摻混PODEn對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

任爍今，張?明，郭?勇，顏?燕，王?志，王建昕

摻混PODE對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

任爍今1，張?明1，郭?勇1，顏?燕1，王?志2，王建昕2

(1. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2. 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

聚甲氧基二甲醚(PODE)是一種潛力巨大的新型無(wú)毒替代燃料．本文在一臺(tái)重型多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了柴油摻混PODE對(duì)汽柴油雙燃料燃燒與排放特性影響的試驗(yàn)研究，并采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)三維仿真模擬對(duì)燃燒過(guò)程及影響機(jī)理進(jìn)行了分析．PODE占直噴燃油的體積分?jǐn)?shù)選為0、10%和20%．試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著PODE摻混比例的升高，直噴燃料的十六烷值上升，導(dǎo)致燃燒相位前移，滯燃期縮短，燃燒效率有所升高，NO排放稍有增加，而碳煙、THC和CO排放則明顯下降．模擬結(jié)果表明，隨著PODE比例的升高，NO排放隨著缸內(nèi)高溫燃燒區(qū)域以及燃料含氧量的增加而稍有增加，而對(duì)碳煙、THC和CO排放的氧化速率升高．

聚甲氧基二甲醚；雙燃料；模擬；重型多缸機(jī)；替代燃料

隨著全球能源危機(jī)日益加劇以及內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)逐漸嚴(yán)格，先進(jìn)燃燒模式成為近幾年內(nèi)燃機(jī)研究的重點(diǎn)之一．汽柴油雙燃料模式能夠同時(shí)融合汽油和柴油的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效低排燃燒．近些年，國(guó)內(nèi)外圍繞雙燃料模式進(jìn)行了大量研究．

活性控制壓燃(reactivity controlled compression ignition，RCCI)燃燒，由美國(guó)威斯康星大學(xué)Kokjohn等于2009年[1]提出，隨后他們針對(duì)RCCI燃燒開(kāi)展了大量臺(tái)架試驗(yàn)、模擬計(jì)算和可視化研究，在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注．RCCI是一種使用至少兩種不同活性的燃料在缸內(nèi)混合，并利用多次噴射策略和合理的EGR率控制缸內(nèi)活性來(lái)優(yōu)化燃燒相位、持續(xù)期和幅度，從而獲得高熱效率和低NO和碳煙排放的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)[2]．相關(guān)研究結(jié)果表明[3]，相對(duì)于傳統(tǒng)柴油機(jī)，RCCI燃燒能夠大幅度提升熱效率，并實(shí)現(xiàn)NO和碳煙的近零排放．RCCI燃燒的最高總熱效率可以接近60%[4]．

清華大學(xué)王建昕等人提出的均質(zhì)混合氣引燃(homogeneous charge induced ignition，HCII)燃燒模式[5-6]同時(shí)使用理化特性差別較大的兩種燃料，由進(jìn)氣道噴射高辛烷值燃料(如汽油)形成均質(zhì)混合氣，在壓縮上止點(diǎn)附近缸內(nèi)直噴高十六烷值燃料(如柴油)引燃缸內(nèi)混合氣．相比傳統(tǒng)汽油火花點(diǎn)燃模式，HCII燃燒可以使用高壓縮比，柴油多點(diǎn)自燃引燃面積大，燃燒放熱速度快，燃燒等容度高，可以實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，因此有效地解決了導(dǎo)致汽油機(jī)熱效率低的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，能夠提高汽油機(jī)的熱效率，提升汽油燃料的能量利用率．相比傳統(tǒng)柴油壓燃模式，HCII燃燒中的汽油均質(zhì)混合氣增加了缸內(nèi)預(yù)混燃燒的比例，降低了柴油擴(kuò)散燃燒的比例，使得氮氧化物(NO)和碳煙排放隨之大幅度降低，降低了對(duì)后處理系統(tǒng)的要求，有可能降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本．

聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE)是一種潛力巨大的新型無(wú)毒替代燃料．PODE表示一組以CH3O(CH2O)CH3為分子式的醚類燃料聚合物，代表聚合度．從分子式中可以看出，不同于常見(jiàn)碳?xì)淙剂系姆肿?，PODE中只包含C—O鍵，而不包含C—C鍵，所以PODE在燃燒過(guò)程中極難生成C2H2和PAH等碳煙前驅(qū)物．PODE的氧含量高達(dá)40%～50%．不含C—C鍵和極高的含氧量使得PODE燃燒過(guò)程的碳煙生成量非常低．在不同聚合度的PODE中，PODE1的十六烷值過(guò)低，PODE2的閃點(diǎn)過(guò)低不滿足安全性要求，PODE5和PODE6的熔點(diǎn)過(guò)高導(dǎo)致容易在低溫條件下析出．只有PODE3和PODE4和它們的混合物(PODE3-4)的沸點(diǎn)范圍為156～202℃，揮發(fā)性介于柴油和汽油的餾程范圍之間，二者的十六烷值也相對(duì)較高，且能以任意比例溶于汽油和柴油．Burger等[7]的研究結(jié)果表明，PODE3-4能夠直接與柴油混合并應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，且無(wú)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)．因此，PODE3-4是更為理想的替代燃料選擇，也是目前國(guó)際上PODE領(lǐng)域的主要研究對(duì)象．

目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)PODE年產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)別的生產(chǎn)工藝[8]，生產(chǎn)成本接近柴油．以甲醇為原料來(lái)制備PODE，甲醇是煤化工的重要產(chǎn)品，考慮到國(guó)內(nèi)富煤貧油少氣的現(xiàn)狀，將PODE應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)燃料能夠很好地調(diào)節(jié)國(guó)內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)[9]．

2012年意大利埃尼公司Pellegrini等[10]的研究結(jié)果表明，在柴油中加入PODE能夠明顯增加碳煙的氧化速率，使用12.5% PODE/87.5%柴油的混合燃料能夠降低40%的碳煙排放，使用50% PODE/50%柴油的混合燃料能夠?qū)崿F(xiàn)NO、碳煙和燃燒噪聲的同時(shí)降低．劉浩業(yè)等[11-12]對(duì)比研究了純柴油、汽油/柴油混合燃料、汽油/柴油/PODE混合燃料的燃燒和排放特性，發(fā)現(xiàn)汽油/柴油/PODE混合燃料能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的NO和碳煙排放trade-off關(guān)系．

2017年天津大學(xué)王滸等[13]在一臺(tái)重型單缸機(jī)上進(jìn)行了全負(fù)荷范圍內(nèi)的汽油均質(zhì)混合氣PODE引燃試驗(yàn)研究．通過(guò)采用進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)的策略，適當(dāng)降低中高負(fù)荷的有效壓縮比，能夠?qū)⑵途|(zhì)混合氣PODE引燃燃燒模式的工況范圍拓展至全負(fù)荷．

由于PODE燃燒過(guò)程中的碳煙生成量較低，若能將PODE與柴油摻混，作為雙燃料燃燒中使用的直噴燃料，則有可能進(jìn)一步改善雙燃料燃燒在中高負(fù)荷時(shí)的燃燒和排放特性．目前相關(guān)研究仍鮮有報(bào)道．本文在一臺(tái)產(chǎn)品級(jí)重型多缸機(jī)上開(kāi)展了柴油摻混PODE對(duì)雙燃料燃燒與排放特性的試驗(yàn)研究，并采用耦合有化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的三維CFD仿真模擬對(duì)燃燒過(guò)程及影響機(jī)理進(jìn)行了分析．驗(yàn)證了將PODE應(yīng)用于雙燃料燃燒的可行性及效果．

1?試驗(yàn)設(shè)備與方法

本文所采用的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)六缸柴油機(jī)改造而成，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示．在每缸的進(jìn)氣歧管都安裝了相同的汽油噴油器(德?tīng)柛J01387-11B1四孔噴油器)．試驗(yàn)中通過(guò)低壓共軌將汽油噴射壓力固定在0.6MPa，每循環(huán)的汽油噴射時(shí)刻固定在-320°CA，并在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉前結(jié)束噴射，從而確保缸內(nèi)形成汽油均質(zhì)混合氣．柴油噴射系統(tǒng)為原機(jī)自帶的高壓共軌系統(tǒng)，軌壓范圍10～200MPa．

圖1?發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)

表1?發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

Tab.1?Engine specifications

除了使用原機(jī)電控單元(ECU)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)之外，試驗(yàn)中還采用了一套開(kāi)放式電子控制系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以靈活控制柴油的噴射壓力、噴射時(shí)刻、噴射脈寬和噴射次數(shù)(最多5次)，汽油的噴射時(shí)刻和噴射脈寬，以及進(jìn)氣增壓壓力和廢氣再循環(huán)(EGR)率．

試驗(yàn)過(guò)程中選取靠近皮帶輪的第1缸作為代表進(jìn)行燃燒特性分析，缸內(nèi)壓力采集采用Kistler 6052C壓力傳感器，燃燒分析采用邦曼公司的CA3002B型燃燒分析儀．每個(gè)工況點(diǎn)的采樣循環(huán)數(shù)均大于50，采樣間隔為0.1°CA．試驗(yàn)中各主要參數(shù)定義如下：CA10、CA50、CA90為10%、50%、90%累積放熱量時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；滯燃期為柴油主噴時(shí)刻至CA10之間的曲軸轉(zhuǎn)角；燃燒持續(xù)期為CA10至CA90之間的曲軸轉(zhuǎn)角；循環(huán)波動(dòng)率為指示平均壓力(IMEP)的循環(huán)波動(dòng)．

試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)氣溫度控制為25℃，進(jìn)氣濕度控制在(50±2)%，冷卻水溫度控制在(85±2)℃．常規(guī)氣態(tài)排放物(NO、CO和THC)測(cè)量采用AVL公司的CEB-II排氣分析儀．碳煙排放質(zhì)量測(cè)量采用AVL公司的SPC 472顆粒分流稀釋采集系統(tǒng)．

試驗(yàn)中使用的燃油分別為北京市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的0#柴油和95#汽油，以及山東玉皇公司生產(chǎn)的PODE，主要成分為PODE3，不同聚合度組分質(zhì)量比例為PODE2：PODE3：PODE4＝2.5%：88.9%：8.5%，燃料特性如表2所示．本文中汽油比例為汽油占總?cè)加拖牡哪芰勘龋?/p>

表2?燃油特性

Tab.2?Fuel properties

2?數(shù)值模擬方法

本文的三維CFD仿真模擬采用CONVERGE開(kāi)展，CONVERGE是一款新型高效商業(yè)化熱流體分析軟件．所模擬計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)為本文介紹的重型柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器采用8個(gè)均布的噴孔．因此為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，計(jì)算域選取45°的扇形域，如圖2所示．采用余隙補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢⑷紵抑懈鞣N的縫隙簡(jiǎn)化為補(bǔ)償體積，附加在活塞上．

圖2?數(shù)值模擬的計(jì)算域

正交網(wǎng)格的基礎(chǔ)網(wǎng)格大小設(shè)置為各向2mm，能夠兼顧模擬計(jì)算的高效性和準(zhǔn)確性．采用自適應(yīng)和嵌入式兩種網(wǎng)格加密技術(shù)，各自的加密方式如表3所示．其中加密級(jí)別表示能夠達(dá)到的最小網(wǎng)格的大小為基礎(chǔ)網(wǎng)格的1/2，例如，自適應(yīng)網(wǎng)格加密的加密級(jí)別為3，則表示通過(guò)這種加密方式能夠達(dá)到的最小網(wǎng)格的大小為2×1/23＝0.25mm．自適應(yīng)網(wǎng)格加密的判定標(biāo)準(zhǔn)為，如果相鄰網(wǎng)格間的速度梯度大于2m/s或溫度梯度大于5K，則相應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格縮小為原來(lái)的1/2，直到速度梯度和溫度梯度小于閾值或達(dá)到最小的網(wǎng)格大?。?jì)算過(guò)程中最大網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為100000.

表3?計(jì)算網(wǎng)格加密的設(shè)置

Tab.3?Settings of refined computational grid

自動(dòng)加密后的網(wǎng)格如圖3所示，可以看出，邊界區(qū)域和油束所在圓錐區(qū)域都得到了嵌入式的固定加密，而自適應(yīng)網(wǎng)格加密區(qū)域?qū)?yīng)于高溫度區(qū)域(火焰前鋒面)和高流速區(qū)域(噴束)．

本章模擬計(jì)算中所采用數(shù)理模型見(jiàn)表4，其中PODE化學(xué)機(jī)理采用Ren等開(kāi)發(fā)的PRF-PODE3簡(jiǎn)化機(jī)理[14]．值得注意的是，本文碳煙模型采用的是Hiroyasu-NSU經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)碳煙的生成和氧化速率來(lái)計(jì)算碳煙的凈生成量．而試驗(yàn)過(guò)程中采用的SPC 472顆粒采集系統(tǒng)采集的是包括碳煙、可溶性有機(jī)物、硫酸鹽等成分在內(nèi)的顆粒物．由于碳煙是顆粒物的主要成分，本文不予區(qū)分，統(tǒng)稱為碳煙，模擬結(jié)果也僅用于定性分析．

圖3?自適應(yīng)和嵌入式網(wǎng)格加密(5°CA時(shí)刻)

表4?模擬計(jì)算所采用的數(shù)理模型

Tab.4?Models used in the simulation

模擬計(jì)算開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間分別為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻(-154°CA)和排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻(125°CA)，未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過(guò)程．模擬結(jié)果中的THC排放包含了排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻缸內(nèi)的所有未燃碳?xì)淙剂希?/p>

3?結(jié)果及分析

3.1?試驗(yàn)研究

試驗(yàn)選取歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(ESC)中的B50工況開(kāi)展，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＝1749r/min，平均有效壓力e＝0.84MPa．該工況的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷適中，具有一定的代表性，相應(yīng)研究結(jié)果也可以拓展至采用相同控制策略的其他工況．共軌壓力控制為160MPa，直噴燃油的預(yù)噴時(shí)刻為－50°CA，脈寬固定為230μs．雙燃料燃燒的汽油脈寬固定為12000μs，整體汽油比例在65%左右．為了防止過(guò)高的PODE比例損壞供油系統(tǒng)，PODE占直噴燃油的體積分?jǐn)?shù)選為0、10%和20%，分別記為G-D100、G-D90P10和G-D80P20，調(diào)整噴射時(shí)刻將CA50控制在5°CA．此外采用純柴油模式(D100)作為對(duì)比，CA50控制在10°CA．每種燃油配比均掃略EGR率．試驗(yàn)工況如表5所示．

表5?試驗(yàn)工況

Tab.5?Experimental conditions

圖4所示為柴油摻混PODE對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響(EGR率為20%)．所用PODE燃料的十六烷值為78.4，高于所用柴油的十六烷值56.5，因此隨著PODE比例的增加，直噴燃油的活性增加，使得放熱起始相位提前，最高缸內(nèi)壓力也隨之升高．為了控制CA50不變，隨著PODE比例的增加，直噴燃料噴射時(shí)刻推后，汽油放熱和直噴燃料放熱出現(xiàn)分離的趨勢(shì).

圖4?PODEn摻混比對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

圖5和圖6所示分別為柴油摻混PODE對(duì)滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響．隨著EGR率的升高，進(jìn)氣溫度隨之升高，但進(jìn)氣氧含量逐漸降低．因此EGR率較低時(shí)，主要受進(jìn)氣溫度升高的影響，放熱起始相位提前，因此滯燃期降低，燃燒持續(xù)期升高．而當(dāng)EGR率超過(guò)25%后，進(jìn)氣氧含量降低成為主要因素，放熱起始相位開(kāi)始推后，因此滯燃期升高而燃燒持續(xù)期縮短．隨著PODE比例的升高，摻混PODE后直噴燃料的活性增高，導(dǎo)致燃燒過(guò)程的CA10時(shí)刻提前，同時(shí)為了控制燃燒相位相同，柴油噴射時(shí)刻和CA90時(shí)刻均延后，導(dǎo)致滯燃期縮短而燃燒持續(xù)期升高．由于純柴油模式由于沒(méi)有預(yù)混合燃料，滯燃期和燃燒持續(xù)期均隨著EGR率升高而增長(zhǎng)，且在相同EGR率條件下要長(zhǎng)于雙燃料模式．

圖5?PODEn摻混比對(duì)滯燃期的影響

圖6?PODEn摻混比對(duì)燃燒持續(xù)期的影響

圖7和圖8所示分別為柴油摻混PODE對(duì)NO和碳煙排放的影響．隨著EGR率的升高，不同燃料配比的NO排放均明顯下降．相同EGR率時(shí)，即使CA50更為提前，雙燃料燃燒的NO排放也要低于純柴油模式．而隨著PODE比例的增加，直噴燃料的氧含量增加，因此NO排放稍有上升，當(dāng)EGR率超過(guò)20%后，雙燃料燃燒的NO排放基本保持相同．隨著EGR率升高，進(jìn)氣溫度升高，改善了雙燃料燃燒中汽油預(yù)混合氣的燃燒，因此碳煙排放逐漸降低，而當(dāng)EGR率過(guò)高(大于25%)后，G-D100的整體燃燒開(kāi)始惡化，碳煙排放又開(kāi)始升高．而G-D90P10的碳煙排放沒(méi)有升高，G-D80P20碳煙排放甚至出現(xiàn)了繼續(xù)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明摻混PODE增加了雙燃料燃燒的EGR率耐受程度，從而能夠獲得更低的NO和碳煙排放．純柴油模式的碳煙排放隨著EGR率的升高而持續(xù)升高，EGR率超過(guò)25%后碳煙排放迅速增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙燃料燃燒的碳煙排放水平．

圖7?PODEn摻混比對(duì)NOx排放的影響

圖8?PODEn摻混比對(duì)碳煙排放的影響

圖9和圖10所示分別為柴油摻混PODE對(duì)THC和CO排放的影響．隨著EGR率的升高，雙燃料燃燒的THC和CO排放均呈下降趨勢(shì)，原因是進(jìn)氣溫度提升，改善了汽油混合氣的淬熄和縫隙效應(yīng)．隨著PODE比例的增加，直噴燃料的氧含量上升，增強(qiáng)了對(duì)THC和CO排放的氧化，因此相同EGR率條件下的THC和CO排放更低．隨著EGR率升高，不同PODE比例的THC和CO排放的差別逐漸減小，到EGR率為30%時(shí)，三者基本相同．而純柴油模式的THC和CO排放水平很低，且基本不隨EGR率的升高而變化．

圖11和圖12所示分別為柴油摻混PODE對(duì)燃燒效率和有效熱效率的影響，在計(jì)算有效熱效率時(shí)為了方便對(duì)比將直噴燃油按熱值換算成等效的汽油油耗．燃燒效率與THC和CO排放相反，雙燃料燃燒的燃燒效率隨著EGR率和PODE比例的升高而升高．純柴油模式的燃燒效率接近100%，基本不隨EGR率的變化而變化．不同燃料配比的有效熱效率基本都隨著EGR率升高而先升高后降低，說(shuō)明采用合適的EGR率能夠提升有效熱效率．G-D100的有效熱效率最高．G-D90P10和G-D80P20由于直噴燃料十六烷值較高促進(jìn)了汽油自燃，而試驗(yàn)過(guò)程中固定了燃燒相位，因此二者直噴燃料的噴射時(shí)刻均晚于G-D100，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期均高于G-D100(見(jiàn)圖6)，而有效熱效率低于G-D100．而G-D80P20直噴燃料的十六烷值和氧含量更高，能夠在一定程度上改善柴油的擴(kuò)散燃燒，因此有效熱效率有所提升，位于G-D100和G-D90P10之間．

圖9?PODEn摻混比對(duì)THC排放的影響

圖10?PODEn摻混比對(duì)CO排放的影響

圖11?PODEn摻混比對(duì)燃燒效率的影響

圖12?PODEn摻混比對(duì)有效熱效率的影響

3.2?模擬研究

從前文研究結(jié)果來(lái)看，柴油中摻混適量比例的PODE燃料能夠有效降低雙燃料燃燒的碳煙、THC和CO排放．為了進(jìn)一步詳細(xì)解析柴油摻混PODE對(duì)雙燃料燃燒與排放特性影響，本節(jié)開(kāi)展了相應(yīng)的模擬計(jì)算研究．研究工況為上文中無(wú)EGR條件下的三種不同PODE比例(G-D100、G-D90P10和G-D80P20)．

圖13所示為不同PODE比例缸內(nèi)壓力和放熱率的試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比．可以看出，使用本文模型能夠較好地對(duì)試驗(yàn)缸內(nèi)壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)．模擬結(jié)果中引燃柴油的放熱速率更快，形成了一個(gè)較小的峰值，這可能與柴油噴射曲線形狀的設(shè)置有關(guān)．但模擬結(jié)果能夠較好地預(yù)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的放熱起始時(shí)刻和放熱持續(xù)期，說(shuō)明了所采用三維模型和化學(xué)機(jī)理的有效性.

圖13?缸內(nèi)壓力和放熱率的試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比

表6所示為不同PODE比例排放結(jié)果的試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比．從中可以看出，NO和碳煙排放的模擬值與試驗(yàn)值的吻合度較高，隨著PODE比例的升高，NO排放稍有上升，碳煙排放有所下降．而THC和CO排放的模擬和試驗(yàn)結(jié)果存在著一定的差別，可能的原因是模擬計(jì)算只考慮了進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻到排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻之間的燃燒過(guò)程，未考慮THC和CO排放在排氣管中的變化．但模擬結(jié)果的趨勢(shì)與試驗(yàn)相同，均隨著PODE比例的升高而下降，因此能夠用來(lái)進(jìn)行定性分析．

表6?排放結(jié)果的試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比

Tab.6 Comparison of emission between experimental and simulated results g/(kW·h)

圖14為G-D100和G-D80P20兩個(gè)算例中溫度和當(dāng)量比的缸內(nèi)分布．由于PODE的熱值低于柴油，因此隨著PODE比例的升高，為了達(dá)到相同的負(fù)荷，直噴燃油的質(zhì)量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)的高溫燃燒區(qū)域稍有增加．除此之外，柴油摻混PODE對(duì)缸內(nèi)最高溫度，以及溫度和當(dāng)量比的分布情況影響不大．

圖14?溫度和當(dāng)量比的缸內(nèi)分布

圖15所示為NO和碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的缸內(nèi)分布．NO的缸內(nèi)分布與高溫燃燒區(qū)域一致，因此NO隨著缸內(nèi)高溫燃燒區(qū)域的增加而增加．而隨著PODE比例的增加，直噴燃料中的含氧量也隨之增加，因此對(duì)碳煙的氧化速率增加．16°CA時(shí)刻G-D80P20算例中的碳煙排放較高的分布區(qū)域已經(jīng)明顯小于G-D100算例．

圖16所示為T(mén)HC和CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的缸內(nèi)分布．4°CA時(shí)，THC大量生成于擠流區(qū)，原因是柴油預(yù)噴使得該處的預(yù)混合氣活性較高，因此放熱更早，隨后擠流區(qū)的THC隨著柴油主噴的燃燒而消耗殆盡，最終THC大量殘留于中心區(qū)的氣缸表面和燃燒室縫隙中．CO主要來(lái)源于汽油預(yù)混合氣和柴油主噴的不完全燃燒．隨著直噴燃料氧含量的增加，對(duì)THC和CO的氧化速率增加，二者均明顯下降．

圖15?NOx和碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的缸內(nèi)分布

圖16?THC和CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的缸內(nèi)分布

4?結(jié)?論

(1) 在汽柴油雙燃料燃燒中，當(dāng)柴油摻混PODE后，直噴燃料的十六烷值上升，引起燃燒相位的前移，滯燃期縮短，燃燒效率有所升高．在本文試驗(yàn)條件下，雙燃料燃燒的滯燃期和燃燒持續(xù)期均短于純柴油模式．

(2) 當(dāng)柴油摻混PODE后，汽柴油雙燃料燃燒的直噴燃料氧含量有所上升，因此NO排放稍有上升，而碳煙、THC和CO排放則明顯下降．摻混PODE后，雙燃料燃燒對(duì)EGR率的耐受度增加，可以適當(dāng)使用更高的EGR率以獲得更低的排放．綜合考慮排放特性和有效熱效率的改善，20%是更為合適的PODE摻混比例．

(3) 汽柴油雙燃料燃燒模式中，隨著EGR率的升高，進(jìn)氣溫度隨之升高，但進(jìn)氣氧含量逐漸降低．EGR率較低時(shí)，主要受進(jìn)氣溫度升高的影響，放熱起始相位提前，因此滯燃期降低，燃燒持續(xù)期升高．而當(dāng)EGR率超過(guò)25%后，進(jìn)氣氧含量降低成為主要因素，放熱起始相位開(kāi)始推后，因此滯燃期升高而燃燒持續(xù)期縮短．在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加EGR率，可以降低雙燃料燃燒排放并提高熱效率．

(4) 模擬計(jì)算結(jié)果表明，隨著PODE比例的升高，為了達(dá)到相同的負(fù)荷，直噴燃油的質(zhì)量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)的高溫燃燒區(qū)域稍有增加．NO排放隨著缸內(nèi)高溫燃燒區(qū)域以及燃料含氧量的增加而稍有增加．直噴燃料中含氧量增加后，對(duì)碳煙、THC和CO的氧化速率增加，使得這3種排放物均明顯降低．

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Effects of Blending PODEon the Combustion Characteristics of Dual-Fuel Engine

Ren Shuojin1，Zhang Ming1，Guo Yong1，Yan Yan1，Wang Zhi2，Wang Jianxin2

(1. China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd，Tianjin 300300，China；2. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Polyoxymethylene dimethyl ether (PODE) is a promising non-toxic alternative fuel for diesel engines. Experiments were conducted on a heavy-duty multi-cylinder engine to study the effects of blending PODEon gasoline-diesel dual-fuel combustion. Three-dimensional computational fluid dynamic(CFD) simulations were also performed to analyze the combustion process.The ratios of PODEin diesel fuel were chosen to be 0，10% and 20%，respectively.The experimental results show that as the PODEratio increased，the cetane number of the direct-injection fuel increased. As a result，the combustion phase became closer to the top dead center，the ignition delay time decreased and the combustion efficiency increased slightly. The NOemissions increased while the soot，THC and CO emissions were reduced. The simulation results show that the NOemissions increase as the in-cylinder high-temperature region becomes larger due to the increasing PODEratio. The oxidation rates of soot，THC and CO emissions also increase.

polyoxymethylene dimethyl ether(PODE)；dual-fuel；simulation；heavy-duty multi-cylinder engine；alternative fuel

TK428.9

A

1006-8740(2021)03-0289-08

10.11715/rskxjs.R202007015

2020-09-10．

天津檢驗(yàn)中心共性基礎(chǔ)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(TJKY2022003).

任爍今（1990—??），男，博士，工程師．

任爍今，renshuojin@163.com．

(責(zé)任編輯：梁?霞)