大小反映了燃料的熱穩(wěn)定性[12]。同時，Te值的大小也反應了樣品著火的難易程度。從圖1可見，柴油的Ts和Te分別為59℃和112.4℃，而P5、P10和P15燃料的Ts降低了3.4℃、5.6℃和7.0℃，Te值降低了6.4℃、11.8℃和17.2℃。與柴油相比，混合燃料的Ts和Te溫度向低溫區(qū)偏移，熱穩(wěn)定性降低。這是由于PODE3-8的餾程溫度和沸點較柴油低，混合燃料的黏度下降，因此混合燃料的揮發(fā)性能優(yōu)于柴油。由于混合燃料的十六烷值提高，Te值相對減小，著火性能改善。

圖1　4種燃油在O2氛圍下的TG和DTG曲線Fig.1　TG and DTG curves in O2 atmosphere of the four test fuels (a) TG; (b) DTG 表2　4種燃油熱分析參數 Table 2　The thermogravimetric analysis parameters of the four test fuels

FuelTs/℃Th/℃Te/℃S×1013Diesel59.0236.0112.40.887P555.6234.6106.00.953P1053.4232.0100.61.080P1552.0229.095.21.210

Th—The final mass loss temperature；S—The composite combustion index

質量損失率峰值反應油品揮發(fā)和氧化速率的劇烈程度。由DTG曲線可知，燃油的峰值溫度隨摻混比例的增加逐漸向低溫區(qū)域偏移，同時質量損失率峰值也有所降低。40～142℃區(qū)間內，混合燃料的質量損失率均高于柴油，燃油的蒸發(fā)和氧化燃燒性能提高。由于混合燃料前期蒸發(fā)質量損失燃油量較大，導致峰值時剩余的燃油量較少，燃燒劇烈程度降低，DTG峰值均小于柴油。

綜合燃燒特性指數(S)是反映燃料著火和燃盡的綜合指標[13]，S值越大，燃料的燃燒特性越好。S值的計算見式(1)。

(1)

根據表2結果，混合燃料的S隨PODE3-8摻混比例的增加而增大，燃料的燃燒特性得到改善。TG曲線和DTG曲線向低溫區(qū)偏移，也說明混合燃料更易揮發(fā)和氧化燃燒。

2.2發(fā)動機實驗結果與分析

2.2.1燃燒過程分析

圖2為柴油機在轉速為3000r/min全負荷下分別燃用4種燃料的缸內壓力和放熱率隨發(fā)動機曲軸轉角的變化。從缸內壓力曲線看到，與柴油相比，柴油機燃用混合燃油時，滯燃期縮短，燃燒始點提前，同時最高爆發(fā)壓力增大。在放熱率曲線中，柴油機燃用P5混合燃料，預混燃燒放熱率峰值略有上升，隨摻混比例的進一步增大，預混燃燒放熱率峰值明顯降低；在擴散燃燒階段，柴油機燃用混合燃料時，燃燒放熱率峰值均高于柴油，燃燒狀況明顯改善。

圖2　柴油機燃用4種燃油的缸內壓力和放熱率隨發(fā)動機曲軸轉角的變化Fig.2　Incylinder pressure and heat release rate of the four test fuels vs crank angle of diesel engine (a) Incylinder pressure; (b) Heat release rate Speed of 3000 r/min; BEMP=0.46 MPa

缸內壓力對比曲線表明，隨PODE3-8摻混比例的增大，滯燃期縮短。由于十六烷值是影響滯燃期的關鍵因素，混合燃料十六烷值隨PODE3-8摻混比例增加而增大(見表1)，滯燃期縮短。燃燒始點的提前，使預混燃燒過程更接近于上止點，最高燃燒壓力略有上升[14-16]。

燃燒放熱率曲線表明，燃油燃燒分為預混燃燒和擴散燃燒兩個階段。在預混燃燒階段，當柴油機燃用P5燃油時，雖然滯燃期略有縮短，但混合燃料的蒸發(fā)以及自含氧特性對燃燒速率的提高，使燃燒放熱率峰值與柴油相近；隨PODE3-8摻混比例的增大，滯燃期進一步縮短，滯燃期內形成的可燃混合氣量減少，同時可燃混合氣的熱值降低，P10和P15燃油在預混燃燒階段的放熱率峰值顯著降低。在擴散燃燒階段，由于擴散燃燒燃油量的增加，且在柴油中摻混PODE3-8有利于改善混合氣的均勻性，提高擴散燃燒速率，改善擴散燃燒狀況，因此燃燒放熱率峰值均高于柴油。由于P15燃油的熱值較低，燃燒放熱率低于P10燃油，改善幅度降低[17]。

2.2.2經濟性分析

圖3為柴油機穩(wěn)定轉速為3000 r/min分別燃用4種燃料的比油耗和有效熱效率隨平均有效壓力(BMEP)的變化。從圖3可以看到，柴油機燃用混合燃油時比油耗增大，有效熱效率有不同程度的提高。由于混合燃料的熱值降低，因此相同工況下的比油耗增加。全負荷時，柴油機燃用P5、P10和P15混合燃料時的比油耗分別增加0.8%、3.2%和8.5%。

圖3　柴油機燃用4種燃油的比油耗(BSFC)和 有效熱效率隨平均有效壓力(BMEP)的變化Fig.3　BSFC and effective thermal efficiency of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

將PODE3-8按體積分數5%和10%摻混到柴油中，可提高柴油機有效熱效率。燃料內氧在燃燒過程中起到自供氧的作用，因而可以改善過濃混合氣區(qū)域缺氧的狀況，使燃燒更加充分[18]。PODE3-8的沸點和黏度也低于柴油，更有利于蒸發(fā)霧化，降低油氣混合的不均勻性。全負荷工況下，柴油機燃用P5和P10混合燃料時的有效熱效率分別提高2.8%和4.2%。但對于P15燃油，由于燃油的低熱值較低，單位體積燃料燃燒放出的熱量較少，使缸內溫度下降，燃燒效率降低；且P15燃油的蒸發(fā)量較大，可能會造成油束外圍形成過稀的混合氣，從而影響有效熱效率。

2.2.3排放特性分析

圖4為柴油機穩(wěn)定在轉速3000 r/min下分別燃用4種燃料的NOx和排氣煙度隨平均有效壓力(BMEP)的變化?？傮w而言，燃用混合燃油的NOx排放與燃用柴油的相差不大，但可有效降低排氣煙度。

圖4　柴油機燃用4種燃油的NOx排放和 排氣煙度隨平均有效壓力(BMEP)的變化Fig.4　NOx and smoke emissions of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

根據Zeldovich機理，NOx排放取決于最高燃燒溫度、高溫下的滯留時間以及燃燒過程中的氧濃度[19-20]。當燃用P5燃油時，其放熱率峰值相對于柴油略有增加，最高燃燒溫度提高。同時，PODE3-8的自含氧特性增加了燃燒過程中的氧濃度，因此NOx排放增加。在全負荷時，NOx排放增加3.4%。當摻混比例繼續(xù)增加，由于P10和P15燃油熱值的降低，相同功率下供油量增加，燃燒持續(xù)期增大，且燃燒放熱率峰值低于柴油(見圖2)，因此最高燃燒溫度降低，抑制了熱力型NOx的生成。如圖4所示，當燃用P10燃料時，全負荷下的NOx排放與柴油相當；該工況下，燃用P15混合燃油的NOx排放相對于柴油降低2.4%。

在柴油中摻混PODE3-8可有效降低柴油機的排氣煙度。額定工況下，與燃用柴油相比，燃用P5、P10和P15燃料時的排氣煙度顯著降低，分別降低25.2%、30.8% 和32.1%。在柴油機中，由于油氣混合的不均勻性，因而在局部高溫缺氧的條件下生成碳煙，其中擴散燃燒過程是碳煙生成的主要時期。PODE3-8可以改善過濃混合氣區(qū)域缺氧的狀況。同時，混合燃料沸點和黏度降低，有利于燃油的蒸發(fā)和霧化。因此，在柴油中摻混PODE3-8有利于促進混合氣的形成以及改善燃燒狀況，降低柴油機碳煙排放。

根據化學反應動力學計算表明，燃料中較大的碳氫基經β裂變反應生成小分子不飽和碳氫化合物，這些小分子不飽和碳氫化合物在高溫條件下極易反應生成碳煙。PODE3-8中的碳原子以C—O鍵的狀態(tài)存在，難以參加任何生成小分子不飽和碳氫組分的反應，因此減少了碳煙先驅物的生成數量；且PODE3-8在燃燒初期生成大量具有氧化作用的OH基團，它可以直接與乙烯發(fā)生氧化反應(見式(2))，減少乙炔的生成，從而抑制多環(huán)芳香烴的形成[21]。

(2)

圖5為柴油機穩(wěn)定在轉速3000 r/min分別燃用4種燃料的HC和CO排放隨平均有效壓力(BMEP)的變化。從圖5可見，與柴油相比，燃用混合燃料的HC排放和CO排放均有不同程度的降低；在額定工況下，燃用P5、P10和P15的CO排放分別降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放降低了19.2%、21.7%和26.8%。

圖5　柴油機燃用4種燃油的HC和CO排放 隨平均有效壓力(BMEP)的變化Fig.5　HC and CO emissions of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

CO是燃油不完全燃燒所致，其生成量受缸內燃燒溫度和混合氣中氧濃度大小的影響[22]。如上所述，PODE3-8內氧可有效改善其混合燃料的燃燒狀況，同時蒸發(fā)性能的提高有利于提高油氣混合的均勻性，降低由于不完全燃燒生成的CO排放。混合燃料燃燒速率加快，滯燃期縮短減弱了由于過度蒸發(fā)導致的油束外圍形成過稀混合氣，從而改善柴油機HC排放[23]。此外，由于PODE3-8的熱值較柴油降低，過大的摻混比可能會導致柴油機燃燒過程放熱峰值減小，燃氣溫度下降。因此燃燒室淬熄層變厚，由于淬熄層內燃油蒸氣不發(fā)生燃燒，使HC 排放有增多的趨勢[24]。

3　結　論

(1)在柴油中摻混PODE3-8時，混合燃油樣品的起始質量損失溫度和起始燃燒溫度降低，燃油的熱穩(wěn)定性降低，綜合燃燒特性指數提高。

(2)柴油機燃用PODE3-8-柴油混合燃料時，滯燃期縮短，燃燒更接近于上止點，缸內最高壓力提高。柴油機燃用小比例PODE3-8的混合燃料時，預混燃燒放熱率峰值與柴油相近；燃用較大比例PODE3-8的混合燃料時，預混燃燒放熱率峰值顯著降低。在擴散燃燒階段，混合燃料的放熱率峰值均高于柴油，擴散燃燒狀況改善。

(3)在額定工況下，相對于柴油，柴油機燃用P5、P10和P15混合燃料時的比油耗分別增加0.8%、3.2%和8.5%，然而有效熱效率提高2.8%、4.2%和3.1%。

(4)在柴油中摻混PODE3-8可顯著降低HC、CO和排氣煙度；在額定工況下，燃用P5、P10和P15的CO排放降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放降低了19.2%、26.8%和21.7%，排氣煙度分別降低25.2%、30.8% 和32.1%。柴油機燃用混合燃料的NOx排放與柴油相近。

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收稿日期：2015-06-17

基金項目：江蘇省高校自然科學研究項目(14KJA470001)基金資助

文章編號：1001-8719(2016)04-0816-07

中圖分類號：TK421+.5

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.04.023

Effect of PODE3-8-Diesel Blended Fuel on Combustion and Emissions of Diesel Engine

FENG Haojie, SUN Ping, LIU Junheng, LIU Shaokang, WANG Yumei

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract：PODE3-8-diesel blended fuels with 5%, 10% and 15% volume fraction of PODE3-8, respectively, were prepared, and their volatility, oxidation characteristic and thermal parameters were studied and calculated by using thermogravimetric analyzer under O2 atmosphere. The combustion and emission characteristics of the diesel engine fueled with these blended fuels were investigated and compared to diesel fuel. Results showed that compared with diesel fuel, initial mass loss temperatures of the blended fuels with the increase of PODE3-8ratio were decreased by 3.4℃, 5.6℃ and 7℃, and initial combustion temperatures were decreased by 6.4℃, 11.8℃ and 17.2℃, respectively. The thermal stability decreased and the composite combustion index increased. At the rated conditions, compared to combustion of diesel fuel, the ignition delay period shortened, the peak heat release rate in premixed combustion section decreased, the highest cylinder pressure and the peak heat release rate in diffusion combustion section increased as combustion of the blended fuels. As compared with diesel fuel, brake specific fuel consumptions of the three blended fuels were increased by 0.8%, 3.2% and 8.5%, but the effective thermal efficiency were increased 2.8%, 4.2% and 3.1%, respectively. CO emissions were decreased by 11.8%, 14.0% and 18.8%, HC emissions were decreased by 19.2%, 26.8% and 21.7%, and smoke emissions were decreased by 25.2%, 30.8% and 32.1% in turn by PODE3-8volume fraction when fueled with the three blended fuels, while NOx emissions changed little.

Key words：PODE3-8； thermogravimetric analysis； combustion； emission

通訊聯系人： 馮浩杰，男，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機替代燃料與排放控制；E-mail:1248788014@qq.com