车用电控高压共轨柴油机掺烧聚甲氧基二甲醚排放特性研究*

李 强 吴玉茵 姚晨光 杨 皓

（1-山东交通职业学院实训中心 山东 潍坊 261206 2-北京尚易德科技有限公司3-北京航空航天大学交通科学与工程学院）

引言

环保要求及能源危机使得替代燃料与燃料改质越来越被关注和研究。对于柴油而言，在其中添加高含氧量或高十六烷值的添加剂能改善柴油机的排放性能[1]。常用的柴油含氧添加剂有甲醇、甲缩醛（DMM）、二甲醚（DME）、碳酸二甲酯（DMC）等，共同的特点是具有较高的含氧量，能与柴油较好地互溶，易降解，成本低。聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODEn）作为醚类燃料的低聚物，是一种新型的柴油含氧添加剂，具有高含氧量和高十六烷值，其理化特性与柴油非常相似，成本与柴油接近，对降低柴油机污染物排放有着巨大的潜力，是一种性能优良的柴油添加剂[2]。

目前，国内外关于柴油机燃用PODEn的研究还比较少。Björn等人[3]在一台柴油机上开展了PODEn对碳烟、颗粒物（PN、PM）排放的影响研究。结果表明，PODEn能显著降低柴油机的PN、PM及碳烟排放。Leonardo等人[4]开展了欧Ⅳ柴油机掺混50%的PODEn燃料和纯PODEn燃烧排放特性研究。结果表明，燃用掺混50%以上PODEn的混合燃料，能降低柴油机的NOx、PM排放和燃烧噪声。Liu等人[5]在重型柴油机上开展了柴油机燃用柴油/PODEn混合燃料的燃烧和排放特性研究。刘浩业等人[6-7]开展了柴油机掺混PODEn燃料的燃烧和排放特性研究。Tong等人[8]开展了柴油机燃用柴油/PODEn混合燃料排放与负荷特性研究。Song等人[9]开展了柴油/PODEn混合燃料与天然气燃料燃烧对比研究。杨皓等人[10]开展了单缸柴油机掺混PODEn燃料的试验研究。朱益佳等人[11]开展了掺混PODEn对增压中冷柴油机燃烧和排放性能的影响研究。刘军恒等人[12]开展了PODEn对轻型柴油机排放特性的影响研究。上述研究结果表明，PODEn能改善柴油机的燃烧性能，降低柴油机污染物的排放。以往的研究虽然取得了一些成果，但是，目前针对电控高压共轨柴油机掺烧小比例PODEn含氧燃料的研究还比较少，且研究方法、参数选取及评定方式等还不够全面。另外，虽然高比例PODEn的混合燃料对降低排放有很好的效果，但需对柴油机的燃油供给系统进行调整和改造。因此，进一步探讨和研究小比例PODEn对电控高压共轨柴油机排放影响的规律是非常必要的。

本文在不改动柴油机燃料供给系统和燃烧系统的情况下，在一台国Ⅳ排放标准的电控高压共轨柴油机上开展PODEn掺混比例分别为0、10%、15%、20%的柴油/聚甲氧基二甲醚混合燃料的燃烧试验。在等转速下，研究燃用4种不同PODEn比例的混合燃料对柴油机排放特性的影响，以及燃用PODEn比例为20%的混合燃料时，喷油定时推迟对柴油机排放性能的影响，探究小比例掺混PODEn对电控高压共轨柴油机排放性能的影响机理。

1 聚甲氧基二甲醚与柴油的理化性能

聚甲氧基二甲醚又名聚甲醛二甲醚，常温下为一种无色或淡黄色澄清易挥发可燃液体，对金属无腐蚀性，常温常压下能完全溶解于柴油，分子式为CH3O（CH2O）nCH3（2≤n≤7）。本文试验用PODEn是山东玉皇集团生产的，其PODE2、PODE3和PODE4的质量分数分别为2.55%、88.97%和8.48%，统一用PODE2-4表示，柴油直接从山东市场购买。

PODE2-4和柴油的物性参数如表1所示。

表1 聚甲氧基二甲醚和柴油物性参数对比

2 试验设备及方案

2.1 试验设备

试验用主要设备有AVLFTIR汽车排气分析仪、FTY-100不透光烟度计、FC2000发动机自动测试系统等。AVLFTIR汽车排气分析仪用于测量HC、CO、NOx排放；FTY-100不透光烟度计用于测量发动机的碳烟排放；FC2000发动机自动测试系统用于测量和控制发动机的温度、转速、压力等有关参数。

试验用柴油机为国Ⅳ排放标准的4缸轻型电控高压共轨柴油机，主要参数如表2所示。

2.2 试验方案

发动机不带排气后处理装置，未对发动机燃油供给系统和燃烧系统做任何改动，未对燃料添加任何其它添加剂。在2 000 r/min和3 000 r/min等2种等转速下，选取6个不同的负荷工况点，对比分析掺烧4种PODE2-4比例的混合燃料对柴油机排气温度及排放特性的影响。燃用PODE2-4掺混比例为20%的混合燃料，在发动机转速为3 000 r/min时推迟喷油，选取负荷率为25%、50%和75%作为试验工况点，对比分析喷油定时对发动机燃烧混合燃料时排放性能的影响。

表2 试验用柴油机主要参数

发动机台架试验系统如图1所示。

图1 发动机台架试验系统

3 试验结果与分析

3.1 PODE2-4对排气温度的影响

排气温度的高低能反映燃料热能的有效使用情况。图2和图3分别为2 000 r/min和3 000 r/min下，发动机燃用4种燃料时，排气温度随负荷的变化情况。

图2 转速为2 000 r/min时PODE2-4对排气温度的影响

从图2和图3可以看出，2种转速下，随着PODE2-4比例的增加，燃烧后的排气温度都有一定程度的升高。原因主要有3点：

图3 转速为3 000 r/min时PODE2-4对排气温度的影响

1）PODE2-4的加入增加了缸内混合气中氧气的浓度，使燃烧更彻底，放热量增多；

2）PODE2-4的加入增加了燃料的十六烷值，缩短了燃烧滞燃期，增加了燃烧速率；

3）排气行程和排气高温段中，HC与CO的氧化速率增大，放热快且放热量增多，使排气温度增加。

结果表明，排气温度增幅可达32%。发动机排气温度升高，若要达到同等功率，就需要提供更多的混合燃料来释放更多的热量。

3.2 PODE2-4对碳烟排放的影响

图4和图5分别为2 000 r/min和3 000 r/min下，发动机燃用4种燃料时，碳烟排放随负荷的变化情况。

图4 转速为2 000 r/min时PODE2-4对碳烟排放的影响

从图4和图5中可以看出，2种转速下，碳烟排放随着发动机负荷的增加而增大。但在低负荷时，随着发动机负荷的增加，4种燃料的碳烟排放相差很小；在中高负荷时，碳烟排放随着PODE2-4比例的增加而显著降低，最高可降低82%。这是因为，碳烟的生成主要在扩散燃烧期，PODE2-4富含氧，燃烧时提高了柴油与氧的接触机会，降低了浓混合气因高温缺氧而产生的碳烟。同时，PODE2-4的沸点低，利于燃料在发动机缸内蒸发、雾化，燃料与空气混合更充分，缸内空燃比的不均匀性得到改善。另外，PODE2-4只有C-H和C-O键，没有强结合力的C-C键，不易生成碳烟。因此，在中高负荷时，随着PODE2-4比例的增加，碳烟排放有了明显的降低。

图5 转速为3 000 r/min时PODE2-4对碳烟排放的影响

3.3 PODE2-4对HC排放的影响

图6 和图7分别为2 000 r/min和3 000 r/min下，发动机燃用4种燃料时，HC排放随负荷的变化情况。

图6 转速为2 000r/min时PODE2-4对HC排放的影响

图7 转速为3 000r/min时PODE2-4对HC排放的影响

从图6和图7可以看出，2种转速下，HC排放都随PODE2-4比例的增加而降低。在低负荷时，随着PODE2-4比例的增加，HC排放降低明显，降幅可达65%；在中高负荷时，随着PODE2-4比例的增加，HC排放降低幅度较小，降幅为13%～26%。这是因为，HC排放主要源于喷油油束外围的过稀混合气，PODE2-4的十六烷值高，喷入气缸后，着火性能得到提高，滞燃期缩短，减少了过稀混合区域。另外，PODE2-4沸点低，富含氧，改善了油气混合与燃烧速度，缸内燃烧温度升高，有利于HC的氧化。高负荷时，更多的HC被氧化，而低负荷时，HC大部分被排出。

3.4 PODE2-4对CO排放的影响

图8和图9分别为2 000 r/min和3 000 r/min下，发动机燃用4种燃料时，CO排放随负荷的变化情况。

图8 转速为2 000 r/min时PODE2-4对CO排放的影响

图9 转速为3 000 r/min时PODE2-4对CO排放的影响

从图8和图9可以看出，2种转速下，CO排放都随PODE2-4比例的增加而降低。中小负荷时，CO排放随PODE2-4比例的增加而降低很少；大负荷时，CO排放随PODE2-4比例的增加而显著降低，降幅为50%～80%。这是因为，CO主要产生在过量空气系数小于1的浓混合区或者温度较低的区域，在中小负荷工况下，柴油机过量空气系数非常大，缸内低温、缺氧的区域极少，PODE2-4对CO的产生影响很小，CO排放很少；在大负荷工况下，缸内出现局部缺氧的浓混合气，PODE2-4富含氧，有效改善了缺氧状况，促进了CO转化成CO2，因此CO排放显著降低。

3.5 PODE2-4对NO x排放的影响

图10和图11分别为2 000 r/min和3 000 r/min下，发动机燃用4种燃料时，NOx排放随负荷的变化情况。

图10 转速为2 000 r/min时PODE2-4对NO x排放的影响

图11 转速为3 000 r/min时PODE2-4对NO x排放的影响

从图10和图11可以看出，2种转速下，随着PODE2-4的增加，NOx的排放量都有所增加，但增加的幅度较小，增幅为15%。NOx排放主要由燃烧过程中高温、高氧和滞留时间所决定。掺烧PODE2-4改善了缸内燃烧区域的缺氧状况，加快了燃烧速度，提高了缸内最高温度，增加了高温多氧区域，促进了NOx的生成。同时，高汽化潜热的PODE2-4抑制了预喷燃料的着火燃烧，缩短了燃烧持续期，从而缩短了高温持续期，抑制了NOx的生成。两者综合作用下，随着PODE2-4的增加，小负荷时NOx排放变化不大，中高负荷时NOx排放有所增加。

3.6 喷油定时推迟对发动机排放的影响

选用PODE2-4含量为20%的混合燃料，在发动机转速为3 000 r/min时推迟喷油，考察燃用20%PODE2-4混合燃料时，推迟喷油定时对柴油机排放性能的影响。

图12为喷油定时推迟对NOx排放的影响。

从图12可以看出，随着柴油机负荷的增大，NOx排放随着喷油定时的推迟而明显降低，喷油提前角从11°CA减小为 6℃A、3℃A时，NOx排放最高降幅可达到80%。这是因为，喷油定时推迟，喷油时缸内压力和温度较高，油束贯穿率较小，大量燃油没有被喷至温度比气缸中央更高的壁面上或壁面附近处，燃烧更多是在膨胀行程中进行，使得最高燃烧温度降低，缩短了燃油在最高温度下的滞留时间，因而抑制了NOx的生成。

图12 不同喷油提前角对NO x排放的影响

图13 为喷油定时推迟对碳烟排放的影响。

图13 不同喷油提前角对碳烟排放的影响

从图13可以看出，与NOx排放相反，碳烟排放随着喷油定时的推迟而增加，中小负荷增加较少，大负荷增加显著。这是因为，喷油定时推迟，燃烧相应滞后，着火滞燃期减小，油气混合均匀性变差，可燃混合气减少，使得燃烧放热速度降低，放热率减小，排气温度升高，高温缺氧区域增多，因此碳烟排放相应增加。

图14和图15分别为喷油定时推迟对HC和CO排放的影响。

从图14和图15可以看出，在中小负荷时，HC和CO排放随喷油定时推迟而增加；在大负荷时，HC和CO排放随喷油定时推迟而降低。这是因为，在中小负荷时，因稀薄燃烧造成缸内温度较低，加上壁面激冷效应，HC和CO的排放较高；在大负荷时，缸内燃烧温度较高，有利于HC和CO的氧化，HC和CO排放相对较低。

图14 不同喷油提前角对HC排放的影响

图15 不同喷油提前角对CO排放的影响

4 结论

本文对电控高压共轨柴油机小比例掺烧聚甲氧基二甲醚的排放性能进行了研究，提出了试验方案，从燃料理化特性上分析了影响发动机排放的机理，得出以下结论：

1）不改变发动机燃油供给系统和燃烧系统，在等转速工况下，发动机的排气温度随PODE2-4掺入比例的增加而增加，增幅可达32%；发动机的碳烟和CO排放都随PODE2-4掺入比例的增加而显著降低，碳烟排放降幅可达82%，CO排放降幅可达62%；HC排放随PODE2-4掺入比例的增加而降低，中高负荷时降低较少，低负荷时降低显著，降幅可达65%；NOx排放随PODE2-4掺入比例的增加而略有增加。

2）喷油定时推迟，掺烧20%PODE2-4的混合燃料，发动机的NOx排放显著降低，降幅可达80%；碳烟排放增加，中小负荷时增加较少，大负荷时增加显著；而HC和CO排放，中小负荷时增加，大负荷时降低。