PODE/柴油混合燃料对共轨柴油机燃烧与排放特性的影响

姚肖华，孙 平，刘军恒，嵇 乾，王玉梅，杨 晨

(江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013)

含氧燃料分子中的氧在燃烧过程中能起到自供氧作用，在柴油中加入含氧燃料添加剂后可以有效地改善柴油机的排放性能，尤其降低排气烟度和颗粒物排放的效果显著[1-2]。当前，醇类、醚类和生物柴油等是含氧燃料研究的热点[3]。

聚甲氧基二甲醚(PODE)是一种新型的含氧燃料，其为相对分子质量较低的缩醛类聚合物，可由甲醇、二甲醚和多聚甲醛为原料催化合成[4]。只有聚合度n在3～8之间的PODE时才适宜作为含氧燃料添加在柴油中，常温下与柴油稳定互溶。PODE的含氧量高，其十六烷值比柴油高，可有效地改善柴油机的燃烧与排放性能，具有较好的应用前景[5-6]。

2013年山东辰信新能源有限公司万吨级聚甲氧基二甲醚装置投料试车成功。该装置采用中国科学院兰州化学物理所离子液体催化合成工艺，以甲醇为原料，经三聚甲醛合成 PODE[7]。2014年清华大学与山东玉皇化工有限公司合作研发的PODE工业化装置通过了科技成果鉴定，该装置设计年产量在万吨级别。这些PODE的生产项目奠定了PODE大规模生产的坚实基础，也大幅降低了PODE的生产成本，PODE的生产成本低于柴油，为其大规模应用提供了可能。

笔者选取PODE含氧燃料作为柴油添加剂，配制了不同掺混比的PODE/柴油混合燃料，基于台架实验，研究PODE/柴油混合燃料对柴油机缸内压力、放热率等燃烧特性以及对CO、HC、NOx和排气烟度等排放特性的影响。同时分析了PODE/柴油混合燃料对柴油机颗粒物数量分布随粒径变化的影响。

1 实验部分

1.1 实验燃料

柴油为市售国Ⅳ0#柴油。聚甲氧基二甲醚(PODE)，化学简式CH3O(CH2O)nCH3，n为聚合度，PODE由淄博津昌助燃材料科技有限公司生产，表1为PODE组成。使用0#柴油和PODE，根据PODE在混合燃料中所占体积分数10%、20%、30%分别配制了3种PODE/柴油混合燃料，记为P10、P20、P30。常温下静置30 d，PODE/柴油混合燃料互溶稳定，无浑浊分层现象出现。表2为4种实验燃料的特性。

表1 PODE的组成Table 1 Composition of PODE

表2 4种实验燃料的特性Table 2 Physical and chemical properties of four tested fuels

1.2 实验设备与实验方法

1.2.1 实验柴油机

实验中所用高压共轨柴油机为潍柴动力扬州柴油机有限责任公司生产的YZ4DA1-40型四冲程、直列水冷、涡轮增压中冷、高压共轨柴油机。柴油机排量为4.09L，压缩比17.5，标定转速为2600 r/min，标定功率95 kW。

1.2.2 实验设备

实验中台架系统主要包括：湘仪CAC250型电力测功机和FC2005测功机控制软件，湘仪水温控制器(FC24222X2)，AVL 735S型瞬态油耗仪和753C型燃油温控仪，燃油温度设定值为38℃，控制精度为±1℃。在柴油机燃烧特性实验中，使用Dewetro公司的M0391E型燃烧分析仪结合Kistler公司的 6052C型缸压传感器测量缸压数据，连续采集200个循环的缸压数据计算缸内压力平均值，并依据缸内平均压力计算出瞬时放热率。在柴油机排放特性实验中，使用AVL 415S型滤纸烟度计测量滤纸烟度值，用于表征柴油机的排气烟度。采用HoribaMEXA-7200D型尾气分析系统测量气体排放。实验中柴油机颗粒粒径分布特征由美国TSI公司的EEPS 3090测得，该设备粒径范围为5.6～560 nm，采用两级稀释系统，一级稀释系统为旋转盘式热稀释器，二级稀释系数为热空气调节器系统，采样频率为10 Hz，可直接测量柴油机排气颗粒的粒径和数量。

1.2.3 实验方法

实验中，选取了柴油机额定转速(N)2600 r/min下100%和25%负荷作为实验工况，由于PODE热值低，掺混PODE后PODE/柴油混合燃料热值降低，会导致柴油机扭矩下降，因此实验中选取了燃用P30混合燃料时，柴油机在2600 r/min时能达到的扭矩值作为该转速下最大扭矩，分别燃用柴油、P10、P20和P30，记录柴油机燃烧特性数据和排放特性数据。每个工况点重复测量3次，消除实验中的不确定性。

2 结果与讨论

2.1 燃烧过程分析

图1所示为柴油机稳定在转速2600 r/min时，不同负荷下燃用不同掺混比PODE/柴油混合燃料的缸内压力和放热率随曲轴转角变化的曲线。与柴油的缸内压力曲线相比，燃用PODE/柴油混合燃料时，燃烧始点提前，滞燃期缩短，缸内最大爆发压力增大。由图1(c)可见，100%负荷时放热率曲线呈双峰分布，第1个峰处于预混燃烧阶段，第2个峰处于扩散燃烧阶段。与柴油相比，PODE/柴油混合燃料预混燃烧阶段的放热率峰值下降，预混燃烧减少，且随着PODE掺混比增大，放热率峰值进一步降低；PODE/柴油混合燃料扩散燃烧阶段的放热率峰值增大，扩散燃烧速率加快。从图1(d)可以看出，25%负荷时放热率曲线呈单峰分布。与柴油相比，PODE/柴油混合燃料的放热率峰值上升，放热率曲线向左侧移动，且放热率峰值随着PODE掺混比增大而增大。

对比缸内压力曲线可以看出，PODE/柴油混合燃料的滞燃期都随PODE掺混比增大而缩短。由表2可知，随着PODE掺混比增大，PODE/柴油混合燃料的十六烷值增大，十六烷值是影响滞燃期的主要因素，因此燃用PODE/柴油混合燃料时滞燃期缩短，燃烧始点提前。100%负荷时，相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的滞燃期缩短，上止点前着火，预混燃烧偏离上止点，但是扩散燃烧加剧，因此缸内压力升高。25%负荷时喷油较少，缸内燃烧温度低，上止点后着火，着火延迟期长。相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的燃烧始点向上止点靠近，缸内压力上升[8-9]。

100%负荷时，对比放热率曲线，PODE/柴油混合燃料预混燃烧阶段放热率峰值下降，扩散燃烧阶段放热率峰值上升。燃用PODE/柴油混合燃料时滞燃期缩短，在此期间形成的可燃混合气数量减少，因此相比于柴油，PODE/柴油混合燃料预混燃烧减少。同时PODE/柴油混合燃料的热值相比于柴油较低，综合效果是PODE/柴油混合燃料在预混燃烧阶段的放热率峰值降低。PODE具有挥发特性好、沸点低、含氧量高等优点，在柴油中掺混PODE后有利于改善混合气的均匀性，在扩散阶段提高了扩散燃烧速率，扩散燃烧加剧，因此PODE/柴油混合燃料相比柴油在扩散燃烧阶段的放热率峰值升高。

25%负荷时，负荷低，喷油量少，缸内燃烧温度低，着火延迟期长，滞燃期内喷油基本结束，因此放热率分布呈现单峰分布。与柴油相比，PODE/柴油混合燃料的滞燃期缩短，燃烧始点提前，燃烧始点向上止点靠近，燃烧加剧；且PODE/柴油混合燃料中的含氧量增大，燃烧情况改善。因此PODE/柴油混合燃料的峰值放热率较柴油相比升高。

图1 PODE/柴油混合燃料的缸压和放热率曲线Fig.1 Cylinder pressure and heat release rate curves of PODE/diesel blended fuels N=2600 r/min°CA—Crank angle(a) 100% Load cylinder pressure; (b) 25% Load cylinder pressure；(c) 100% Load heat release rate; (d) 25% Load heat release rate

2.2 排放特性分析

表3是柴油机稳定在转速2600 r/min下，100%和25%负荷时，燃用不同掺混比PODE/柴油混合燃料排放的碳氧化物(NOx)体积分数和排气烟度。由表3可知，柴油机燃用PODE/柴油混合燃料时，NOx体积分数上升，排气烟度下降。

表3 不同负荷下PODE/柴油混合燃料排放的NOx体积分数和排气烟度Table 3 Volume fraction of NOx and smoke intensity of PODE/diesel blended fuels under different loads

N=2600 r/min；FSN—Filter smoke number

根据泽尔多维奇NOx生成机理，最高燃烧温度、高温下的滞留时间以及燃烧过程中的氧浓度决定了柴油机的NOx排放量[10]。在100%负荷燃用PODE/柴油混合燃料时，虽然放热率峰值相对于柴油下降，且PODE/柴油混合燃料的热值下降，达到相同功率时的供油量增加，燃料蒸发吸收的热量增大，缸内温度下降，将导致NOx体积分数下降，但是PODE含氧量高的特性增加了燃烧过程中的氧浓度，综合效果是PODE/柴油混合燃料排放的NOx体积分数相比于柴油分别增加了2.0%、7.4%和9.5%。由于P30相比于P20燃料热值更低，供油量进一步增加，燃烧温度降低，抑制了热力型NOx的生成，因此减小了NOx的增长幅度。在25%负荷时，放热率峰值均高于柴油，且由于小负荷时供油量较全负荷少，燃料吸热量减少，缸内温度降低幅度减少，因此PODE/柴油混合燃料排放的NOx体积分数相比较于柴油分别增加了7.7%、10.4%和16.2%。与全负荷相比，NOx体积分数增加幅度变大。

在柴油中掺混PODE可有效降低柴油机的排气烟度，且降低效果显著。柴油机在100%负荷时燃用P10、P20和P30燃料，排气烟度分别降低29.6%、44.8% 和75.8%；25%负荷时排气烟度分别降低28.0%、44.0%和76.0%。柴油机的碳烟生成机理是混合气中局部高温缺氧，扩散燃烧期间生成的碳烟占主要部分。在柴油中加入PODE后，PODE/柴油混合燃料黏度和沸点降低，燃料的蒸发雾化特性变好，且燃料中氧含量增加，改善了浓混合气区域缺氧的状况。因此，在柴油中掺混PODE降低了柴油机碳烟排放。PODE没有芳香烃，燃料中的碳原子以C—O键的键合状态存在，不含C—C键，抑制了前驱体的生成，减少了碳原子参加生成小分子不饱和碳氢组分的反应，因此降低了碳烟排放[11]。

柴油机的未燃碳氢(HC)排放包括未燃烧和未完全燃烧的燃料或润滑油及其热解产物和部分氧化物。柴油机的一氧化碳(CO)排放来源于燃料在燃烧过程中生成的中间产物。表4是柴油机稳定在转速2600 r/min下，100%负荷和25%负荷时燃用PODE/柴油混合燃料排放的HC和CO体积分数。与柴油相比，PODE/柴油混合燃料排放的HC体积分数和CO体积分数均有降低。100%负荷下，P10、P20和P30排放的CO体积分数分别降低了13.1%、16.6%和21.3%，HC体积分数降低了17.7%、24.1%和26.2%。25%负荷下，P10、P20和P30排放的CO体积分数分别降低了12.4%、16.3%和20.8%，HC体积分数降低了14.5%、21.6%和24.1%。

表4 不同负荷下PODE/柴油混合燃料排放的HC和CO体积分数Table 4 Volume fraction of HC and CO of PODE/diesel blended fuels under different loads

N=2600 r/min

CO主要受完全燃烧程度决定，其生成量受温度、供氧情况以及反应时间的影响[12]。柴油中加入PODE后可有效改善燃料的燃烧状况，PODE蒸发性能好，改善了参与燃烧的混合气均匀性，降低了由于不完全燃烧生成的CO体积分数。对于100%负荷和25%负荷而言，PODE的加入有效地降低了CO体积分数，随着加入PODE的比例增大，CO降低幅度变小。由表4可知，100%负荷和25%负荷下，PODE/柴油混合燃料排放的HC体积分数较柴油降低。PODE/柴油混合燃料的十六烷值增大缩短了滞燃期，因此降低了滞燃期期间形成稀混合气的量，从而柴油机排气中的HC体积分数降低。对于100%负荷和25%负荷而言，P30混合燃料与P20混合燃料相比，降低HC体积分数的效果相差不多，这可能是由于混合比例增大后，燃料的黏度下降导致喷雾贯穿率变小，增加了未燃HC，因此P30混合燃料排放的HC体积分数降低幅度与P20相差无几。

2.3 颗粒物数量分析

图2是柴油机稳定在转速2600 r/min下，100%负荷和25%负荷时，PODE/柴油混合燃料的柴油机排气颗粒物数量随粒径变化的分布。柴油机颗粒按照粒径大小，可以划分为核模态颗粒和积聚态颗粒，其粒径范围分别为5～50 nm和50～500 nm[13-16]。

由图2可见，100%负荷下，4种燃料的颗粒物数量分布均为正态单峰分布，峰值在25.5～39.2 nm之间，相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的峰值颗粒物数量增加，且随着掺混比例提高，数量增加幅度上升；PODE/柴油混合燃料的峰值颗粒物数量分别增加16.8%、30.8%和55.1%，同时颗粒物数量分布向小粒径方向移动。而25%负荷下，4种燃料的颗粒物数量分布则呈现出双峰分布,小粒径峰值都出现在10.8 nm处；而第2个浓度峰值则在39.2～60.4 nm之间。相比于柴油，对于10.8 nm处的第1个峰而言，随着PODE的加入，数量峰值上升，PODE/柴油混合燃料的峰值数量分别上升了14.3%、26.9%和33.5%；而对于第2个峰，随着PODE的加入，峰值数量下降且数量分布向小粒径方向移动，PODE/柴油混合燃料峰值数量分别下降了15.4%，24.0%和44.5%。

燃料中加入PODE，可以降低积聚态颗粒物排放，但核模态颗粒物排放增加。其原因是柴油中加入PODE后，PODE/柴油混合燃料的十六烷值提高，滞燃期缩短，燃料含氧量提高，加速了燃烧，同时也利于生成的颗粒物进一步氧化，使得颗粒粒径变小[17]，因此颗粒物数量分布向小粒径范围移动，数量峰值增加。而对于25%负荷，缸内燃烧温度较低，在预混燃烧时生成的未燃碳氢不能及时氧化，因此会在10～20 nm粒径范围内形成一个数量峰。PODE加入后，由于PODE易挥发的特性，增加了预混燃烧期间未燃碳氢的比例，造成了小粒径数量峰值上升，且峰值数量随着PODE掺混比增大而增加。

图2 不同负荷下PODE/柴油混合燃料的颗粒物数量对比Fig.2 Particles number of PODE/diesel blended fuels under different loadsN=2600 r/min(a) 100% Load; (b) 25% Load

3 结 论

(1)柴油机燃用PODE/柴油混合燃料时，滞燃期缩短，最大爆发压力提高。100%负荷下，呈双峰放热规律，PODE/柴油混合燃料与柴油相比预混燃烧减少，且预混阶段放热率峰值降低，扩散燃烧加快，扩散阶段燃烧放热率峰值上升；25%负荷下呈单峰放热规律，放热率峰值升高，PODE的加入改善燃烧状况。

(2)在柴油中掺混PODE后可显著降低排放的HC和CO的体积分数，降低排气烟度，但NOx体积分数稍有增加。在100%和25%负荷下，相比于柴油，P10、P20和P30排放的CO体积分数、排气烟度均有不同程度降低，而NOx体积分数增加。

(3)在柴油中掺混PODE后，核模态颗粒物数量升高，积聚态颗粒物数量降低。100%负荷时，颗粒物数量分布为单峰分布，峰值在25.5～39.2 nm之间，相比于柴油，PODE/柴油混合燃料的峰值颗粒物数量增加；25%负荷时，颗粒物数量分布为双峰分布，与柴油相比，PODE/柴油混合燃料第1个数量峰值增加，而第2个数量峰值降低。

[1] 李丽梅, 郭和军, 刘圣华. 一种新型含氧燃料燃烧与排放性能研究[J].内燃机工程, 2007, 28(4): 43-45.(LI Limei, GUO Hejun, LIU Shenghua. Combustion and emission characteristics of diesel engine fueled with blends of diesel fuel andn-butoxyether[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2007, 28(4): 43-45.)

[2] WANG Jianxin, WU Fujia, XIAO Jianhua, et al. Oxygenated blend design and its effects on reducing diesel particulate emissions[J].Fuel, 2009, 88(10): 2037-2045.

[3] 何邦全, 王建昕. 乙醇/柴油/甲酯混合燃料的燃烧与排放特性[J].内燃机学报, 2005, 23(4): 343-347.(HE Bangquan, WANG Jianxin. Study on combustion and emission characteristics of a diesel engine fueled with ethanol/diesel/methyl ester blends[J].Technology Transactions of CSICE, 2005, 23(4): 343-347.)

[4] 王玉梅, 孙平, 冯浩杰, 等. PODE3-8/柴油混合燃料对柴油机颗粒物排放特性的影响[J].石油学报(石油加工), 2017, 33(3): 549-555.(WANG Yumei, SUN Ping, FENG Haojie, et al. Influence of PODE3-8/diesel blended fuel on diesel engine PM emission[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2017, 33(3): 549-555.)

[5] SANFILIPPO D, PATRINI R, MARCHIONNA M. Use of an oxygenated product as a substitute of gas oil in diesel engines: US, 0187380 A1[P].2004-09-30.

[6] ZHAO Y, XU Z, CHEN H, et al. Mechanism of chain propagation for the synthesis of polyoxymethylene dimethyl ethers[J].Journal of Energy Chemistry, 2013, 22(6):833-836.

[7] 冯浩杰. 聚甲氧基二甲醚/柴油混合燃料的燃烧与排放特性研究[D].江苏大学, 2016.

[8] 张全长, 尧命发, 郑尊清, 等. 柴油、柴油-正丁醇和柴油-DMF燃烧及排放特性实验研究[J].内燃机工程, 2014, 35(4): 45-50.(ZHANG Quanchang, YAO Mingfa, ZHENG Zunqing, et al. Study on combustion and emission characteristics fueled with diesel, diesel-butanol and diesel-DMF blends[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2014, 35(4): 45-50.)

[9] 马林才. 柴油柴油机环保型高效燃料添加剂的研究[J].石油学报(石油加工), 2007,23(2): 93-95.(MA Lincai. Study of environmental protecting and high effective fuel additive for diesel engine[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2007, 23(2): 93-98.)

[10] 胡鹏, 孙平, 汪家全, 等. 添加剂对乙醇柴油稳定性及排放性能的影响[J].石油学报(石油加工), 2014, 30(3): 453-460.(HU Peng, SUN Ping, WANG Jiaquan, et al. Effects of fuel additives on stability of ethanol-diesel blends and its emission characteristics[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2014, 30(3): 453-460.)

[11] 冯浩杰, 孙平, 刘军恒, 等. 聚甲氧基二甲醚-柴油混合燃料对柴油机燃烧与排放的影响[J].石油学报(石油加工), 2016, 32(4): 816-822.(FENG Haojie, SUN Ping, LIU Junheng, et al. Effect of PODE3-8-diesel blended fuel on combustion and emissions of diesel engine[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2016, 32(4): 816-822.)

[12] 周松, 肖友洪, 朱元清. 内燃机排放与污染控制[M].北京航空航天大学出版社, 2010.

[13] 王忠, 孙波, 赵洋, 等. 小型非道路柴油机排气管内颗粒的粒径分布与氧化特性[J].农业工程学报, 2016, 32(10): 41-46.(WANG Zhong, SUN Bo, ZHAO Yang, et al. Characteristics of particle coagulation and oxidation in exhaust pipe of diesel engine[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(10): 41-46.)

[14] 陆叶强, 陈秋方, 孙在, 等. 汽车排放超细微粒数浓度及粒径谱特征的实验研究[J].环境科学, 2014, (9): 3309-3314.(LU Yeqiang, CHEN Qiufang, SUN Zai, et al. Ultrafine particle number concentration and size distribution of vehicle exhaust ultrafine particles[J].Environmental Science,2014, (9): 3309-3314.)

[15] 王晓燕, 李芳, 葛蕴珊, 等. 甲醇柴油与生物柴油微粒排放粒径分布特性[J].农业机械学报, 2009, 40(8): 7-12.(WANG Xiaoyan, LI Fang, GE Yunshan, et al. Particle size distribution of particulate matter emission from the diesel engine burning methanol-diesel fuel and biodiesel[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(8): 7-12.)

[16] MARICQ M M. Chemical characterization of particulate emissions from diesel engines: A review[J].Journal of Aerosol Science, 2007, 38(11): 1079-1118.

[17] 李新令, 黄震, 王嘉松, 等. 柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征实验研究[J].内燃机学报, 2007, 25(2): 113-117.(LI Xinling, HUANG Zhen, WANG Jiasong, et al. Investigation on concentration and size distribution characteristic of particles from diesel engine[J].Transactions of CSICE, 2007, 25(2): 113-117.)