摻混聚甲氧基二甲醚對柴油機排放的影響

田 晶,蔡憶昔,濮曉宇,顧林波,施蘊曦 (.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 2203；2.徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院,江蘇 徐州 2208)

與汽油機相比,柴油機具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性,較高的熱效率,且CO和HC排放少,因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域.柴油機的NOx和顆粒物(PM)排放較高,目前柴油機排放的控制主要靠機內(nèi)改善燃燒、機外排氣后處理,以及使用含氧燃料[1-3].含氧燃料含氧量較高,主要有醇類、酯類和醚類燃料,與普通柴油相比,燃用含氧燃料/柴油混合燃料,燃燒更充分,能有效降低CO、HC和PM排放[3-7].常用的含氧燃料有甲醇、乙醇、生物柴油、碳酸二甲酯(DMC)、二甲醚(DME)、甲縮醛(DMM)和聚甲氧基二甲醚(PODE)等[8-9].甲醇和乙醇與柴油互溶性差,混合后易分層,需添加助溶劑;且醇類燃料十六烷值較低,大比例添加會導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、冷啟動困難[10-11].生物柴油黏度高,安定性差,生物柴油中的酸性物質(zhì)、水分等雜質(zhì)會導(dǎo)致柴油機的腐蝕磨損[12-13].DMC閃點、熱值和十六烷值都比較低,不易自燃,著火性能差[9].DME常溫下為氣體,冷啟動性能差[9,14]. DMM十六烷值和熱值較低,與柴油互溶性差,且沸點較低,易蒸發(fā),容易形成氣阻,導(dǎo)致柴油機工作不穩(wěn)定[15].代表性含氧燃料在實際柴油機應(yīng)用中,需要另外添加其他添加劑,或者需要對柴油機的燃油系統(tǒng)進(jìn)行改造.PODE是一類低分子量縮醛類聚合物,分子式CH3O(CH2O)nCH3(n為聚合度,一般n=3～8),與柴油互溶性好、含氧量高、十六烷值較高、成本低廉,無需對柴油機供油系統(tǒng)進(jìn)行改動,且分子中沒有C-C鍵,可有效降低碳煙排放,是一種較為理想的柴油添加劑[6,8-9].

目前國內(nèi)外學(xué)者對 PODE在柴油機中的應(yīng)用已有初步研究.Leonardo等[16-17]在一臺歐四柴油機上,分別燃用摻混10%、12.5%、50%PODE/柴油混合燃料和純 PODE,試驗結(jié)果表明,摻混10%～12.5%PODE的混合燃料,可降低約 40%的PM; PODE摻混比增加到50%以上時,可同時降低NOx和PM排放.Liu等[18-21]分別在輕型柴油機和重型柴油機上研究了 PODE摻混比在 10%～30%時的燃燒和排放特性.結(jié)果表明,隨著 PODE摻混比例提高,燃燒始點提前,滯燃期縮短,有效熱效率提高,缸內(nèi)燃燒得到改善,CO、HC和 PM排放降低.馮浩杰等[22]研究表明,隨著混合燃料中PODE摻混比的提高,燃料的蒸發(fā)和氧化性能提高,且PODE摻混比例超過10%時,在大負(fù)荷工況可降低NOx的排放.謝萌等[23]在一臺高壓油泵柱塞直徑加大的發(fā)動機上研究了 PODE摻混比在30%、50%和純PODE時的燃燒和排放特性.結(jié)果表明,在柴油中摻混PODE可有效降低HC、CO和PM的排放,且PODE摻混小于30%時,可不改變柴油機的供油系統(tǒng).

上述研究局限于 PODE/柴油混合燃料對柴油機燃燒特性和排放特性的影響.關(guān)于 PODE/柴油混合燃料對柴油機PM粒徑分布、各模態(tài)顆粒排放以及對DPF捕集PM效率影響的研究不夠充分.本文將PODE按照體積百分比0%、10%、20%和30%與柴油進(jìn)行混合(分別記為P0、P10、P20和P30),在不同負(fù)荷工況下,測量NOx的排放和 DPF前后的顆粒粒徑分布.通過試驗分析,探究摻混PODE對輕型柴油機NOx和PM排放,以及DPF捕集效率的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗燃料

試驗所用柴油為市售商用國 V0#柴油,試驗用PODE為聚合度2～8的聚合物的混合燃料,各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù) PODE2： PODE3： PODE4： PEDE5：PODE6-8= 0.2%： 60%： 27%： 9.5%： 3.3%.柴油和PODE各組分的理化特性如表 1所示[20,24-25],含氧量根據(jù)公式(1)計算得出[6].

表1 柴油和PODE的理化特性Table 1 Physical and chemical properties of diesel and PODE

式中：CH為混合燃料的含氧量,%;ρi為每種燃料成分的密度,g/cm3;xi為每種燃料成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Ci為每種成分的含氧量,%.

PODE的十六烷值比柴油高,可縮短柴油機滯燃期,著火性能更好[26].PODE的揮發(fā)性和著火性較高,能夠提高油氣混合速率和化學(xué)反應(yīng)速率,因此,摻混 PODE,燃燒持續(xù)期縮短[18-19,21-22].PODE含氧量高,可改善燃燒過程中局部缺氧問題,使燃燒更充分.PODE低熱值較低,在柴油中摻混 PODE會導(dǎo)致柴油機動力性下降、循環(huán)供油量增加.PODE的密度較高,摻混PODE后會增加供油質(zhì)量,導(dǎo)致燃油消耗率增加[20].PODE的運動粘度較低,宜少量添加.PODE的沸點和閉口閃點范圍與柴油相當(dāng).

1.2 試驗裝置和方法

試驗樣機為 JGT186FA立式單缸四沖程風(fēng)冷國2柴油機,其他技術(shù)參數(shù)見表2.試驗用DPF為堇青石壁流式 DPF,結(jié)構(gòu)尺寸為 Φ144mm×152mm,孔目數(shù)為 200CPSI.其它試驗設(shè)備包括發(fā)動機自動測控系統(tǒng)、德圖Testo 350XL煙氣分析儀、發(fā)動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀(TSI EEPS 3090).試驗裝置分布如圖1所示.

表2 柴油機主要性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Main performance and structure parameters of diesel engine

試驗工況設(shè)定為柴油機最大扭矩點轉(zhuǎn)速2400r/min,負(fù)荷分別為10%、25%、50%、75%、100%.分別燃用 P0、P10、P20、P30混合燃料,記錄發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗以及 NOx排放數(shù)值.測量 DPF前后的顆粒粒徑分布,測量粒徑范圍 5.6～560.0nm,每 0.1s可以測出一個完整的顆粒粒徑分布圖譜,包含16個粒徑通道,可測 32個特征粒徑.待工況穩(wěn)定后,連續(xù)測取 1min,得到600個顆粒粒徑分布圖譜并取平均值.

圖1 柴油機排放測試試驗裝置分布Fig.1 Schematic diagram of diesel engine emission test equipments

2 結(jié)果與討論

2.1 PODE對柴油機NOx排放的影響

柴油機 NOx的生成條件是高溫富氧,以及在高溫下的滯留時間.NO有熱力NO、瞬發(fā)NO和燃料NO 3種生成方式,其中主要生成方式為熱力NO[27].NO2是由火焰區(qū)NO和HO2反應(yīng)生成,反應(yīng)如式(2)和式(3)所示,所生成的NO2遇冷氣流淬冷而留存,NO2占比(NO2/ NOx)在低負(fù)荷時較高,且隨著負(fù)荷的增大而減小[28].

如圖2所示,NO和NOx排放量隨PODE摻混比提高的變化趨勢一致：10%～50%負(fù)荷工況下,隨著 PODE摻混比提高,NO和 NOx排放增加;100%負(fù)荷工況下,燃用P10混合燃料時,NO和NOx排放略高于柴油,燃用 P20、P30混合燃料時,NO和 NOx排放低于柴油.與柴油相比,100%負(fù)荷工況下,燃用P20和P30混合燃料,NOx排放分別降低了 12.16%和 10.50%.在各個負(fù)荷工況下,NO2/NOx隨著PODE摻混比的提高而呈上升趨勢.

PODE的自供氧特性,有利于提高NO的排放,也有利于NO氧化成NO2,提高NO2的占比.文獻(xiàn)[18-21]的研究結(jié)果表明：在柴油中摻混PODE,發(fā)動機滯燃期縮短,燃燒速率增大,上止點附近釋放熱量較多,導(dǎo)致燃燒溫度升高,NOx排放增加.因此,在 10%～50%負(fù)荷工況下,隨著PODE摻混比提高,NOx排放增加.文獻(xiàn)[22-23,29]的研究結(jié)果表明：隨著 PODE摻混比例的提高,會導(dǎo)致放熱率峰值降低,動力性下降,油耗上升,混合氣變濃,不利于 NOx的生成.因此,75%～100%負(fù)荷工況下,NOx排放受放熱率影響較大,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,這一試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[22,29]相對應(yīng).

圖2 燃用不同PODE摻混比混合燃料NOx排放和NO2/NOxFig.2 NOx emissions and NO2/NOx fueled with different ratio of PODE

2.2 PODE對柴油機PM排放的影響

柴油機 PM 粒徑按照粒徑大小可以分為PM10(DP＜10μm)、細(xì)顆粒 PM2.5(DP＜2.5μm)、超細(xì)顆粒(DP＜100nm)和納米顆粒(DP＜50nm);按照生成機理又可分為核態(tài)顆粒(5nm＜DP＜50nm)、聚集態(tài)顆粒(50nm＜DP＜1000nm)和粗模態(tài)顆粒(DP＞1μm);其中,核態(tài)顆粒由碳?xì)浠衔锖土蛩猁}組成,在稀釋和排氣冷卻過程中成核;聚集態(tài)顆粒則是燃燒過程中不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙,或者小顆粒凝結(jié)產(chǎn)生的二次顆粒[30-31].從氣態(tài)燃料的燃燒到PM的生成分4個階段：碳煙前驅(qū)體芳香烴和碳核的形成、顆粒表面增長及凝聚、碳核的碰撞團(tuán)聚和氧化[32].發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、空燃比、燃燒溫度以及燃油品質(zhì)都對PM的排放有影響[33-35].

如圖3所示,各級PM數(shù)量濃度,根據(jù)負(fù)荷的不同,分別記為n10%、n20%、n50%、n75%和n100%.幾何平均粒徑記為Dave,反映了粒徑分布的形態(tài),計算公式如下[36]：

式中：Dave為幾何平均粒徑,nm;ni為第i個粒徑區(qū)間的顆粒數(shù);Dpi為第 i個粒徑區(qū)間的特征粒徑,nm;ntotal為總顆粒數(shù).

由圖 3(a)可見,燃用柴油及混合燃料所生成的 PM 粒徑,均呈現(xiàn)單峰正態(tài)分布,主要分布在20～250nm,占到了總顆粒數(shù)的94.9%以上.隨著負(fù)荷的增大,PM顆粒數(shù)量濃度增大.這是因為,隨負(fù)荷增大,空燃比減小,混合氣濃度較高,易因燃燒不完全產(chǎn)生大量碳煙[37].

10%～25%負(fù)荷工況下,PM粒徑峰值隨負(fù)荷增大向小粒徑方向偏移;50%～100%負(fù)荷工況下,PM粒徑峰值隨負(fù)荷增大向大粒徑方向偏移.由公式(4)計算出各負(fù)荷工況下PM幾何平均粒徑：在10%～25%負(fù)荷工況下,燃用柴油及混合燃料所生成的PM 幾何平均粒徑,均隨負(fù)荷增大而減小;在 50%～100%負(fù)荷下,PM 幾何平均粒徑隨負(fù)荷增大而增大,如圖 3(b)所示.這是因為,10%負(fù)荷工況下,混合氣濃度較稀,缸內(nèi)燃燒溫度較低,碳煙數(shù)量濃度較小,但易發(fā)生表面增長和凝聚,產(chǎn)生較多的聚集態(tài)顆粒.75%～100%負(fù)荷工況下,混合氣較濃,不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙較多,碳粒表面疏松多孔,易吸附可溶性有機物(SOF);而且缸內(nèi)流速較快,易發(fā)生碳核的碰撞團(tuán)聚,產(chǎn)生大量的聚集態(tài)顆粒[37].

如圖3所示,在各負(fù)荷工況下,燃用 PODE/柴油混合燃料都可降低 PM 排放：10%～50%負(fù)荷工況下,各級PM顆粒數(shù)量濃度隨PODE摻混比的提高而減小,PM 幾何平均粒徑基本不變; 75%～100%負(fù)荷工況下,與燃用柴油相比,燃用P10、P20混合燃料生成的 PM 數(shù)量濃度和幾何平均粒徑,均隨著 PODE摻混比提高下降.而 75%負(fù)荷工況下,燃用P30混合燃料的PM數(shù)量濃度和幾何平均粒徑與燃用P20混合燃料時接近;100%負(fù)荷工況下,與燃用P10混合燃料時接近.

圖3 燃用不同PODE摻混比混合燃料PM數(shù)濃度顆粒粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of PM number density fueled with different ratio of PODE

PODE分子式中不含C-C鍵,不易生成碳煙前驅(qū)體多環(huán)芳香烴,抑制了碳核的生成[38].PODE含氧量較高,使燃燒更充分.與柴油相比,燃用低比例摻混PODE的混合燃料,降低碳煙的活化能,有利于PM進(jìn)一步氧化[22].因此,在各負(fù)荷工況下,燃用P10、P20和P30均不同程度的降低了PM的排放.

10%～50%負(fù)荷工況下,空燃比較大,油氣混合較均勻,燃燒生成的 PM 幾何平均粒徑較小.PM 成分中碳煙含量較少、SOF含量較大,SOF易揮發(fā),且氧化的溫度比碳煙氧化溫度低很多[38-40].因此,10%～50%負(fù)荷工況下,隨著 PODE摻混比例的提高,抑制了碳核的生成,含氧量增加改善燃燒,降低了PM排放.而排氣管中排放溫度較低,核態(tài)顆粒容易凝聚成聚集態(tài)顆粒;部分聚集態(tài)顆粒被揮發(fā)、氧化成核態(tài)顆粒.在上述影響的作用下,10%～50%負(fù)荷工況下,隨 PODE摻混比提高,PM 顆粒數(shù)量濃度下降,但是 PM 粒徑分布變化不大.

75%～100%負(fù)荷工況下,空燃比減小,混合氣較濃,在混合氣過濃區(qū)域易生成大量碳煙,燃燒生成的PM幾何平均粒徑較大.PM成分中碳煙含量較大,SOF含量較小,PM 后期被完全氧化分解所需的溫度較高,時間較長.因此, PODE的抑制碳核生成和自氧量特性,可減少 PM 生成;碳煙活化能的降低,有利于大粒徑 PM 進(jìn)一步氧化成小粒徑PM.在上述影響作用下, 75%～100%負(fù)荷工況下,隨PODE摻混比提高,PM顆粒數(shù)量濃度下降,且 PM 粒徑分布向小粒徑方向偏移.

而75%～100%負(fù)荷工況下,燃用P30混合燃料,情況有所不同.摻混 10%和 20%PODE時,PODE的自供氧、抑制碳核生成、碳煙活化能降低等特性起到主要作用,由摻混 PODE帶來的柴油機油耗上升、滯燃期縮短等影響較小.摻混30%PODE時,摻混PODE帶來的柴油機動力性下降、油耗上升的影響較大.再加上燃用P30混合燃料,使得柴油機滯燃期進(jìn)一步縮短,以及 PODE高溫易蒸發(fā)等特性,導(dǎo)致缸內(nèi)油氣混合不均的情況加劇,生成大量碳煙.并且,75%～100%負(fù)荷工況下,燃燒生成的PM后期揮發(fā)和氧化反應(yīng)時間縮短.因此,燃用 P30混合燃料時產(chǎn)生的PM顆粒數(shù)量濃度和幾何平均粒徑,皆有所回升.

由圖4可見,ntotal和Vtotal隨著負(fù)荷增加而增加;10%～50%負(fù)荷時,隨著 PODE摻混比的增加,ntotal和Vtotal降低;75%～100%負(fù)荷工況下,燃用P30混合燃料生成的ntotal和Vtotal,有所回升.100%負(fù)荷工況下,燃用 P10、P20和 P30混合燃料時,ntotal分別降低了 11.47%、18.93%和 7.68%,Vtotal分別降低了 15.52%、31.27%和 13.38%.因此,綜合考慮摻混PODE對柴油機動力性、經(jīng)濟(jì)性,以及對 NOx和 PM 排放的影響,在柴油中摻混20%PODE較為合適.

圖4 燃用不同PODE摻混比混合燃料對PM總數(shù)量濃度和總體積濃度的影響Fig.4 Effects on total number and volume density of PM fueled with different ratio of PODE

對比柴油和P20混合燃料,圖5中,與柴油相比,10%～50%負(fù)荷工況下,燃用P20混合燃料生成的核態(tài)顆粒占比較低,75%和 100%負(fù)荷工況下,生成的核態(tài)顆粒占比較高.這是因為,10%～50%負(fù)荷工況下,PM粒徑雖小,但SOF含量較高,易揮發(fā)氧化.與燃用柴油相比,燃用PODE/柴油混合燃料生成的 PM,表面含氧官能團(tuán)增加,SOF含量也隨PODE摻混比例提高而增加,所生成的PM能在更低的溫度揮發(fā)和氧化[41],使得部分核態(tài)顆粒在燃燒過程后期及排放過程中,被完全揮發(fā)氧化.而75%～100%負(fù)荷工況下,PM粒徑較大,SOF含量較低,PM中主要為不易蒸發(fā)的碳煙.因此,盡管在柴油中添加 PODE,有利于 PM 在燃燒后期和排放過程中的氧化.但是,會使得部分較大的聚集態(tài)顆粒,僅被氧化成核態(tài)顆粒,從而增加核態(tài)顆粒占比.

在各負(fù)荷工況下,在柴油中低比例摻混PODE,都會降低碳煙的活化能,有利于大顆粒氧化成較小的顆粒,因此,燃用P20混合燃料生成的超細(xì)顆粒占比,在各負(fù)荷工況下,都高于燃用柴油生成的超細(xì)顆粒占比.

圖5 燃用不同燃料核態(tài)顆粒和超細(xì)顆粒排放的影響Fig.5 Effects on emissions of nuclei mode and ultrafine particles proportion fueled with different fuels

2.3 PODE對DPF捕集PM效率的影響

DPF對各模態(tài)顆粒的捕集率記為η.圖6中,DPF前,顆粒總數(shù)量濃度隨負(fù)荷增大而增大;DPF后,顆?？倲?shù)量濃度隨負(fù)荷增大而減小. DPF對PM 總顆粒捕集率隨著負(fù)荷增加而增大,100%負(fù)荷工況下,總顆粒捕集率可以達(dá)到99.5%.

試驗用DPF對PM捕集方式為物理性捕集,對粒徑較大的 PM 捕集效果較好.柴油機尾氣通過 DPF時,氣體會繞過捕集體形成氣體流線[42].在DPF捕集過程中,質(zhì)量較大的PM容易在慣性碰撞過程中脫離氣體流線,與捕集體接觸,被捕集體攔截[42-43].50%～100%負(fù)荷工況下,隨著負(fù)荷提高,PM 平均幾何粒徑增大,PM 數(shù)量濃度增多,捕集率提高.25%負(fù)荷工況下的 PM 幾何平均粒徑比10%負(fù)荷小,而25%負(fù)荷下DPF對PM的捕集率依然略高于10%負(fù)荷.這是因為與10%負(fù)荷工況相比,25%負(fù)荷下,PM 總數(shù)量濃度較大,在通過DPF載體時,顆粒間更易發(fā)生互相碰撞而凝聚,并偏離氣體流線,與捕集體接觸.

圖6 燃用柴油DPF前后各模態(tài)顆粒數(shù)量濃度和捕集率Fig.6 Number concentration and filtering efficiency of PM in the upstream and downstream of DPF fueled with diesel

DPF對核態(tài)顆粒的捕集率明顯低于總顆粒捕集率,在 100%負(fù)荷下達(dá)到最低,其核態(tài)顆粒捕集率僅為 79.35%,見圖 6(b).這是因為：1)100%負(fù)荷工況下,排氣管內(nèi)排氣流速較快,與大粒徑顆粒相比,小粒徑顆粒更容易受到流速的影響.因此,小粒徑顆粒不易發(fā)生布朗運動,易隨著氣體流線流出 DPF而不被捕集.2)由圖 3(b)和圖 5可知,100%負(fù)荷時,PM 幾何平均粒徑最大,大粒徑顆粒數(shù)量較多,核態(tài)顆粒占比最小.大量大粒徑顆粒在進(jìn)入 DPF初期,因慣性碰撞而被捕集.從而在DPF中后段的孔道中,隨氣體流線流動的PM數(shù)量較少,不易發(fā)生顆粒間的碰撞和DPF壁面對PM的攔截.

圖7 燃用不同燃料DPF前后PM顆粒數(shù)濃度粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of PM number density in the upstream and downstream of DPF fueled with different fuels

各負(fù)荷工況下,燃用柴油和 P20混合燃料時,DPF后端PM數(shù)濃度顆粒粒徑分布均無明顯峰值,如圖 7(a)所示.10%負(fù)荷工況下,燃用柴油和P20混合燃料對DPF后端粒徑數(shù)量濃度和粒徑分布均影響不大.25%負(fù)荷工況下,燃用P20混合燃料DPF后端粒徑分布,與燃用柴油相比向小粒徑方向偏移.50%～100%負(fù)荷工況下,DPF后端,燃用 P20混合燃料比燃用柴油時,大粒徑顆粒的粒徑數(shù)量濃度有明顯的增多.因此,DPF后端,10%負(fù)荷工況下,燃用兩種燃料的 PM 幾何平均粒徑相差不大;25%負(fù)荷工況下,燃用P20混合燃料比燃用柴油時的PM幾何平均粒徑小;50%～75%負(fù)荷工況下,燃用 P20混合燃料比燃用柴油時的 PM幾何平均粒徑大,如圖7(b)所示.

由圖 8可見,在柴油中摻混 20%PODE,DPF總顆粒捕集率、聚集態(tài)顆粒捕集率和超細(xì)顆粒捕集率,在各負(fù)荷工況下皆有不同程度的下降.燃用P20時,在10%～75%負(fù)荷工況下,DPF對核態(tài)顆粒捕集率比柴油低;100%負(fù)荷工況下,DPF對核態(tài)顆粒捕集率比柴油高.

圖8 燃用不同燃料DPF前后各模態(tài)顆粒數(shù)量濃度和捕集率Fig.8 Number concentration and filtering efficiency of PM in the upstream and downstream of DPF with different modes fueled with different fuels

摻混 20%PODE,PM 幾何平均粒徑減小[圖3(b)],因此,在柴油中添加PODE,DPF總顆粒捕集率、聚集態(tài)顆粒和超細(xì)顆粒的捕集率皆有所下降.75%～100%負(fù)荷工況下,PM 幾何平均粒徑較大,燃用 P20混合燃料與燃用柴油的總顆粒捕集率差距縮小.燃用P20混合燃料時,10%負(fù)荷工況下,DPF對PM捕集效果最差,捕集率為95.73%,依然可以達(dá)到95%以上.燃用PODE/柴油混合燃料,DPF仍可以起到很好的控制PM排放的作用.

10%～50%負(fù)荷工況下,與燃用柴油相比,燃用P20混合燃料時生成的PM總數(shù)量濃度較小,核態(tài)顆粒易從 DPF孔道中流過而不被捕集.因此,10%～50%負(fù)荷工況下,燃用P20時核態(tài)顆粒捕集率低于柴油.75%～100%負(fù)荷工況下,摻混PODE使PM粒徑分布向小粒徑方向偏移,PM幾何平均粒徑變小.在DPF捕集過程中,燃用P20混合燃料生成的PM在進(jìn)入DPF初始階段被捕集的量較少,有較多的PM隨著排氣流向DPF中后段.顆粒間碰撞和DPF壁面對PM的攔截效果比燃用柴油時增強,提高了核態(tài)顆粒的捕集率.因此,75%負(fù)荷工況時,P20與柴油的核態(tài)顆粒捕集率比較接近;100%負(fù)荷工況時,燃用 P20時的核態(tài)顆粒捕集率高于柴油.

3 結(jié)論

3.1 隨著PODE摻混比提高, NOx排放在10%～50%負(fù)荷工況下,隨 PODE摻混比的增加而增加,100%負(fù)荷工況下呈先上升后下降的趨勢;NO2/NOx隨著 PODE摻混比的提高呈上升趨勢.100%負(fù)荷工況下,燃用 P20、P30混合燃料時,NOx排放分別減少了12.16%和10.50%.

3.2 柴油中添加 PODE有利于降低柴油機PM排放.摻混PODE可同時降低PM顆粒總數(shù)量濃度和 PM 總體積濃度.100%負(fù)荷工況下,燃用P10、P20和P30混合燃料時,總數(shù)量濃度分別降低了11.47%、18.93%和7.68%,總體積濃度分別降低了 15.52%、31.27%和 13.38%.綜合考慮PODE對柴油機動力性、經(jīng)濟(jì)性、NOx和PM排放的影響,PODE摻混比在20%較為合適.

3.3 試驗用DPF對柴油機顆粒物的捕集效率隨著負(fù)荷的增加而提高.PODE的添加,使得DPF對PM的捕集效果減弱.對比柴油和P20混合燃料,其中10%負(fù)荷工況下,捕集效果最差,但依然可以達(dá)到95%以上,不影響DPF在柴油機PM排放控制上的作用.

[1]周龍保,劉忠長,高宗英,等.內(nèi)燃機學(xué) [M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2010：192-228.

[2]Daggolu P R, Gogia D K, Siddiquie T A. Exhaust After Treatment System for Diesel Locomotive Engines-A Review [C]//Locomotives and Rail Road Transportation. Springer Singapore,2017：155-168.

[3]Wang X, Cheng C S, DI Y, et al. Diesel engine gaseous and particle emissions fueled with diesel—oxygenate blends [J]. Fuel,2012,94：317-323.

[4]Sukjit E, Herreros J M, Piaszyk J, et al. Finding synergies in fuels properties for the design of renewable fuels—Hydroxylated biodiesel effects on butanol-diesel blends [J]. Environmental Science & Technology, 2013,47(7)：3535-3542.

[5]Miyamoto N, Ogawa H, Nurun N M, et al. Smokeless, low NOx,high thermal efficiency, and low noise diesel combustion with oxygenated agents as main fuel [R]. SAE Technical Paper, 1998.

[6]Wang J, Wu F, Xiao J, et al. Oxygenated blend design and its effects on reducing diesel particulate emissions [J]. Fuel,2009,88(10)：2037-2045.

[7]李 莉,王建昕,肖建華,等.車用柴油機燃用棕櫚生物柴油的顆粒物排放特性研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(10)：2458-2465.

[8]Zhang Z H, Balasubramanian R. Effects of oxygenated fuel blends on carbonaceous particulate composition and particle size distributions from a stationary diesel engine [J]. Fuel, 2015,141：1-8.

[9]王淳青,李玉閣,韓冬云,等.含氧柴油中含氧組分的研究進(jìn)展[J]. 當(dāng)代化工, 2015,44(3)：531-533.

[10]焦緯洲,許承騁,劉有智,等.醇類柴油研究進(jìn)展 [J]. 石油學(xué)報：石油加工, 2014,30(5)：945-956.

[11]李瑞娜,王 忠,李銘迪,等.十六烷值對甲醇/生物柴油排放污染物影響的試驗研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(7)：1684-1689.

[12]王常文,崔方方,宋 宇.生物柴油的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 [J].中國油脂, 2014,39(5)：44-48.

[13]翁家慶,沈穎剛,張學(xué)麗,等.生物柴油對柴油機的腐蝕磨損及其機制分析 [J]. 潤滑與密封, 2008,33(8)：54-57.

[14]夏 迪,陳國需,廖梓珺,等.無灰型柴油添加劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J]. 節(jié)能技術(shù), 2015,33(2)：155-158.

[15]洪 亮.含氧燃料對柴油發(fā)動機的燃燒和排放性能影響研究[D]. 上海：上海海事大學(xué), 2006.

[16]Pellegrini L, Marchionna M, Patrini R, et al. Combustion behaviour and emission performance of neat and blended polyoxymethylene dimethyl ethers in a light-duty diesel engine[R]. SAE Technical Paper, 2012.

[17]Pellegrini L, Marchionna M, Patrini R, et al. Emission performance of neat and blended polyoxymethylene dimethyl ethers in an old light-duty diesel car [R]. SAE Technical Paper,2013.

[18]Liu H, Wang Z, Zhang J, et al. Study on combustion and emission characteristics of Polyoxymethylene Dimethyl Ethers/ diesel blends in light-duty and heavy-duty diesel engines [J]. Applied Energy, 2015,88：793-800.

[19]Liu H, Wang Z, Zhang J, et al. Performance, Combustion and Emission Characteristics of a Diesel Engine Fueled with Polyoxymethylene Dimethyl Ethers (PODE 3-4)/Diesel Blends[J].Energy Procedia, 2015,75：2337-2344.

[20]Liu J, Wang H, Li Y, et al. Effects of diesel/PODE(polyoxymethylene dimethyl ethers) blends on combustion and emission characteristics in a heavy duty diesel engine [J]. Fuel,2016,177：206-216.

[21]楊 皓,李興虎,牟鳴飛,等.柴油/聚甲氧基二甲醚混合燃料的柴油機性能與排放試驗 [J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報, 2015,6(3)：280-285.

[22]馮浩杰,孫 平,劉軍恒,等.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 [J]. 石油學(xué)報(石油加工), 2016,32(4)：816-822.

[23]謝 萌,馬志杰,王全紅,等.聚甲氧基二甲醚及其高比例摻混柴油混合燃料發(fā)動機燃燒與排放的試驗研究 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2017,51(3)：1-6.

[24]Burger J, Siegert M, Str?fer E, et al. Poly (oxymethylene)dimethyl ethers as components of tailored diesel fuel： Properties,synthesis and purification concepts [J]. Fuel, 2010,89(11)：3315-3319.

[25]Lautenschütz L, Oestreich D, Seidenspinner P, et al. Physicochemical properties and fuel characteristics of oxymethylene dialkyl ethers [J]. Fuel, 2016,173：129-137.

[26]陳波水,嚴(yán)正澤,朱鐘敏,等.柴油自燃點與十六烷值對應(yīng)關(guān)系的研究 [J]. 石油煉制, 1990,5：50-53.

[27]崔可潤, Jon Van Gerpan, Pradheepram Ottikkutti.柴油機中一氧化氮生成模型及其研究 [J]. 武漢水運工程學(xué)院學(xué)報,1993,17(1)：28-33.

[28]王海軍,何 超,賈德文,等.柴油機尾氣中二氧化氮的測量方法及其排放特性研究 [J]. 小型內(nèi)燃機與摩托車, 2011,40(4)：88-91.

[29]劉軍恒,孫 平,姚肖華,等.聚甲氧基二甲醚對輕型柴油機排放特性的影響 [J]. 車用發(fā)動機, 2017,3：56-62.

[30]Burtscher H. Physical characterization of particulate emissions from diesel engines： a review [J]. Journal of Aerosol Science,2005,36(7)：896-932.

[31]Kittelson D B. Engines and nanoparticles： a review [J]. Journal of Aerosol Science, 1998,29(5)：575-588.

[32]Richter H, Howard J B. Formation of polycyclic aromatic hydrocarbons and their growth to soot—a review of chemical reaction pathways [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2000,26(4)：565-608.

[33]Kweon C B, Foster D E, Schauer J J, et al. Detailed chemical composition and particle size assessment of diesel engine exhaust[R]. SAE Technical Paper, 2002.

[34]Ciajolo A, D'anna A, Barbella R, et al. The effect of temperature on soot inception in premixed ethylene flames [C]//Symposium(International) on Combustion. Elsevier, 1996, 26(2)：2327-2333.

[35]Zielinska B, Sagebiel J, Arnott W P, et al. Phase and size distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in diesel and gasoline vehicle emissions [J]. Environmental Science &Technology, 2004,38(9)：2557-2567.

[36]胡志遠(yuǎn),楊 奇,譚丕強,等.在用共軌柴油機燃用滬四柴油的超細(xì)微粒排放 [J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報, 2013,41(11)：1721-1725.

[37]孫萬臣,劉 高,郭 亮,等.微粒捕集器對高壓共軌柴油機超細(xì)微粒捕集特性 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2016,46(1)：133-139.

[38]耿超然.利用PODE改善壓燃式發(fā)動機燃燒排放性能的試驗研究 [D]. 上海：上海交通大學(xué), 2015.

[39]Alozie N S I, Fern G, Peirce D, et al. Influence of Biodiesel Blending on Particulate Matter (PM) Oxidation Characteristics[R]. SAE Technical Paper, 2017.

[40]Gautam A, Misra R N, Agarwal A K. Biodiesel as an Alternate Fuel for Diesel Traction on Indian Railways [M]//Locomotives and Rail Road Transportation. Springer Singapore, 2017：73-112.

[41]馮浩杰.聚甲氧基二甲醚/柴油混合燃料的燃燒與排放特性研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué), 2016.

[42]譚丕強,胡志遠(yuǎn),樓狄明,等.柴油機捕集器結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同粒徑微粒過濾特性的影響 [J]. 機械工程學(xué)報, 2008,44(2)：175-181.

[43]Ishizaki K, Tanaka S, Kishimoto A, et al. A Study of SICNanoparticles Porous Layer Formed on SIC-DPF Wall for Soot Oxidation [C]. Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress. Springer Berlin Heidelberg, 2013：633-643.