噴油參數(shù)對(duì)PODE、DMC摻混柴油燃燒和排放特性的影響

尹 川， 曾東建， 何 冬， 譙 晗， 曹胡泉， 韓偉強(qiáng)

(西華大學(xué) 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

面對(duì)日益突出的能源消耗和污染物排放問(wèn)題，眾多學(xué)者以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高效清潔燃燒與降低排放污染物為目標(biāo)，進(jìn)行了燃用含氧燃料同時(shí)結(jié)合不同的噴油策略等研究。目前應(yīng)用較多的含氧燃料有生物柴油、聚甲氧基二甲醚(PODE)和碳酸二甲酯(DMC)，無(wú)C—C鍵且能在燃燒中起自供氧的PODE和DMC在降低碳煙排放方面具有極大潛力。雙氧原子成鍵的分子在降低碳煙排放方面不如單碳氧鍵結(jié)構(gòu)的分子有效[1]，酯類燃料降低碳煙排放方面不及醚類和醇類燃料，且羰基在降低碳煙排放方面具有更高潛力[2-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在改變噴油參數(shù)后，對(duì)摻混含氧燃料的柴油混合物的燃燒及排放方面做了大量研究。王慶新等[4]和嵇乾等[5]考察了噴油定時(shí)與噴油壓力對(duì)摻混含氧燃料的燃燒排放物的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著噴油壓力增大和噴油正時(shí)提前，NOx排放會(huì)上升，添加含氧燃料可大大降低碳煙排放。陳暉等[6]對(duì)摻混PODE的研究結(jié)果表明，低負(fù)荷下，噴油壓力上升，核態(tài)顆粒物和總顆粒物數(shù)濃度會(huì)上升，高負(fù)荷下則與之相反。孫萬(wàn)臣等[7]固定主噴定時(shí),改變主-預(yù)噴間隔角，發(fā)現(xiàn)正丁醇-柴油混合燃料的總顆粒數(shù)、積聚態(tài)顆粒物濃度隨著主-預(yù)噴間隔角的增大而降低，而核態(tài)顆粒物占比增加。Liu等[8]和楊皓等[9]考察了PODE不同摻混比對(duì)燃燒排放物的影響，結(jié)果顯示，隨著PODE摻混比增大，碳煙排放降低幅度增大，同時(shí)NOx排放增大。摻混DMC雖然在一定程度上會(huì)增加NOx排放，但可以很好地降低碳煙的排放[10-11]。Wang等[12]研究了DMC在柴油中的摻混比最高達(dá)20%時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性，發(fā)現(xiàn)柴油中每添加10%的DMC，煙度將減少20%，而NOx將增加20%；當(dāng)燃料中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，煙度減少高達(dá)40%。Kumar等[13]在柴油中摻混15%DMC，探究了不同噴油提前角以及廢氣再循環(huán)(EGR)率對(duì)各種排放物的影響，發(fā)現(xiàn)在噴油正時(shí)為上止點(diǎn)后(ATDC)21°和EGR率為15%時(shí)，NOx和碳煙排放均可降低。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，PODE和DMC這2種含氧燃料在降低排放方面具有研究前景，但目前在柴油中添加相同氧含量的酯類和醚類含氧劑，進(jìn)行燃燒與排放的相關(guān)對(duì)比研究尚較少。筆者結(jié)合不同噴油壓力及主-預(yù)噴間隔角，研究了添加相同氧含量的醚類和酯類劑的柴油混合物對(duì)燃燒產(chǎn)生的不同模態(tài)顆粒物及氣體排放物的影響，以期更深入了解摻混含氧燃料對(duì)柴油排放污染物的變化規(guī)律，對(duì)后續(xù)含氧燃料的噴油控制策略研究提供參考和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支持，且在研究替代燃料方面也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)燃料

使用了3種基礎(chǔ)燃料，分別為0#柴油(簡(jiǎn)稱柴油)、聚甲氧基二甲醚(PODE)和碳酸二甲酯(DMC)。柴油為郫都區(qū)市售柴油；PODE，工業(yè)品，南京天佑化工有限公司產(chǎn)品；DMC，工業(yè)品，濟(jì)寧三石生物科技有限公司產(chǎn)品。通過(guò)保證摻混含氧燃料氧含量一致來(lái)研究其對(duì)燃燒和排放特性的影響，PODE/柴油、DMC/柴油的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為6.26%。表1為試驗(yàn)燃料的主要物性參數(shù)。

表1 試驗(yàn)燃料的主要性質(zhì)Table 1 The main properties of the test fuels

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架示意圖如圖1所示，主要包括：測(cè)控系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)、電力測(cè)功機(jī)(ET-2000)、燃油噴射控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)恒溫冷卻系統(tǒng)以及排放測(cè)量分析系統(tǒng)、缸壓傳感器(Kistler 6056A，瑞士Kistler公司產(chǎn)品)、電荷放大器(Kistler 5011B，瑞士Kistler公司產(chǎn)品)、光電編碼器(40S6-720PKVE3，瑞士Kistler公司產(chǎn)品)、數(shù)據(jù)采集卡(NI-USB 6353，美國(guó)NI儀器采集卡)等主要儀器設(shè)備。

試驗(yàn)中使用的是一款直列四缸水冷柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架示意圖Fig.1 Scheme of the test setupECU—Electronic control unit; EGR—Exhaust gas recirculation; PC—Personal computer;DMS500, AVL415S, Horiba 7100 are the model of the instrument.

表2 試驗(yàn)柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 Test main parameters of the diesel engine

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)燃料在常溫下現(xiàn)配現(xiàn)用，在配制后充分?jǐn)嚢?，確保不分層。同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)水溫控制在(85±1) ℃，轉(zhuǎn)速保持在1600 r/min，負(fù)荷35%，主噴定時(shí)固定為上止點(diǎn)前(BTDC)5°。首先無(wú)預(yù)噴策略時(shí)調(diào)整噴油壓力分別為80、90、100、110 MPa；有預(yù)噴策略時(shí)，燃油預(yù)噴質(zhì)量占總噴油質(zhì)量的20%，固定噴油壓力為100 MPa，調(diào)整主-預(yù)噴間隔角分別為20、25、30、35° CA。探究不同噴油壓力及主-預(yù)噴間隔角對(duì)摻混相同氧含量的酯類和醚類含氧添加劑的柴油在燃燒與排放方面的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 缸內(nèi)壓力及放熱分析

圖2和圖3分別為柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料在不同噴油壓力以及主-預(yù)噴間隔角下的缸內(nèi)壓力及放熱率曲線?，F(xiàn)象一，隨著噴油壓力的提升，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)平壓力峰值和瞬時(shí)放熱率峰值均提高，放熱始點(diǎn)向前移動(dòng)。產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象可能是因?yàn)椋涸龃髧娪蛪毫?，燃油噴射的初始?dòng)能會(huì)增大，卷吸效果會(huì)增強(qiáng)，燃油貫穿距離增大，從而讓燃油的霧化效果更好，使燃油與空氣混合速率加快，能形成更加均勻的混合氣；在噴射相同量的燃油時(shí)，噴射壓力的增大會(huì)減少燃油的噴射時(shí)間，使燃油有更加充分的時(shí)間與空氣混合，提升了燃油的蒸發(fā)和霧化速率，從而使混合氣的形成更加均勻，火核的形成概率加大，增加了預(yù)混燃燒比例?，F(xiàn)象二，增大主-預(yù)噴間隔角，會(huì)使預(yù)噴階段的瞬時(shí)放熱率峰值降低，而主噴階段的放熱始點(diǎn)會(huì)略有后移，主噴階段放熱率峰值增加，缸內(nèi)最高壓力峰值下降。增加主-預(yù)噴間隔角，預(yù)噴定時(shí)提前，預(yù)噴時(shí)刻的缸內(nèi)溫度、壓力更低，預(yù)噴階段的燃燒速率降低，從而使滯燃期相應(yīng)延長(zhǎng)。而隨著預(yù)噴定時(shí)的提前，預(yù)噴階段過(guò)稀混合氣的比例會(huì)增加，在預(yù)噴階段未燃的混合氣的比例會(huì)增加，此時(shí)更多的未燃混合氣推遲到主噴放熱階段放熱，增加了主噴階段的可燃混合氣燃油比例，使主噴階段的放熱率峰值增大。但是主噴階段的放熱發(fā)生在上止點(diǎn)之后，氣缸容積會(huì)相應(yīng)的增加，因此造成燃燒溫度的降低，缸內(nèi)壓力峰值的減小。在主預(yù)噴間隔角相同時(shí)，添加DMC與PDOE會(huì)使放熱率峰值略有提升，但缸內(nèi)壓力峰值會(huì)略有降低。

圖3 主-預(yù)噴間隔角(ai)對(duì)缸內(nèi)壓力(p)及放熱率(Rhr)的影響Fig.3 Effects of main pre-spray interval angle (ai) onin-cylinder pressure (p) and heat release rate (RHH)(a) Diesel; (b) PODE/Diesel; (c) DMC/Diesel

2.2 氣體排放物分析

圖4為噴油壓力對(duì)NOx排放的影響。由圖4可以看出，隨著噴油壓力的提高，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的NOx排放均增加。根據(jù)捷里多維奇機(jī)理，NO主要是由于火焰中的自由基O原子或OH與N原子在高于1576 ℃反應(yīng)生成的，溫度、反應(yīng)時(shí)間、混合氣氧含量是影響NOx產(chǎn)生的主要因素。隨著噴油壓力增加，燃油蒸發(fā)霧化更充分，促進(jìn)預(yù)混燃燒比例增加，燃燒溫度會(huì)增加，從而導(dǎo)致NOx排放增加。

因?yàn)镻ODE和DMC的運(yùn)動(dòng)黏度低，氣化潛熱值高，沸點(diǎn)也比柴油低[10,18]，使得燃料的揮發(fā)性和噴射貫穿距離變好。與純柴油相比，PODE蒸發(fā)會(huì)降低缸內(nèi)溫度，故摻混PODE后NOx排放降低；而對(duì)于DMC來(lái)說(shuō)，由于其揮發(fā)性更好，更容易形成局部富氧區(qū)域，摻混DMC后NOx排放會(huì)因此升高。由放熱率可知，DMC/柴油的放熱率比純柴油高，而純柴油的放熱率比PODE/柴油高，NOx的生成機(jī)理之一是高溫，因此相同噴油壓力下NOx排放由高到低的燃料為DMC/柴油、柴油、PODE/柴油，而燃用PODE/柴油比DMC/柴油的NOx排放減少了13.97%。

圖4 噴油壓力(pi)對(duì)NOx排放的影響Fig.4 Effects of injection pressures (pi) on the NOxemission

圖5為主-預(yù)噴間隔角對(duì)NOx排放的影響。由圖5可見(jiàn)，隨著主-預(yù)噴間隔角的增大，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的NOx排放均降低，因?yàn)轭A(yù)噴始點(diǎn)提前，缸內(nèi)壓力和溫度更低，同時(shí)預(yù)噴的燃料蒸發(fā)吸熱使缸內(nèi)溫度、壓力進(jìn)一步降低，低溫使主噴階段燃料有更多混合時(shí)間，同時(shí)較多的預(yù)噴燃料混合后推遲到主噴階段燃燒，混合均勻的燃料燃燒速率更快，反應(yīng)時(shí)間減少，總體上NOx排放呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

在相同氧含量的情況下，主-預(yù)噴間隔角為25° CA時(shí)，燃用PODE/柴油的NOx排放比DMC/柴油減少了12.36%。理論上，燃料中氧含量的增加會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加，如DMC/柴油；但在中、低負(fù)荷下，PODE/柴油由于其較低的低熱值與高十六烷值的共同作用，降低了放熱率峰值與預(yù)混燃燒比例，在此條件下可以降低NOx排放。

圖5 主-預(yù)噴間隔角(ai)對(duì)NOx排放的影響Fig.5 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the NOx emission

圖6為噴油壓力對(duì)CO和THC排放的影響。由圖6可以看出，隨著噴油壓力的提高，純柴油與PODE/柴油的CO排放先升高后降低，而DMC/柴油的CO排放先降低后升高，3種燃料的THC排放均降低。添加含氧燃料后，CO、THC排放相比柴油有所增加，這是因?yàn)?種含氧燃料的氣化潛熱值均比純柴油高，加入后在會(huì)降低缸內(nèi)初始燃燒溫度[7,19]，使得CO、THC排放上升，隨著噴油壓力增大，2種摻混燃料和純柴油的CO、THC排放差異明顯擴(kuò)大，PODE/柴油的THC排放比DMC/柴油更高。

圖7為主-預(yù)噴間隔角對(duì)CO、THC排放的影響。由圖7可見(jiàn)，增加主-預(yù)噴間隔角會(huì)使柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的CO排放均上升。這是因?yàn)樘崆邦A(yù)噴正時(shí)，會(huì)加強(qiáng)預(yù)混效果，但是活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，缸內(nèi)的壓力和溫度較低，同時(shí)燃料蒸發(fā)會(huì)吸收大量熱量，使燃燒氛圍變差，大量的燃燒中間產(chǎn)物不能充分燃燒，而且缸內(nèi)較低的壓力會(huì)使燃油霧化變差，這會(huì)使燃油更容易撞擊壁面，形成“壁面油膜”，缸壁溫度相對(duì)較低，使得濕壁油膜蒸發(fā)困難，導(dǎo)致THC排放升高。

圖6 噴油壓力(pi)對(duì)CO和THC排放的影響Fig.6 Effects of injection pressure (pi) on the CO and THC emission(a) CO emission vs. pi; (b) THC emission vs. pi

圖7 主-預(yù)噴間隔角(ai)對(duì)CO和THC排放的影響Fig.7 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the CO and THC emission(a) CO emission vs. ai; (b) THC emission vs. ai

2.3 顆粒物排放分析

圖8為噴油壓力和主-預(yù)噴間隔角對(duì)碳煙排放的影響。由圖8可知，隨著噴油壓力增加，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的碳煙排放均大幅降低，且碳煙排放降低的幅度在減??；而隨著主-預(yù)噴間隔角增大，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的碳煙排放降低幅度較小。在噴油壓力為80 MPa時(shí)，燃用PODE/柴油比純柴油的碳煙排放減少了74.39%，燃用DMC/柴油比純柴油的碳煙排放減少了73.87%。

提升噴油壓力會(huì)減小混合燃油的粒徑，加速燃料的氧化以及熱分解，提高燃油的霧化質(zhì)量，延長(zhǎng)噴霧貫穿距離和增加噴霧錐角，使燃油與空氣的混合更加良好，使燃油混合的均勻性增加，減少了缸內(nèi)混合氣局部過(guò)濃區(qū)域的形成，使燃油燃燒更徹底，從而降低了碳煙的生成。增加主-預(yù)噴間隔角，即提前預(yù)噴定時(shí)會(huì)使碳煙排放降低，這主要是因?yàn)樵陬A(yù)噴油量固定的條件下，增加主預(yù)噴間隔角，會(huì)使主預(yù)噴燃燒階段分離，從而形成更加均勻的混合氣，預(yù)噴階段噴入的燃油汽化會(huì)進(jìn)一步使缸內(nèi)溫度和壓力降低，會(huì)使主噴階段的燃油有更加充分的時(shí)間與空氣混合，減少了混合氣局部過(guò)濃區(qū)域的形成，有利于促使主噴階段的燃料完全燃燒，從而使碳煙排放降低。

在柴油中摻混含氧燃料后，在相同的噴油壓力下，碳煙排放顯著降低。主要是含氧燃料生成的含氧中間體會(huì)與生成的碳煙發(fā)生氧化反應(yīng)，尤其2種含氧燃料都是無(wú)C—C鍵，在燃燒過(guò)程中難以形成碳核的加環(huán)反應(yīng)[20]，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)大的氧化乙炔(C2H2)能力的活性O(shè)H自由基，降低了碳核前驅(qū)體的產(chǎn)生，C2H2被OH基氧化后，有效地避開(kāi)了碳煙所在的生成區(qū)，同時(shí)OH基還會(huì)對(duì)已生成的碳煙進(jìn)行氧化，綜合影響下，燃用含氧燃料會(huì)使碳煙排放大幅降低。

在混合燃料氧含量相同的情況下，燃用PODE/柴油比DMC/柴油的碳煙排放更低。這是因?yàn)镈MC具有酯基結(jié)構(gòu)，在降低碳煙前驅(qū)體方面不如醇與醚有效[13,21-22]，DMC的碳原子連接了2個(gè)氧原子，同時(shí)還與1個(gè)氧原子形成雙鍵，降低碳煙排放效果不如PDOE的碳氧單鍵結(jié)構(gòu)好[23]。在主-預(yù)噴間隔角為35° CA時(shí)，燃用PODE/柴油比DMC/柴油的碳煙排放減少了56.84%。

圖8 噴油壓力(pi)和主-預(yù)噴間隔角(ai)對(duì)碳煙排放的影響Fig.8 Influence of injection pressure (pi) and main pre-injection interval angle (ai) on the soot emission(a) Soot emission vs. pi;(b) Soot emission vs. ai

柴油機(jī)排放的顆粒物按照粒徑大小可分為核態(tài)顆粒物(粒徑小于50 nm)、積聚態(tài)顆粒物(粒徑范圍為50～1000 nm)、粗糙態(tài)顆粒物(粒徑大于1000 nm)。為表征不同模態(tài)顆粒物的相對(duì)變化，由式(1)計(jì)算核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度的比例(rn，%)，由式(2)計(jì)算積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度的比例(ra，%)。

(1)

(2)

式中：ca、cn、ct分別為積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度、核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度、總顆粒物數(shù)量濃度，單位均為每立方厘米的粒子數(shù)(N/cm3)。

圖9為噴油壓力對(duì)3種燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響。由圖9可以看出，加入含氧添加劑后，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比明顯降低，核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比明顯增加，這也與圖6的結(jié)果相一致。這是因?yàn)楹跞剂螪MC和PODE都沒(méi)有C—C鍵，可以減少燃燒過(guò)程中生成多環(huán)芳香烴，從而減少大粒徑顆粒物的形成，因此積聚態(tài)顆粒物的形成會(huì)減少；同時(shí)由于眾多未燃碳?xì)湫》肿优欧懦鋈?，增加了核態(tài)顆粒物生成的比例。

圖9 噴油壓力(pi)對(duì)3種柴油燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響Fig.9 Effect of injection pressure (pi) on the ratio of different modes particle numberconcentration to total particle number concentration of three kinds of diesel fuels(a) The number concentration ratio of accumulation particles (ra) vs. pi;(b) The number concentration ratio of nucleation particles (rn) vs. pi

隨著噴油壓力的提升，未燃碳?xì)浠衔镌龆啵×筋w粒物生成量隨之增加；缸內(nèi)壓力和放熱的提升，促進(jìn)了缸內(nèi)已形成的顆粒物的氧化，因此最終形成的積聚態(tài)顆粒物會(huì)減少。

圖10為主-預(yù)噴間隔角對(duì)3種燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響。從圖10可知，隨著主-預(yù)噴間隔角的增大，3種燃料積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比均呈降低趨勢(shì)，而核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比均呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)轭A(yù)噴定時(shí)的提前，由前面放熱率和氣體排放分析可知，主噴階段放熱增多，缸內(nèi)未燃碳?xì)涞刃》肿踊衔镌龆?，增加了核態(tài)顆粒物形成，最終形成的積聚態(tài)顆粒物被氧化率也會(huì)增大。在相同主-預(yù)噴間隔角下添加含氧燃料的積聚態(tài)顆粒物減少，核態(tài)顆粒物增多。這是由于含氧燃料的加入，使得缸內(nèi)的未燃碳?xì)涞刃》肿踊衔镌龆?這與圖7所示的結(jié)果相一致)，這增加了核態(tài)顆粒物的形成；同時(shí)，由于含氧燃料的加入，改善了缸內(nèi)的燃燒狀況，其自供氧使燃燒更充分，有助于已形成的顆粒物的氧化。從積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比來(lái)看，PODE/柴油的比DMC/柴油的更低，PODE/柴油形成的顆粒物表面活性更高，更容易被氧化。

圖10 主-預(yù)噴間隔角(ai)對(duì)3種柴油燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響Fig.10 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the ratio of different modes particle number concentration to total particle number concentration of three kinds of diesel fuel(a) The number concentration ratio of accumulation particles (ra) vs. ai;(b) The number concentration ratio of nucleation particles (rn) vs. ai

圖11為噴油壓力和主-預(yù)噴間隔角對(duì)3種柴油燃料總顆粒物質(zhì)量濃度的影響。由圖11可知，提升噴油壓力，3種柴油燃料總顆粒物質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但降低的幅度隨著噴油壓力的進(jìn)一步提高而減小。這是因?yàn)榭傤w粒物質(zhì)量濃度主要是由大粒徑顆粒物決定，提升噴油壓力或提前預(yù)噴定時(shí)，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比就會(huì)增加。

圖11 噴油壓力(pi)和主-預(yù)噴間隔角(ai)對(duì)3種柴油燃料總顆粒物質(zhì)量濃度(ρtp)的影響Fig.11 Effects of injection pressure (pi) and main pre-spray interval angle (ai)on total particulate mass concentration (ρtp) of three kinds of diesel fuels(a) ρtp vs. pi; (b) ρtp vs. ai

由圖9和圖10可知，PODE/柴油的積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比低于DMC/柴油，故其總顆粒物質(zhì)量濃度最低。在噴油壓力為100 MPa時(shí)，燃用PODE/柴油的總顆粒物質(zhì)量濃度比純柴油降低了84.38%，比DMC/柴油降低了36.66%；在主-預(yù)噴間隔角為35° CA時(shí)，燃用PODE/柴油的總顆粒物質(zhì)量濃度比DMC/柴油降低了56.40%。

圖12為不同噴油壓力和主預(yù)噴間隔角對(duì)顆粒物幾何平均直徑的影響。由圖12可知，隨著噴油壓力或主-預(yù)噴間隔角的增加，3種柴油燃料的顆粒物幾何平均直徑呈減小趨勢(shì)。這與上述核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨噴油壓力及主-預(yù)噴間隔角的增大而增加相一致，小粒徑的核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比越大，則顆粒物幾何平均直徑越小。同時(shí)隨著含氧燃料的加入，顆粒物幾何平均直徑明顯減小。這是因?yàn)樘砑拥暮跞剂夏軠p少碳煙前驅(qū)體的形成，且能夠改善局部濃混合氣區(qū)域，減少了積聚態(tài)顆粒物的生成[5]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PODE減小顆粒物幾何平均直徑的潛力比DMC更強(qiáng)，這是因?yàn)樵谙嗤膰娪蛪毫椭黝A(yù)噴間隔角條件下，PODE降低碳煙排放的能力強(qiáng)于DMC，能夠減少更多的顆粒物生成[2,23]。PODE/柴油的顆粒物幾何平均直徑比DMC/柴油的更小，在噴油壓力為90 MPa時(shí)，PODE/柴油比DMC/柴油的顆粒物幾何平均直徑減小了39.45%；在主-預(yù)噴間隔角為25°CA時(shí)，PODE/柴油比DMC/柴油的顆粒物幾何平均直徑減小了52.77%。

圖12 噴油壓力(pi)及主-預(yù)噴間隔角(ai)對(duì)顆粒物幾何平均直徑(GMD)的影響Fig.12 Effects of injection pressure (pi) and main pre-injection interval angle (ai) on geometric mean diameter (GMD) of particulate matter(a) GMD vs. pi; (b) GMD vs. ai

3 結(jié) 論

研究了不同噴油壓力和主-預(yù)噴間隔角下，柴油中添加相同氧含量的DMC和PODE燃料的燃燒及排放特性，結(jié)論如下：

(1)含氧燃料可以為缸內(nèi)燃燒起到自供氧作用，改善缸內(nèi)局部富燃料區(qū)域，降低碳煙排放，且PODE的碳氧單鍵比DMC的碳氧雙鍵具有更好的降低碳煙的能力，添加相同氧含量PDOE/柴油比DMC/柴油表現(xiàn)出更低的碳煙和NOx排放，總顆粒物質(zhì)量濃度、顆粒物幾何平均直徑也比DMC/柴油稍低，但CO、THC排放超過(guò)了DMC/柴油。

(2)噴油壓力提高，柴油、PDOE/柴油、DMC/柴油的煙塵、THC排放降低，NOx排放增加，同時(shí)放熱率峰值和缸內(nèi)壓力峰值提高，放熱始點(diǎn)提前。主-預(yù)噴間隔角增加，3種燃料的主噴階段燃燒放熱率峰值增加，但燃燒速率加快，NOx反應(yīng)時(shí)間減少，同時(shí)主噴放熱率峰值提高，預(yù)噴放熱率峰值和缸內(nèi)壓力峰值下降。相同噴油壓力和主-預(yù)噴間隔角下，PODE和DMC的添加會(huì)增加核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒數(shù)量濃度之比，而積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒數(shù)量濃度之比會(huì)降低。