聚甲氧基二甲醚-甲醇混合燃料的燃燒與排放特性研究

劉軍恒，楊 軍，周海磊，孫 平，嵇 乾，趙 廉

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013; 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061)

0 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)汽車保有量逐年增長(zhǎng)，給人們帶來便利的同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成污染。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中主要包括氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)、顆粒物(particulate matter, PM)等有害物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響[1]，因此需要對(duì)汽車尾氣排放物進(jìn)行限制。目前，中國(guó)的排放法規(guī)已升級(jí)到國(guó)六階段，收緊了排放物限值，這對(duì)尾氣凈化提出了更加嚴(yán)苛的要求。

降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放的方法主要有新型燃燒方式、清潔替代燃料及尾氣后處理技術(shù)。考慮到中國(guó)富煤少氣的能源結(jié)構(gòu)，煤基燃料成為了中國(guó)清潔替代燃料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]。煤基燃料主要包含甲醇、二甲醚、聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers, PODE)及煤合成(Fischer-Tropsch)柴油，其中甲醇和PODE因?yàn)楹趿枯^高的特點(diǎn)，應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中可有效改善缸內(nèi)燃燒從而降低排放[4-5]，成為諸多學(xué)者研究的對(duì)象。甲醇作為最簡(jiǎn)單的飽和一元醇，分子中只含一個(gè)碳原子，含氧量高達(dá)50%，其辛烷值較高的特性有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。甲醇的汽化潛熱較高，它的加入會(huì)使得缸內(nèi)溫度降低，從而有助于降低NOx排放[6]，雖然會(huì)造成HC、CO排放增加[7]，但可以通過柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation converter, DOC)有效去除。PODE分子式為CH3(CH2O)nCH3，當(dāng)聚合度n為2～4時(shí)，物理性質(zhì)與柴油相當(dāng)。PODE具有高十六烷值、高含氧量的特點(diǎn)，且不含C—C鍵，通常作為柴油添加劑使用[8]。目前，PODE主要由廉價(jià)的工業(yè)級(jí)原料甲醇、甲醛及甲縮醛合成，經(jīng)過分離提純后濃度可達(dá)95%以上，成本較為低廉。

現(xiàn)階段甲醇和PODE燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用以雙燃料燃燒方式為主[9-10]，大多需要與柴油配合使用，而使用中完全脫離柴油的研究鮮有報(bào)道。PODE因與柴油的著火性質(zhì)相似，它可以直接應(yīng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，這為PODE和甲醇燃料的摻混使用創(chuàng)造了可能。根據(jù)相似相溶原理，甲醇與PODE可以互溶，且甲醇的十六烷值低，PODE的十六烷值比柴油高，這兩種燃料混合制備出燃油的十六烷值與柴油相當(dāng)，可滿足柴油機(jī)的正常工作條件，因此將這兩種燃料通過摻混的方法應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中具備可行性。

為了研究PODE-甲醇混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒和排放特性的影響，將甲醇按體積比為0、10%、20%、30%摻混到純PODE中制備出4種不同甲醇比例的PODE-甲醇混合燃料。在一臺(tái)4缸電控共軌發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，利用燃燒分析儀和排放測(cè)量設(shè)備定量地分析了甲醇比例對(duì)燃燒過程、常規(guī)排放物及非常規(guī)排放物的影響規(guī)律，從而為煤基替代燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。圖1為試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖，采用湘儀CAC250型電力測(cè)功機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩恒定，從而獲得需要的試驗(yàn)工況。缸內(nèi)壓力由KISTLER 6052C型缸壓傳感器測(cè)量，每個(gè)工況采集200個(gè)循環(huán)的壓力信號(hào)計(jì)算平均值并經(jīng)KISTLER 5011型電荷放大器放大，由AVL燃燒分析儀進(jìn)行分析計(jì)算。排氣煙度采用AVL 415S濾紙式煙度計(jì)測(cè)量，常規(guī)氣體排放采用HORIBA MEXA-7200D型排氣分析測(cè)量，非常規(guī)排放甲醛和NO2采用AVL SESAM i60FT傅里葉紅外光譜儀(Fourier transform infrared, FTIR)測(cè)量。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗(yàn)燃油

為研究混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，選用甲醇和PODE為基礎(chǔ)燃油，兩種燃料及柴油的物性參數(shù)如表2所示。甲醇和PODE均屬于有機(jī)物，依據(jù)相似相溶原理，它們可以按任意比例混合。文獻(xiàn)[11]中研究表明，甲醇小比例加入時(shí)可以增加預(yù)混燃燒量，改善缸內(nèi)燃燒和排放，但當(dāng)甲醇比例過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定甚至失火[12]。為保證試驗(yàn)安全和燃油經(jīng)濟(jì)性，甲醇的摻混比例不宜過高。試驗(yàn)中按甲醇體積比為0、10%、20%、30%分別摻混到純PODE中制備出PODE-甲醇混合燃料，并分別標(biāo)記為M0、M10、M20、M30。

表2 試驗(yàn)燃料物性參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中僅改變了燃料的性質(zhì)，并未調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將制好的燃料直接添加入油箱中，采用原機(jī)的供油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選取為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 800 r/min，分別燃用M0、M10、M20、M30，測(cè)量并分析甲醇比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響。試驗(yàn)開始之前，對(duì)各儀器分別進(jìn)行標(biāo)定以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)中首先燃用M30進(jìn)行轉(zhuǎn)矩標(biāo)定，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的負(fù)荷確定試驗(yàn)工況點(diǎn)，通過平均有效壓力(brake mean effective pressure, BMEP)來衡量負(fù)荷的大小，最終將BMEP為0.376 MPa、0.486 MPa和0.605 MPa工況分別定義為低、中、高負(fù)荷3個(gè)試驗(yàn)工況。試驗(yàn)過程中，調(diào)整燃料后發(fā)動(dòng)機(jī)先穩(wěn)定運(yùn)行5 min，排除管路中殘留燃料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的干擾。每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行1 min后記錄數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)記錄3次并取平均值，以減小試驗(yàn)誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 甲醇體積比對(duì)燃燒特性的影響

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，不同負(fù)荷缸內(nèi)壓力和放熱率曲線隨著甲醇體積比的變化規(guī)律如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，各負(fù)荷缸內(nèi)壓力曲線均呈雙峰分布，隨著甲醇體積比增加，燃燒壓力逐漸降低，低負(fù)荷時(shí)尤為顯著。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻在中低負(fù)荷工況下較遲，燃料進(jìn)入氣缸后先與缸內(nèi)充量混合形成混合氣，隨后才進(jìn)入燃燒階段，因此缸壓曲線第一個(gè)峰為壓縮峰，第二個(gè)峰為燃燒峰，燃燒過程發(fā)生在上止點(diǎn)后(after top dead center, ATDC)。甲醇作為汽化潛熱較大的燃料，進(jìn)入氣缸后汽化吸熱會(huì)造成缸內(nèi)溫度下降。根據(jù)阿雷尼烏斯公式可知，溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響較大[13]，缸內(nèi)溫度的降低使燃燒速率受到限制，故缸內(nèi)壓力較燃用純PODE時(shí)低。隨著混合燃料中甲醇體積比的增加，甲醇的降溫效果逐漸增大，缸內(nèi)溫度逐漸降低，缸內(nèi)壓力也隨之降低。與純PODE相比，低負(fù)荷時(shí)燃用M10、M20、M30燃料的燃燒壓力峰值分別降低了0.21 MPa、0.56 MPa、0.90 MPa。

圖2 不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

從放熱率曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，甲醇的加入使得各負(fù)荷下放熱率始點(diǎn)推遲，滯燃期逐漸延長(zhǎng)。中低負(fù)荷時(shí)甲醇體積比的增加使放熱率峰值先增加后減小，與燃用純PODE相比，低負(fù)荷下燃用M30的放熱率峰值降幅為46.1%，中負(fù)荷下燃用M20的放熱率峰值增幅為17.2%；高負(fù)荷下甲醇的加入使得放熱率峰值逐漸升高。這是由于PODE的十六烷值較高，而甲醇的則較低，因此甲醇的加入會(huì)使得混合燃料的十六烷值逐漸降低，而滯燃期在很大程度上取決于燃料的十六烷值，且甲醇對(duì)燃料著火具有抑制作用[14]，故滯燃期逐漸延長(zhǎng)。高負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較高，燃燒反應(yīng)過程受甲醇的影響較小，滯燃期延長(zhǎng)使得燃料有充足的時(shí)間形成均質(zhì)混合氣，燃燒過程中預(yù)混燃燒量增加，使放熱率曲線峰值逐漸增加。中低負(fù)荷下，當(dāng)甲醇體積比較小時(shí)，甲醇的加入使放熱率峰值略有升高，當(dāng)甲醇體積比進(jìn)一步增加時(shí)，更多的甲醇進(jìn)入氣缸使缸內(nèi)溫度大幅下降，化學(xué)反應(yīng)速率變慢，且不完全燃燒比例增加，使放熱率明顯下降。

圖3為1 800 r/min時(shí)不同負(fù)荷下混合燃料對(duì)燃燒持續(xù)期和燃燒重心(CA50)的影響規(guī)律。當(dāng)甲醇體積比小于20%時(shí)，各負(fù)荷下混合燃料的燃燒持續(xù)期均縮短。這是由于甲醇添加使得混合燃料十六烷值降低，滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)形成更加均勻的混合氣，預(yù)混燃燒速率增加。當(dāng)甲醇體積比達(dá)到30%時(shí)，混合燃料十六烷值進(jìn)一步降低，著火性能明顯降低，燃燒始點(diǎn)推遲，中低負(fù)荷下因甲醇體積比的升高缸內(nèi)溫度進(jìn)一步惡化，燃燒緩慢，這些因素共同導(dǎo)致了燃燒持續(xù)期的延長(zhǎng)和CA50相位推遲。高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度較高且甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，加速了燃燒進(jìn)程[15]，因此燃燒持續(xù)期縮短。甲醇的汽化吸熱降低了缸內(nèi)溫度，CA50在缸內(nèi)溫度較低的低負(fù)荷工況下推遲，而在缸內(nèi)溫度較高的中高負(fù)荷工況下因預(yù)混燃燒量的增加而提前。

圖3 不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)燃燒持續(xù)期和CA50的影響

2.2 甲醇比例對(duì)常規(guī)排放的影響

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，甲醇體積比對(duì)NOx排放的影響規(guī)律如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)PODE摻燒甲醇能降低NOx排放，且在高負(fù)荷工況下下降趨勢(shì)最為明顯，與純PODE相比，M30的NOx排放下降了28.1%。

圖4 不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)NOx排放的影響

影響NOx生成的因素主要有：高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間。由于甲醇的含氧量與PODE的大致相同，因此甲醇體積比的變化對(duì)混合燃料含氧量的影響不大。甲醇作為汽化潛熱較大的燃料，進(jìn)入氣缸后會(huì)降低缸內(nèi)溫度，抑制了NOx的生成[16]。高負(fù)荷工況下缸內(nèi)溫度較高，甲醇的大量摻燒會(huì)使得缸內(nèi)溫度急速降低，NOx排放量明顯下降。當(dāng)甲醇體積比達(dá)到30%時(shí)，雖然滯燃期的延長(zhǎng)使得預(yù)混燃燒量增加，預(yù)混燃燒過程中的放熱量增多，但放熱過程集中在上止點(diǎn)后且CA50滯后，燃燒條件較差，因而NOx生成量下降。在中低負(fù)荷工況下，較低的缸內(nèi)溫度使NOx排放量較低，甲醇的汽化吸熱使得缸內(nèi)溫度進(jìn)一步惡化，燃燒反應(yīng)過程滯后且緩慢，因而NOx排放也降低。

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min且發(fā)動(dòng)機(jī)燃用PODE-甲醇混合燃料時(shí)HC和CO排放的對(duì)比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，燃用純PODE時(shí)HC和CO排放量均較小，而隨甲醇比例的增加，HC和CO排放量呈上升趨勢(shì)。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的HC和CO排放來自于燃燒過程，燃料的不完全燃燒是HC和CO生成的主要原因。PODE燃料十六烷值高，著火性能好且自身含氧量較高，這些有利因素優(yōu)化了缸內(nèi)燃燒，緩解了局部缺氧的狀況[17]，故HC和CO排放量較低。隨著甲醇的摻混，混合燃料十六烷值下降，滯燃期延長(zhǎng)使燃燒滯后，且甲醇的汽化吸熱使得缸內(nèi)溫度下降，燃燒過程惡化，因此HC和CO排放增加。摻燒甲醇對(duì)不同負(fù)荷下HC和CO排放的影響程度不同，其中HC排放在中低負(fù)荷下隨甲醇比例的變化顯著，M30的HC排放在低負(fù)荷下超過3 000×10-6；而CO排放在中高負(fù)荷下增幅較大，與純PODE相比，M30的CO排放均增加了10倍以上。這是由于當(dāng)混合燃料中甲醇比例較大時(shí)，缸內(nèi)溫度降幅較大，過低的缸內(nèi)溫度使得未能充分燃燒的燃油量變多，HC排放迅速增加，在缸內(nèi)溫度較低的中低負(fù)荷下尤其明顯。在低負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)基本是在過量空氣系數(shù)大于1.5的稀混合氣下工作，氧氣相對(duì)充足，燃燒充分，CO排放少。當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，缸內(nèi)混合氣局部較濃，造成了缸內(nèi)局部缺氧的情況，燃料中C原子不能完全氧化成CO2，轉(zhuǎn)化成不完全氧化產(chǎn)物CO，這使得燃用PODE-甲醇混合燃料時(shí)CO排放較高。

圖5 不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)HC和CO排放的影響

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)濾紙煙度的影響規(guī)律如圖6所示。從圖中可見，隨著甲醇體積比的增加，各負(fù)荷下濾紙煙度均呈先減小后增大的趨勢(shì)，且負(fù)荷越大，煙度越小。這是由于甲醇的運(yùn)動(dòng)黏度較小，添加到PODE中會(huì)使混合燃料黏度降低，且甲醇的揮發(fā)性較好，混合燃料在氣缸中更容易蒸發(fā)霧化[18]，有利于燃料與空氣的混合，降低空燃比的不均勻性。當(dāng)甲醇體積比較小時(shí)，混合燃料十六烷值的降低使得滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)混合氣混合更加均勻，局部過濃區(qū)域減少，碳煙的排放降低。當(dāng)甲醇體積比增加到30%時(shí)，甲醇的汽化吸熱使得缸內(nèi)溫度大幅下降，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，碳煙生成量增加，煙度升高。

圖6 不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)濾紙煙度的影響

2.3 甲醇體積比對(duì)非常規(guī)排放的影響

圖7展示了不同工況下甲醇體積比對(duì)排氣中NO2及其在NOx中占比的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著混合燃料中甲醇比例的升高，各負(fù)荷下排氣中NO2濃度逐漸增加，NOx中NO2比例(記為NO2/NOx比)升高，其中低負(fù)荷時(shí)M30的NO2排放量和NO2/NOx比值與純PODE相比增幅分別為65%和107%。NOx的主要成分是NO和NO2，當(dāng)甲醇加入后，甲醇氧化過程中生成的HO2具有強(qiáng)氧化性，使NO轉(zhuǎn)化為NO2[19]。中低負(fù)荷工況下，缸內(nèi)溫度較高負(fù)荷時(shí)低，甲醇的氧化過程中生成更多HO2[20]，加速了NO的氧化，有更多的NO轉(zhuǎn)化為NO2，且甲醇的加入導(dǎo)致NOx總濃度下降，故NO2/NOx比值較高負(fù)荷工況高。此外，甲醇的加入使得缸內(nèi)溫度降低，為NO向NO2的轉(zhuǎn)化提供了低溫條件，故NO2/NOx比值均隨著甲醇體積比增大而升高。

圖7 不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)NO2排放及NO2/NOx比的影響

圖8 不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)甲醛排放的影響

隨著甲醇的加入，甲醇較高汽化潛熱的性質(zhì)使得缸內(nèi)低溫區(qū)域增加，為甲醇和PODE的不完全燃燒提供了條件，且未燃甲醇進(jìn)入排氣管后會(huì)降低排氣溫度，加速了甲醇的低溫氧化[21]，故甲醇的摻燒導(dǎo)致甲醛排放有所上升。在高負(fù)荷時(shí)由于較高的缸內(nèi)燃燒溫度及排氣溫度，甲醇的影響較小，因而隨著混合燃料中甲醇體積比上升，甲醛排放只少量增加。在中低負(fù)荷工況，缸內(nèi)溫度和排氣溫度較低，甲醇的加入使得缸內(nèi)燃燒進(jìn)一步惡化，加劇了甲醇的低溫氧化和不完全燃燒，從而導(dǎo)致甲醛的排放迅速增加。

3 結(jié)論

(1)隨著甲醇體積比的增大，PODE-甲醇混合燃料缸內(nèi)燃燒壓力逐漸降低；各負(fù)荷下放熱率始點(diǎn)均推遲，中低負(fù)荷時(shí)放熱率峰值先增大后減小，而高負(fù)荷時(shí)放熱率峰值逐漸升高。

(2)純PODE中摻混甲醇使中低負(fù)荷的燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)，甲醇體積比20%時(shí)為拐點(diǎn)，高負(fù)荷的燃燒持續(xù)期將縮短；摻燒甲醇使各負(fù)荷下CA50推遲。

(3)純PODE中摻混甲醇可以降低NOx排放，在高負(fù)荷工況下M30的NOx排放較純PODE降低28.1%。隨甲醇體積比的增加，各負(fù)荷下混合燃料的HC和CO排放量均呈上升趨勢(shì)，而濾紙煙度先減小后增大。

(4)摻燒甲醇使尾氣中甲醛排放量逐漸上升，在低負(fù)荷工況下上升趨勢(shì)更明顯；混合燃料燃燒NOx排放中的NO2占比明顯高于純PODE燃燒。