柴油摻混PODE 混合燃料在小負(fù)荷工況下的排放特性研究*

王海峰 馬文曉

（1-青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 青海 西寧 810003 2-長安大學(xué)）

引言

汽車的尾氣排放是大氣污染物排放的重要組成部分，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國汽車保有量已達(dá)2.17 億輛。2017 年，全國汽車排放中，CO 排放2 920.3 萬t，占機(jī)動車CO 排放總量的87.8%；HC 排放342.2 萬t，占機(jī)動車HC 排放總量的84.1%；NOx排放532.8 萬t，占機(jī)動車NOx排放總量的92.8%；顆粒物排放48.8萬t，占機(jī)動車顆粒物排放總量的95.8%。而柴油車排放中，CO 排放347.5 萬t，占汽車CO 排放總量的11.9%；HC 排放78.4 萬t，占汽車HC 排放總量的22.9%；NOx排放363.9 萬t，占汽車NOx排放總量的68.3%；PM 排放48.8 萬t，占汽車PM 排放總量的99%[1]。由此可見，柴油機(jī)的NOx和PM 排放在汽車的尾氣排放中占有很大比重，降低柴油機(jī)的NOx和PM排放是控制污染物排放的重點。我國將于2020 年7月1 日對城市重型柴油車實施國ⅥA 標(biāo)準(zhǔn)。相比于國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，重型柴油車國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)對NOx和PM 有害排放物的限值分別提高了77%和67%。為滿足重型柴油車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，必須采取相應(yīng)的措施來降低柴油機(jī)尾氣中的NOx及PM 排放量。

為了降低柴油機(jī)尾氣排放中的顆粒物成分，采用含氧燃料與柴油混合是一種比較可行的方法。目前，相關(guān)研究主要有醇類燃料、生物柴油、二甲醚和碳酸二甲酯等新型替代燃料。這些燃料的含氧量較高，含氧燃料分子中的氧在燃燒過程中起到自供氧作用，有助于改善燃料的燃燒狀況，從而改善柴油機(jī)燃燒和排放性能[2-5]。王滸等人[6]研究發(fā)現(xiàn)，甲醇、乙醇和正丁醇燃料可減少用于生成碳煙的碳原子量，含氧與促進(jìn)混合的共同作用可顯著降低醇類混合燃料的碳煙體積濃度。何邦權(quán)等人[7]使用乙醇/柴油/甲酯混合燃料的研究結(jié)果表明，在中高負(fù)荷時，隨著混合燃料中含氧燃料的增加，煙度明顯降低。Zannis T.C.等人[8]及Sendzikiene E.等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，燃料理化性質(zhì)對柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙的生成和氧化過程影響較大。燃料自身含氧對于改善燃燒和降低排放均有效果，尤其是在降低碳煙排放方面，含氧燃料的效果非常明顯。從以上研究可以看出，使用柴油與含氧燃料配制成的混合燃料，可有效降低柴油機(jī)的碳煙排放。

聚甲氧基二甲醚（PODEn），化學(xué)簡式為CH3O（CH2O）nCH3，是一類低相對分子質(zhì)量的縮醛類聚合物，其含氧量可高達(dá)47、48（對應(yīng)于PODE3 和PODE4）。相比于傳統(tǒng)燃料純柴油的十六烷值（50），聚甲氧基二甲醚的十六烷值達(dá)70 以上（PODE3 為78，PODE4為90），高的十六烷值提高了聚甲氧基二甲醚燃料的著火性能，使柴油機(jī)的顆粒物排放大大降低。因此，聚甲氧基二甲醚可以作為傳統(tǒng)柴油的替代燃料[10-12]。已有研究[13]表明，柴油摻混PODEn 后，可顯著降低THC、CO 和碳煙排放。馮浩杰等人[14]的研究表明，在柴油中摻混PODE3～PODE8，可顯著降低HC、CO 排放和降低排氣煙度。

本文將PODE 按照一定比例與柴油混合形成含氧燃料，在一臺電控燃油高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)上測試了柴油、柴油與PODE 摻混燃料的燃燒及排放特性，并對超細(xì)顆粒物的數(shù)量濃度、表面積濃度及體積濃度進(jìn)行了對比分析和研究。

1 試驗裝置與數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗設(shè)備

試驗用發(fā)動機(jī)為玉柴YC6G270-30 高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)主要參數(shù)見表1。

試驗中，超細(xì)顆粒物的采樣使用SMPS-3938 氣溶膠粒徑譜儀，其主要參數(shù)見表2。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

表2 SMPS-3938 氣溶膠粒徑譜儀主要參數(shù)

1.2 試驗方案

試驗燃料為純柴油及柴油/PODE 混合燃料，其中，純柴油以D100 表示，柴油/PODE 混合燃料根據(jù)摻入體積比例不同，形成2 種混合燃料。為便于考察不同含氧量的燃料對柴油機(jī)燃燒及排放的影響，將2種不同含氧量的混合燃料與純柴油進(jìn)行對比。其中，柴油體積比占90%、PODE 體積比占10%的混合燃料記為P10，柴油體積比占80%、PODE 體積比占20%的混合燃料記為P20。D100、P10 及P20 等3 種燃料的部分理化特性見表3。

表3 試驗所用燃料的部分理化特性

試驗中使用的試驗設(shè)備有洛陽凱邁公司生產(chǎn)的CW260 電渦流測功機(jī)、Kistler 公司的6052A 壓電式壓力傳感器（用于采集發(fā)動機(jī)氣缸壓力信號）、kibox燃燒分析儀（用于采集缸內(nèi)燃燒狀態(tài)參數(shù)）、電荷放大器、德國MAHA 尾氣分析儀等。試驗設(shè)備及儀器的連接見圖1。

圖1 試驗設(shè)備布置方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 有效燃油消耗率及有效熱效率

圖2 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的有效燃油消耗率曲線。

從圖2 可以看出，柴油摻混PODE 之后，有效燃油消耗率升高。相比于D100，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，P10 和P20 的有效燃油消耗率分別最多升高了9.3%和24%；在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min 時，P10 和P20 的有效燃油消耗率分別最多升高了22.5%和32.5%；在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時，P10 和P20 的有效燃油消耗率分別最多升高了7.0%和24%。

圖2 有效燃油消耗率

這是因為燃料的有效燃油消耗率受到燃料熱值的影響，燃料的熱值越高，有效燃油消耗率越低。試驗測得PODE 的熱值為24.75 MJ/kg，與柴油形成混合燃料后，P10 的熱值為41.06 MJ/kg，P20 的熱值為39.19 MJ/kg。與柴油42.87 MJ/kg 的熱值相比，分別下降了4.4%及9.9%，因此，在相同負(fù)荷下，燃用混合燃料時，要輸出相同的功率，有效燃油消耗率必然升高。

在小負(fù)荷工況下，3 種燃料的有效熱效率曲線如圖3 所示。

圖3 有效熱效率

由圖3 可以看出，在小負(fù)荷工況下，P10、P20 的有效熱效率略高于純柴油。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時，P10 和P20 的有效熱效率升高比在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min及2 000 r/min 時要多。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時，D100 的熱效率最低，P10 的熱效率最高。在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP 為0.08 MPa 及轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP 為0.16 MPa 工況，D100 的熱效率最低，P10的熱效率高于P20。當(dāng)BMEP ＞0.16 MPa 時，P20 的熱效率高于P10，D100 的熱效率最低。在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、BMEP 為0.08 MPa 工況，D100 的熱效率最高，P20 的熱效率略低于P10。當(dāng)BMEP ＞0.08 MPa時，P20 的熱效率最高，D100 的熱效率最低。

這是因為，隨著燃料中含氧量的增加，在燃燒時，含氧燃料可以自己提供氧氣，所帶的羥基及HO2活性自由基加快了燃燒速度，使燃燒更加充分，提高了缸內(nèi)溫度。因此，隨著燃料中含氧量的增加，P10、P20 的有效熱效率升高。

2.2 排放特性

2.2.1 CO 排放分析

圖4 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的CO 排放曲線。

圖4 CO 排放特性

從圖4可以看出，P10、P20 的CO排放低于D100。這是因為，燃料完全燃燒時生成CO2，當(dāng)供氧不足時，部分燃料不能完全燃燒，生成CO。由于PODE 的含氧量高，與柴油形成混合燃料后，燃料的富氧特性增加了燃燒過程中活性氧的濃度，產(chǎn)生的活性自由基提高了擴(kuò)散燃燒強(qiáng)度，使燃燒更加充分，提高了缸內(nèi)溫度[15]，燃料完全燃燒，CO 進(jìn)一步燃燒生成CO2，因而CO 降低。

2.2.2 HC 排放分析

圖5 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的HC 排放曲線。

圖5 HC 排放特性

由圖5 可知，含氧燃料的HC 排放低于純柴油D100。隨含氧量的增加，HC 排放隨之降低。P20 的HC 排放低于P10。

這是因為，柴油機(jī)的HC 排放主要和可燃混合氣的過量空氣系數(shù)及可燃混合氣所在區(qū)域有關(guān)。當(dāng)可燃混合氣過濃或過稀，燃料燃燒不完全時，HC 生成較多。但是因為PODE 的高揮發(fā)性有利于減少混合燃料燃燒過程的過濃區(qū)域[16]，提高了燃料的燃燒性能，缸內(nèi)局部相對稀薄的燃燒區(qū)域減小，燃料在氣缸內(nèi)壁的淬熄效應(yīng)降低，從而使HC 排放降低。

2.2.3 碳煙排放分析

圖6 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的碳煙排放曲線。

碳煙排放的評價指標(biāo)有多種，本文采用煙度值K 來進(jìn)行評價。由圖6 可以看出，3 種燃料中，D100的碳煙排放最高，其次為P10，P20 的碳煙排放最低。與純柴油相比，混合燃料的碳煙排放最多降低了57%。

圖6 碳煙排放特性

這是因為，試驗中，測得P10 的沸點為198.25 ℃，粘度為3.61；P20 的沸點為196.59 ℃，粘度為3.01。將柴油和PODE 摻混后，混合燃料的沸點及粘度降低，改善了混合燃料的蒸發(fā)及霧化特性，使得可燃混合氣更加均勻。相比于純柴油幾乎不含氧，P10 的含氧量為6%，P20 的含氧量為11.68%。含氧的混合燃料在燃燒過程中提高了擴(kuò)散燃燒速度，可燃混合氣不均勻程度得以降低，使混合燃料的燃燒狀況得到明顯改善，因此試驗測得的碳煙排放降低。

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)計算表明[17]，PODE 中，以C-O鍵存在的碳原子難以參與任何生成小分子自由基的反應(yīng)，從而減少了混合燃料燃燒過程中碳煙前驅(qū)物質(zhì)PAHs 的生成數(shù)量。并且，PODE 在燃燒初期生成大量具有氧化作用的OH 基團(tuán)[18]，它可以直接與乙烯發(fā)生氧化反應(yīng)，減少乙炔的生成，從而抑制了PAHs的形成以及碳煙的環(huán)化生長。同時，具有強(qiáng)氧化性的OH 基團(tuán)易于與已生成的碳煙表面的碳原子進(jìn)行氧化反應(yīng)[19]，進(jìn)一步降低了碳煙排放。

2.2.4 NOx排放分析

圖7 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的NOx排放對比框圖。

圖7 NOx排放特性

由圖7 可以看出，含氧燃料P10、P20 的NOx排放略高于D100。當(dāng)轉(zhuǎn)速由1000r/min 升高時，3 種燃料的NOx排放都下降。在NOx排放中，隨著負(fù)荷的增加，NO 的排放比例增加，NO2的排放比例下降。這是因為，柴油機(jī)在燃燒過程中所生成的NOx中，主要是NO，只有少量的NO2。根據(jù)NOx的生成機(jī)理可知，從NO 生成NO2的化學(xué)反應(yīng)為：NO+HO2→NO2+OH。除非在火焰中生成的NO2通過較冷的氣體混合而凍結(jié)，否則，NO2又會通過反應(yīng)NO2+O →NO+O2轉(zhuǎn)化成NO。

當(dāng)燃燒溫度升高，氧濃度增大，燃燒時間足夠，NO 的生成量就會增加。由燃料的理化特性可知，P10 的含氧量為6%，P20 的含氧量為11.68%，因此，P10 及P20 在燃燒時自含氧改善了燃燒狀況，使燃燒溫度升高，NO 的排放量增大。另一方面，柴油的十六烷值為50，P10 的十六烷值為54，P20 的十六烷值為56，十六烷值的增加，改善了燃料的著火特性，也使得NO 排放增加。

3 超細(xì)顆粒物排放

柴油機(jī)尾氣排放中的超細(xì)顆粒物是大氣中細(xì)顆粒物的主要來源。按照超細(xì)顆粒物的物理形成機(jī)制可以分為3 種模態(tài)：成核態(tài)顆粒物（NCMP、D ＜50 nm）、埃根模態(tài)顆粒物（AKMP、50 nm ＜D ＜100 nm）、凝聚態(tài)顆粒物（ACMP、100 nm ＜D ＜220 nm）。本文試驗所用粒徑掃描儀的量程為2.5～1 000 nm。由于在220～1 000 nm 的顆粒物數(shù)量極少，因此采集2.5～220 nm的顆粒物，將0～220 nm 定義為超細(xì)顆粒物（UFPs）。

3.1 數(shù)量濃度

圖8 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度曲線圖。

圖8 超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度

從圖8 可以看出 在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時，D100和P20 的超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度先隨負(fù)荷增加而升高，隨后隨負(fù)荷的增加而下降；在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，P10 和P20 的超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度隨負(fù)荷增加而下降；在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時，3 種燃料的超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度先隨負(fù)荷增加而下降，下降到一個最低點之后，隨負(fù)荷增加而上升。從圖8 還可以看出，混合燃料的超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度低于純柴油。且隨著混合燃料中氧含量的增加，超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度隨之降低。相比于純柴油，混合燃料的超細(xì)顆粒物數(shù)量濃度最多降低了65.5%。

3.2 表面積濃度

圖9 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的超細(xì)顆粒物表面積濃度曲線圖。

從圖9 可以看出，3 種燃料的超細(xì)顆粒物表面積濃度都隨負(fù)荷的增加而上升。含氧燃料的超細(xì)顆粒物表面積濃度低于純柴油。隨著含氧量的增加，超細(xì)顆粒物表面積濃度降低。相比于純柴油，含氧燃料的超細(xì)顆粒物表面積濃度最多降低了65.8%。

3.3 體積濃度

圖10 為小負(fù)荷工況下3 種燃料的超細(xì)顆粒物體積濃度曲線圖。

圖9 超細(xì)顆粒物表面積濃度

從圖10 可以看出，3 種燃料的超細(xì)顆粒物體積濃度隨負(fù)荷的增加而升高；隨著燃料中氧含量的增加，超細(xì)顆粒物的體積濃度隨之降低，最多降低了72.5%。

圖10 超細(xì)顆粒物體積濃度

對比圖8、圖9、圖10 可以看出，在同一工況下，混合燃料的超細(xì)顆粒物排放數(shù)量明顯低于柴油，且PODE 摻混比例越高，超細(xì)顆粒物排放數(shù)量越少。這是由于PODE 流動性好且初餾點較低，導(dǎo)致混合燃料粘度低、蒸發(fā)性好，因此混合燃料的霧化質(zhì)量較好，燃燒完善。此外，由于PODE 自含氧，增加了C-O，且對燃燒有一定的促進(jìn)作用，也大大降低了超細(xì)顆粒物的排放。

4 結(jié)論

1）柴油與PODE 形成混合燃料后，在小負(fù)荷工況下，與純柴油相比，隨著氧含量的增加，混合燃料的有效燃油消耗率升高，有效熱效率升高。

2）柴油與PODE 形成混合燃料后，在小負(fù)荷工況下，與純柴油相比，混合燃料的CO 及HC 排放均降低。

3）柴油與PODE 形成混合燃料后，在小負(fù)荷工況下，碳煙排放明顯降低。與純柴油相比，混合燃料的碳煙排放最多降低了57%。

4）柴油與PODE 形成混合燃料后，在小負(fù)荷工況下，與純柴油相比，混合燃料的NOx排放升高。且NOx排放量隨氧含量的增加而增加。與純柴油相比，混合燃料的NOx排放最多升高了59.3%。

5）柴油與PODE 形成混合燃料后，在小負(fù)荷工況下，超細(xì)顆粒物的排放明顯降低。與純柴油相比，混合燃料的超細(xì)顆粒物排放最多降低了72.5%。