噴油參數(shù)對(duì)PODE/柴油混合燃料燃燒污染物排放的影響

嵇 乾， 王天婷， 劉軍恒， 孫 平， 高婉瑩， 楊 晨

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

追求優(yōu)越動(dòng)力性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。柴油機(jī)因具有較好的動(dòng)力性和較高的熱效率而廣泛應(yīng)用于各種大型工程機(jī)械領(lǐng)域[1]，從燃料性質(zhì)著手改進(jìn)，打破柴油機(jī)燃用傳統(tǒng)化石燃料生成NOx和PM顆粒物之間的“Trade-Off”關(guān)系成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)[2-3]。在柴油中摻混新型燃料可以優(yōu)化燃料特性；其中，含氧燃料由于其在燃燒過程中的自供氧特點(diǎn)，對(duì)碳煙的生成有抑制作用，可以有效降低煙度和顆粒物的排放[4-6]。

目前，應(yīng)用較多的含氧燃料有生物柴油、二甲醚(DME)和聚甲氧基二甲醚(PODE)。生物柴油可以有效降低煙度排放，但其黏度高、揮發(fā)性低，使燃油霧化和蒸發(fā)特性較差。二甲醚在常溫下為氣體，使用二甲醚作為燃料需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行改造，且二甲醚氣體會(huì)損傷人的神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)。PODE是一種以亞甲氧基為分子主鏈的聚合物，分子式為CH3O(CH2O)nCH3，其中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于40%。與其他含氧燃料相比，PODE具有較高的十六烷值，較好的揮發(fā)性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體腐蝕性小的特點(diǎn)；其分子結(jié)構(gòu)中不含C—C單鍵，極大程度地減少燃燒過程中多環(huán)芳香烴(PAH)的生成。同時(shí)，PODE可與柴油以任意比例互溶，可以不改變柴油機(jī)構(gòu)造而直接燃用。因此，PODE是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒最具潛力的替代燃料之一[7]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)PODE/柴油混合燃料的性能，及噴油參數(shù)改變對(duì)混合燃料性能的影響等進(jìn)行了一系列研究。馬躍等[8]在高溫、高壓定容燃燒彈上，采用OH化學(xué)發(fā)光攝影、激光誘導(dǎo)熾光法(LII) 等可視化方法測(cè)量柴油和PODEn/柴油混合燃料的火焰浮起長度和煙度分布。結(jié)果表明，隨著PODE摻混比例的提高,混合燃料燃燒火焰中碳煙體積分?jǐn)?shù)明顯下降；與柴油相比，PODE體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，混合燃料的碳煙體積分?jǐn)?shù)平均值下降67.6%。王其平等[9]研究表明，增加可變截面渦輪增壓器(VGT)開度和提高噴油器流量均可以改善PODEn/柴油混合燃料的燃燒和排放性能。孫萬臣等[10]考察了改變噴油壓力和主預(yù)噴間隔角時(shí)，正丁醇/柴油混合燃料對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與顆粒物排放的影響。結(jié)果表明：當(dāng)噴油壓力由80 MPa升至100 MPa時(shí),混合燃料消光碳煙明顯降低；隨主預(yù)噴間隔角度增加,微粒的總數(shù)量濃度明顯降低,核態(tài)微粒比例增加。Liu等[11]研究表明：摻混PODE可以顯著提高柴油機(jī)熱效率，并可以大幅減少碳煙的生成；且隨著PODE體積分?jǐn)?shù)的提高，CO和碳?xì)浠衔?HC)排放有效降低。Li等[12]研究了PODE摻混柴油的噴霧特性，結(jié)果表明混合燃料的噴霧貫穿距離縮短，霧化程度優(yōu)于純柴油模式。Chen等[13]研究了燃用不同比例柴油/PODE混合燃料在不同負(fù)荷下的顆粒物排放情況，結(jié)果表明在各種負(fù)荷下顆粒物數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度均有所降低。Yang等[14]對(duì)PODE/柴油混合燃料的排放物顆粒進(jìn)行TG、SEM及TEM分析，結(jié)果表明PODE體積分?jǐn)?shù)為20%的混合燃料比10%的燃燒生成顆粒物的結(jié)構(gòu)更為松散、水分和揮發(fā)分更多，氧化速率更高。Valentino等[15]研究了進(jìn)氣中氧濃度、噴油正時(shí)及噴油壓力對(duì)正丁醇/柴油混合燃料的燃燒排放特性影響，結(jié)果表明，在噴油壓力100 MPa下，隨正丁醇摻混比增加,滯燃期延長、燃油霧化改善，幾乎不產(chǎn)生煙度排放。

PODE/柴油混合燃料與柴油燃料在理化性質(zhì)上有明顯區(qū)別。為了實(shí)現(xiàn)混合燃料燃燒性能和排放性能的同時(shí)優(yōu)化，需要對(duì)燃用混合燃料柴油機(jī)的噴油參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整。目前，對(duì)燃用PODE/柴油混合燃料柴油機(jī)噴油參數(shù)調(diào)整的研究還較少。為此，筆者將PODE與柴油按不同比例摻混成混合燃料；并在高壓共軌柴油機(jī)上，分別探究了不同噴油壓力和噴油正時(shí)下混合燃料的排放特性及顆粒物生成的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)4缸增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。采用發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定軟件對(duì)開放式電子控制單元(ECU)燃油噴射系統(tǒng)的噴油正時(shí)和噴油壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the engine

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架裝置的測(cè)控系統(tǒng)主要包括電力測(cè)功機(jī)(CAC250型，湖南湘儀動(dòng)力測(cè)試公司產(chǎn)品)、燃油溫控儀(AV L753C型，奧地利AVL公司產(chǎn)品)和瞬態(tài)油耗儀(AVL 735S型,奧地利AVL公司產(chǎn)品)。電力測(cè)功機(jī)用來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速；燃油溫控儀控制燃油溫度；瞬態(tài)油耗儀測(cè)量燃油消耗率。

采用缸壓傳感器(GH14P，奧地利AVL公司產(chǎn)品)、電荷放大器(5011B10，瑞士Kistler公司產(chǎn)品)和燃燒分析儀(AVL INDIMODUL-622，奧地利AVL公司產(chǎn)品)測(cè)量并分析燃燒缸壓和放熱率，連續(xù)采集200個(gè)燃燒循環(huán)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的燃燒數(shù)據(jù)，取平均值。氣體排放由日本Horiba公司的MEXA-7200D排氣分析儀進(jìn)行測(cè)量；通過濾紙式煙度計(jì)(AVL 415S型，奧地利AVL公司產(chǎn)品)測(cè)量排氣煙度。顆粒的數(shù)量濃度通過粒徑譜儀(EEPS-3090型，美國TSI公司產(chǎn)品)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍為5.6～560 nm。測(cè)量前先進(jìn)行排氣稀釋(稀釋后的混合氣體與采樣排氣的體積比200∶1)，然后采樣。

1.2 燃料

分別選取柴油和PODE為基礎(chǔ)燃料：柴油為市售國Ⅵ柴油；PODE，工業(yè)品，淄博津昌助燃材料有限公司產(chǎn)品。將柴油記為P0；在柴油中添加體積分?jǐn)?shù)為10%和20%的PODE，得到混合燃料分別記為P10和P20?；旌先剂戏€(wěn)定、未見渾濁或分層現(xiàn)象。3種燃料的理化性質(zhì)如表2所示。

表2 燃料的理化特性Table 2 Physical and chemical properties of the test fuels

1.3 噴油參數(shù)調(diào)整

實(shí)驗(yàn)燃料均為現(xiàn)場配置使用，用燃油溫控儀將燃油溫度控制在(38±3) ℃；以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1600 r/min、負(fù)荷100%為實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)。首先固定噴油正時(shí)為上止點(diǎn)后0.5 ℃A，調(diào)整噴油壓力分別為80、90和100 MPa；然后固定噴油壓力為80 MPa，調(diào)整噴油正時(shí)為上止點(diǎn)后0.5 ℃A、2.5 ℃A和4.5 ℃A，分別探究不同噴油壓力和噴油正時(shí)對(duì)PODE/柴油混合燃料的燃燒性能、排放特性、顆粒物分布的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料燃燒參數(shù)分析

根據(jù)燃料和空氣混合氣形成特點(diǎn)，將柴油機(jī)燃燒分為預(yù)混燃燒階段和擴(kuò)散燃燒階段。預(yù)混燃燒階段指在滯燃期內(nèi)形成混合氣的燃燒階段；擴(kuò)散燃燒階段為柴油機(jī)的主要燃燒階段，該階段油氣的混合速率控制燃料燃燒的速率。

圖1為在轉(zhuǎn)速1600 r/min、負(fù)荷100%、噴油壓力80 MPa、噴油正時(shí)0.5 ℃A條件下，柴油機(jī)分別燃用P0、P10和P20燃料的缸內(nèi)壓力及放熱率曲線。由圖1可知，隨PODE體積分?jǐn)?shù)的增加，燃料燃燒缸內(nèi)壓力和放熱率峰值有所降低，但缸壓峰值相位有所提前。與P0相比，P20燃燒的缸壓及放熱率峰值分別降低了0.8%和14%，缸壓峰值相位提前了2 ℃A。這主要是由于PODE的十六烷值較高而熱值較低，柴油摻混PODE后，混合燃料的十六烷值提高而熱值降低，使混合燃料自燃溫度降低，滯燃期內(nèi)可燃混合氣的數(shù)量減少，滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)提前，從而致使預(yù)混燃燒比例降低，缸內(nèi)的最大燃燒壓力及放熱率峰值下降。此外，PODE的高含氧特性加快了燃燒速率，氧元素的助燃特性提高了擴(kuò)散燃燒速率，并且PODE良好的揮發(fā)特性[16]有助于形成更均勻的混合氣，改善擴(kuò)散燃燒階段。

圖1 不同PODE體積分?jǐn)?shù)的PODE/柴油混合燃料的缸壓和放熱率Fig.1 In-cylinder pressure and heat release rate of PODE/diesel blends with different PODE volume fractions(a) In-cylinder pressure; (b) Heat release rateLoad: 100%; v=1600 r/min; Injection pressure=80 MPa； Injection timing=0.5 ℃A

2.2 燃料燃燒排放特性

2.2.1 HC和CO排放

柴油機(jī)在燃燒過程中排放的碳?xì)浠衔?HC)，主要指未燃燒的烴類燃料及其不完全燃燒產(chǎn)物、燃料熱裂解或氧化時(shí)生成的HC，包括烷烴、烯烴、芳香烴和醛類、酮類等物質(zhì)[17]。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1600 r/min、負(fù)荷100%、噴油正時(shí)0.5 ℃A條件下，不同噴油壓力時(shí)燃用P0、P10和P20的CO和HC排放結(jié)果。從圖2可以看出：相同噴油壓力下，隨著PODE體積分?jǐn)?shù)的增大，混合燃料燃燒的CO排放下降；隨著噴油壓力的升高，3種燃料燃燒的CO和HC排放均不斷降低；當(dāng)噴油壓力從 80 MPa 增至100 MPa時(shí)，P0、P10和P20燃燒的CO排放分別降低了4.9%、20.9%和30.6%，而HC排放分別降低了8.3%、15.1%和20.6%。這是由于噴油壓力的升高會(huì)加快油滴破碎蒸發(fā)的速率，增加油滴表面與氧的接觸面積，促進(jìn)油氣混合，使預(yù)混燃燒比例增加，改善缸內(nèi)燃燒情況，從而減少因燃燒不完全產(chǎn)生的CO和HC。此外，在噴油壓力為80 MPa時(shí)，P20燃燒的HC排放比P10有所增加，原因在于噴油壓力為80 MPa時(shí)，由于PODE體積分?jǐn)?shù)的增大，P20燃料的揮發(fā)性更強(qiáng)，混合氣更容易竄入燃燒室的縫隙，狹隙效應(yīng)效果更加明顯，造成HC的排放略有上升；而在 90 MPa 和100 MPa情況下，由于噴油壓力的升高對(duì)于HC排放的影響更顯著，狹隙效應(yīng)的影響不明顯。

圖2 不同噴油壓力下的CO和HC排放Fig.2 CO and HC emissions under different injection pressures(a) CO emission； (b) HC emissionLoad: 100%; v=1600 r/min; Injection timing=0.5 ℃A

圖3為在轉(zhuǎn)速1600 r/min、負(fù)荷100%、噴油壓力80 MPa條件下，不同噴油正時(shí)下3種燃料燃燒產(chǎn)生的CO和HC排放對(duì)比。從圖3可以看出：相同噴油正時(shí)下，隨著燃料中PODE含量的增加，燃料燃燒CO排放降低，而HC排放先降低再升高；隨噴油正時(shí)的延遲，3種燃料燃燒的CO和HC排放均不斷增加；相比柴油，P10和P20的增幅較小。當(dāng)噴油正時(shí)由 0.5 ℃A延遲到4.5 ℃A時(shí)，P0、P10和P20燃料燃燒的CO排放分別增加了60%、55.6%和50.9%，HC排放分別增加了8.8%、7%和5.8%。這主要因?yàn)閲娪驼龝r(shí)直接影響缸內(nèi)燃燒的初始溫度和壓力，推遲噴油使得燃燒遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，燃燒缸內(nèi)壓力和溫度降低，滯燃期增加，造成燃燒不充分，從而增加了CO和HC排放；當(dāng)摻混PODE后，燃料的氧含量增加，缸內(nèi)氧自由基濃度升高[18]，從而促進(jìn)缸內(nèi)燃燒，減少了CO和HC排放。但伴隨PODE體積分?jǐn)?shù)的增大，P20燃料的揮發(fā)性增強(qiáng)，狹隙效應(yīng)效果更明顯，導(dǎo)致燃用P20燃料產(chǎn)生的HC排放略高于P10燃料。綜合表現(xiàn)，P10和P20燃料隨噴油正時(shí)的延遲，其CO和HC排放小幅度增長。

圖3 不同噴油正時(shí)下的CO和HC排放Fig.3 CO and HC emissions at different injection timings(a) CO emission; (b) HC emissionLoad: 100%; v=1600 r/min; Injection pressure=80 MPa

2.2.2 NOx和煙度排放

圖4為燃用P0、P10和P20燃料在噴油正時(shí)為0.5 ℃A，不同噴油壓力下產(chǎn)生的NOx和煙度排放。從圖4可以看出：相同噴油壓力下，隨著PODE體積分?jǐn)?shù)的提高，NOx排放增加，而煙度排放降低；隨著噴油壓力的提高，3種燃料的NOx排放均不斷增加，而煙度排放不斷降低。當(dāng)噴油壓力從80 MPa提至100 MPa時(shí)，噴油壓力的提高對(duì)P20燃燒的NOx和煙度排放影響較大，而對(duì)P10燃燒的NOx和煙度的影響相對(duì)較小。在噴油壓力為80 MPa時(shí)，與P0燃料相比，P10燃料燃燒的NOx排放僅增加了2.4%，而煙度卻降低了38.9%。

圖4 不同噴油壓力下的NOx和煙度排放Fig.4 NOx and smoke intensity under different injection pressures(a) NOxemission; (b) Smoke intensityLoad: 100%; v=1600 r/min; Injection timing=0.5 ℃A

根據(jù)澤爾多維奇(Zeldovich)機(jī)理，NOx的生成主要與高溫環(huán)境、富氧燃燒環(huán)境和高溫持續(xù)反應(yīng)時(shí)間有關(guān)[19]。噴油壓力的提高使滯燃期內(nèi)形成的混合油氣增多，使燃燒溫度的升高，導(dǎo)致NOx排放的增加。高溫缺氧是生成碳煙的主要原因，且擴(kuò)散燃燒期為碳煙生成的主要階段。噴油壓力的提高能夠改善燃油霧化效果，提高油氣混合的均勻性，減少缸內(nèi)局部燃油過濃區(qū)域的形成，使燃油燃燒更充分徹底，從而降低煙度排放；PODE分子結(jié)構(gòu)中的C原子以C—O單鍵形式存在，難以發(fā)生形成碳核的加成環(huán)化等反應(yīng)，且亞甲氧基生成的過氧化物(HO2)會(huì)分解成大量OH基[20]，促進(jìn)碳煙的氧化；此外，PODE擁有良好的揮發(fā)特性和較高的含氧量，在較低的噴油壓力下也有較好的霧化效果，減少過濃混合氣的缺氧區(qū)域，從而減少碳煙的生成，有利于煙度排放的降低。綜上可知，噴油壓力的升高，可以有效降低P10燃燒的煙度排放而其NOx排放的增長幅度較小。

圖5為燃用3種燃料在噴油壓力為80 MPa、不同噴油正時(shí)下的NOx和煙度排放。從圖5可以看出，相同噴油正時(shí)下，隨著燃料中PODE含量的增加，燃料燃燒NOx排放不斷升高，而煙度排放均不斷降低。這是由于PODE良好的揮發(fā)性及高含氧量雖然促進(jìn)了缸內(nèi)燃燒，降低了煙度排放，但缸內(nèi)高溫富氧區(qū)域增加，導(dǎo)致?lián)交霵ODE后燃料燃燒的NOx排放升高；同時(shí)由于PODE的熱值較低、汽化潛熱較高，降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，燃料燃燒加快縮短了高溫持續(xù)時(shí)間，使NOx排放降低。綜合作用下，相比P0，P10燃燒的NOx排放增加不明顯，而隨PODE含量增加，其促進(jìn)燃燒、降低煙度、增加NOx排放作用更明顯。

圖5 不同噴油正時(shí)下的NOx和碳煙排放Fig.5 NOx emissions and smoke intensity at different injection timings(a) NOxemission; (b) Smoke intensityLoad: 100%; v=1600 r/min; Injection pressure= 80 MPa

當(dāng)噴油正時(shí)延遲時(shí)，3種燃料燃燒的NOx排放均不斷降低，而煙度排放均不斷增加；原因在于噴油正時(shí)的延遲使得燃燒相位后移，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，且高溫持續(xù)時(shí)間也相應(yīng)縮短[21]，從而降低了NOx排放；此外，由于擴(kuò)散燃燒階段為生成碳煙的主要階段，噴油正時(shí)延遲使得燃燒遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，延長了擴(kuò)散燃燒期；擴(kuò)散燃燒階段是生成碳煙的主要階段,導(dǎo)致煙度排放增加。綜上可知，與P0燃料相比，噴油正時(shí)延遲對(duì)P10燃燃燒的NOx排放降低幅度最大，煙度排放增幅最小。

2.3 顆粒物排放

2.3.1 顆粒物數(shù)量濃度隨粒徑分布

柴油機(jī)排氣顆粒按粒徑大小可劃分為3種類型：核模態(tài)顆粒(5～50 nm)、積聚態(tài)顆粒(50～500 nm) 和粗態(tài)顆粒(500 nm以上)。其中，積聚態(tài)顆粒主要由碳積聚體及其表面吸附物組成；核模態(tài)顆粒主要由揮發(fā)性可溶有機(jī)物及少量硫酸鹽組成[22]。排氣顆粒總數(shù)量濃度由EEPS儀測(cè)定的粒徑小于560 nm微?？倲?shù)計(jì)算。

圖6為噴油正時(shí)為0.5 ℃A、不同噴油壓力下，燃料燃燒排放的顆粒物數(shù)量濃度(dN/dlgDp)隨粒徑的分布。從圖6可以看出：排放顆粒物的數(shù)量濃度隨著PODE體積分?jǐn)?shù)的增加而減少；噴油壓力為100 MPa時(shí)，P10和P20燃燒顆粒物的總顆粒數(shù)量濃度比P0分別降低了40.6%和50.3%；原因在于摻混PODE后燃料的氧含量增加，燃燒速率加快，進(jìn)一步促進(jìn)顆粒的氧化。隨著噴油壓力的提高，各燃料的數(shù)量濃度峰值均不斷降低，且峰值對(duì)應(yīng)粒徑向小粒徑方向偏移。這是因?yàn)閲娪蛪毫Φ奶岣?，減小了燃油噴射油束的索特平均直徑，PODE的霧化特性進(jìn)一步改善，燃燒室內(nèi)的氣流卷吸作用加強(qiáng)，油氣混合質(zhì)量提高，從而使顆粒的生成數(shù)量減少。

圖7為噴油正時(shí)為0.5 ℃A時(shí)，噴油壓力對(duì)不同模態(tài)顆粒數(shù)量濃度占比的影響。由圖7可知，隨著PODE體積分?jǐn)?shù)增加，核態(tài)顆粒占比增多，積聚態(tài)占比減少。隨著噴油壓力的升高，核態(tài)顆粒占比增加，積聚態(tài)顆粒占比顯著降低。與噴油壓力 80 MPa 時(shí)相比，噴油壓力100 MPa時(shí)P0、P10和P20燃燒產(chǎn)生的積聚態(tài)顆粒占比分別減少了4.65、8.73和7.62百分點(diǎn)，核態(tài)顆粒相應(yīng)增加了相同百分點(diǎn)；對(duì)應(yīng)積聚態(tài)顆粒占比降幅分別為5.5%、11.7%、10.8%，核態(tài)顆粒增幅分別為30.9%、34.1%和25.6%。這主要是由于噴油壓力的增加使得霧化的液滴粒徑減小，促進(jìn)均勻混合氣的形成，抑制了碳煙成核及生長過程，從而減少了積聚態(tài)顆粒數(shù)量，并降低了顆粒表面吸附揮發(fā)性物質(zhì)的能力，從而導(dǎo)致核態(tài)顆粒數(shù)量的增加。而PODE分子結(jié)構(gòu)中的碳原子只以C—O鍵形式存在，難以參與生成碳核的加成環(huán)化等反應(yīng)，減少了碳煙前驅(qū)體的生成，抑制碳核的表面生長，從而減少積聚態(tài)顆粒的生成，因此相比于P0燃料，P10與P20的總顆粒數(shù)量濃度均較低。

圖6 不同噴油壓力下的顆粒數(shù)量濃度的粒徑分布Fig.6 Particle number concentrations underdifferent injection pressures(a) P0; (b) P10; (c) P20Load: 100%; v=1600 r/min; Injection timing=0.5 ℃A

圖7 不同噴油壓力下不同模態(tài)顆粒占比(r)Fig.7 Proportion of different particle modes (r) underdifferent injection pressures(a) P0; (b) P10; (c) P20Load: 100%; v=1600 r/min; Injection timing=0.5 ℃A

圖8為噴油壓力80 MPa時(shí)，不同噴油正時(shí)下燃用P0、P10和P20的顆粒物數(shù)量濃度的粒徑分布。從圖8可以看出，隨著噴油正時(shí)的推遲，3種燃料燃燒顆粒物的數(shù)量濃度峰值均不斷升高，仍然呈現(xiàn)單峰分布趨勢(shì)。這主要是由于噴油正時(shí)的推遲，燃燒遠(yuǎn)離曲軸轉(zhuǎn)角上止點(diǎn)，缸內(nèi)壓力和溫度降幅較大，滯燃期延長，導(dǎo)致燃燒等容度的降低，不利于積聚態(tài)顆粒的氧化，導(dǎo)致其數(shù)量增加，總顆粒物數(shù)量增加。

圖8 不同噴油正時(shí)下的顆粒物數(shù)量濃度的粒徑分布Fig.8 Particle number concentration atdifferent injection timings(a) P0; (b) P10; (c) P20Load: 100%; v=1600 r/min; Injection pressure=80 MPa

圖9為噴油壓力80 MPa時(shí)，噴油正時(shí)延遲對(duì)不同模態(tài)顆粒數(shù)量濃度占比的影響，從圖9可知：隨著PODE摻混比的增加，核態(tài)顆粒占比增加，積聚態(tài)顆粒占比減少；隨著噴油正時(shí)的延遲，積聚態(tài)顆粒占比不斷增加，而核態(tài)顆粒占比相應(yīng)減少；與噴油正時(shí)為0.5 ℃A時(shí)相比，噴油正時(shí)為4.5 ℃A時(shí)P0、P10和P20燃燒的積聚態(tài)顆粒占比分別增加了5.41、9.61和11.67百分點(diǎn)，核態(tài)顆粒相應(yīng)分別降低了相同百分點(diǎn)；對(duì)應(yīng)積聚態(tài)顆粒占比增幅分別為6.4%、12.9%和16.6%，核態(tài)顆粒降幅分別為36.0%、37.6%和39.2%。這主要是由于延遲噴油正時(shí)相應(yīng)的增加了燃燒持續(xù)期，使得顆粒間的碰撞凝并時(shí)間變長，形成較多的積聚態(tài)顆粒，而核態(tài)顆粒數(shù)量相對(duì)減少；且PODE的加入會(huì)在燃燒過程中生成較多活性基團(tuán)，使得核模態(tài)顆粒數(shù)量增加，并增強(qiáng)了顆粒間的碰撞、凝并及團(tuán)聚過程，從而使得積聚態(tài)顆粒占比隨噴油正時(shí)延遲而進(jìn)一步提高，而相應(yīng)的核態(tài)顆粒得到有效的抑制。

圖9 不同噴油正時(shí)下不同模態(tài)顆粒占比(r)Fig.9 Proportion of different particle modes (r)at different injection timings(a) P0; (b) P10; (c) P20Load: 100%; v=1600 r/min; Injection pressure=80 MPa

2.3.2 燃燒顆粒物的平均直徑

為了表征燃料燃燒排放顆粒物的大小，引入顆粒的幾何平均直徑(GMD)，由式(1)計(jì)算[23]：

(1)

式(1)中:N為顆粒的數(shù)量；Dp為顆粒的直徑，nm。由式(1)可知，排氣中小粒徑顆粒的占比越高，則顆粒的幾何平均直徑越小。

圖10為噴油正時(shí)0.5 ℃A時(shí)，不同噴油壓力下P0、P10和P20燃燒排氣顆粒的幾何平均直徑。從圖10可以看出，隨噴油壓力和PODE體積分?jǐn)?shù)的增加，顆粒的幾何平均直徑均不斷減小，說明排氣中的小粒徑顆粒數(shù)量占比隨噴油壓力和PODE體積分?jǐn)?shù)增加而增加，與噴油壓力升高核態(tài)顆粒占比增加的結(jié)論一致。此外，相比于提升噴油壓力，PODE體積分?jǐn)?shù)對(duì)于排氣顆粒粒徑減小幅度的影響更大，說明含氧燃料可以提高顆粒物表面活性，促進(jìn)積聚態(tài)顆粒物的氧化。

圖10 不同噴油壓力下的顆粒幾何平均直徑Fig.10 Particle geometric mean diameters underdifferent injection pressuresLoad: 100%; v=1600 r/min; Injection timing=0.5 ℃A

圖11為噴油壓力80 MPa時(shí)，不同噴油正時(shí)下3種燃料燃燒顆粒物的幾何平均直徑。從圖11可以看出，隨著噴油正時(shí)的延遲，3種燃料燃燒顆粒物的幾何平均直徑均不斷增大，主要原因在于噴油正時(shí)的延遲使燃燒相位后移、燃燒溫度降低，導(dǎo)致碳煙氧化速率降低，積聚態(tài)顆粒物增加，使得顆粒的幾何平均直徑不斷增大。當(dāng)噴油正時(shí)由0.5 ℃A推遲到4.5 ℃A時(shí)，P0、P10和P20燃燒排氣顆粒物的幾何平均直徑分別增加了23%、11.5%和15%，表明噴油正時(shí)的延遲對(duì)P10燃料排氣顆粒的幾何平均直徑的影響最小。

圖11 不同噴油正時(shí)下的顆粒幾何平均直徑Fig.11 Particle geometric mean diameters atdifferent injection timingsLoad: 100%; v=1600 r/min; Injection pressure=80 MPa

3 結(jié) 論

(1)PODE/柴油混合燃料的可燃性明顯優(yōu)于柴油，能夠有效地改善柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒過程，降低CO、HC和煙度排放，但NOx排放有所增加，顆粒物的總數(shù)量濃度峰值顯著降低，核態(tài)顆粒占比增大，積聚態(tài)顆粒占比減小，顆粒的幾何平均直徑不斷減小。

(2)噴油壓力提高有助于降低P0、P10和P20 3種燃料燃燒CO、HC、煙度的排放和顆粒物的數(shù)量濃度峰值，但NOx排放有所增加，其中對(duì)P10的NOx和煙度排放影響最?。粐娪驼龝r(shí)延遲可以降低混合燃料燃燒的NOx排放，但CO、HC、煙度排放和顆粒物的數(shù)量濃度峰值升高。與柴油相比，隨著噴油壓力的升高和噴油正時(shí)的提前，燃用PODE/柴油混合燃料產(chǎn)生的顆粒物數(shù)量峰值濃度對(duì)應(yīng)的粒徑向小粒徑方向移動(dòng)，且?guī)缀纹骄睆骄粩鄿p少。