PODE 引燃甲醇双燃料压燃发动机排放特性研究

2020-09-17朱建军武文捷米一铭巩少鹏

可再生能源 2020年9期

朱建军，李鹏，武文捷，米一铭，巩少鹏

（太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原 030024）

0 引言

柴油机具有较高的热效率和较好的动力经济性，因此，柴油载货汽车一直在长途运输中占据主导地位。传统柴油机由于其所特有的混合气形成方式，不可避免地会造成缸内混合气浓度不均，只能采用扩散燃烧的燃烧方式，使得缸内燃烧温度的空间分布极不均匀，从而导致了NOx和微粒排放量过高，因此，研究均质压燃技术在柴油机上的应用，以减少NOx和微粒的排放变得十分重要。但是，柴油具有自燃点低、粘度高和不易挥发的缺点，很难得到柴油与空气的均匀预混合气。通过进气预混高辛烷值燃料为燃烧室提供均质预混合气，再通过缸内直喷高十六烷值燃料引燃预混燃料，可以实现高辛烷值燃料均质预混合气由高十六烷值燃料引燃的双燃料压燃燃烧模式在柴油机上的应用，从而实现更高的热效率和更低的污染物排放[1]～[3]。

甲醇作为发动机的代用燃料不仅可以保证资源的长期可供，而且可以降低发动机尾气中污染物的生成[4]。甲醇的十六烷值较低，通过进气道喷射甲醇可形成可燃均匀预混合气。但是，甲醇的汽化潜热较高，进入缸内蒸发形成均质混合气时，会导致缸内燃烧室温度剧烈降低，从而影响缸内混合气的燃烧质量。聚甲氧基二甲醚（PODE）是一种十六烷值很高的富氧燃料，可作为柴油的代用燃料[6]。当PODE 的聚合度为2～4 时，其理化性质与柴油十分接近。由于PODE 的运动粘度较低，喷入缸内后PODE 的雾化效果较好，十六烷值可以达到70 以上，可以直接在压燃式发动机上使用，并且PODE 含氧，可以有效降低有害污染物的排放。利用十六烷值较高和燃烧性能较好的PODE引燃甲醇可以保证甲醇在压燃式发动机上的应用。

燃用纯甲醇燃料时，发动机无碳烟生成，但是会造成未燃甲醇、甲醛和1，3-丁二烯等排放法规中未明确要求的有害排放物的生成，从而对大气环境产生影响。因此，本文在一台单缸柴油机所改造的双燃料压燃发动机上，采用PODE（聚合度为3）引燃甲醇的手段来探究煤基双燃料压燃发动机气态排放物的排放特性，为进一步研究双燃料发动机的排放特性奠定基础。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

试验所用燃料的理化特性见表1。试验所用发动机的运行参数见表2。试验所用的发动机是在一台CY25 型四冲程单缸柴油机上改装而成，在其他装置不变的基础上，在进气管上加装一套甲醇供给装置，通过原柴油机上的燃油系统供给的PODE 引燃甲醇所形成的均质混合气；甲醇供给装置的原理为使用电动燃油泵将放置在电子秤上的燃油箱中的甲醇抽出，经过燃油滤清器，通过单孔汽油机喷油嘴喷入进气管中。

表1 燃料的理化特性Table 1 Physical and chemical properties of fuel

表2 柴油机参数Table 2 Diesel engine specification

1.2 试验方法

甲醇占能比r 是指发动机每个工作循环所消耗的甲醇热值与总燃料热值的比值，r 的计算式为

式中：gm，gp分别为甲醇和PODE 每个工作循环的消耗量，kg；Hum，Hup分别为甲醇和PODE 的低位热值，MJ/kg。

试验过程中，先将发动机的转速n 固定为1800r/min，有效平均压力BMEP 固定为0.3 MPa，然后通过调整PODE 的油门开度和甲醇的喷油脉宽，找到此工况点下甲醇最大占能比为46.2%，随后逐渐缩短甲醇的喷油脉宽，加大PODE 的油门开度，以减小甲醇的占能比，并记录该工况下的甲醇占能比的变化情况。然后将发动机的平均有效压力分别增大至0.4，0.5 MPa，找到相应工况下甲醇最大占能比分别为44.5%，40.7%，重复上述操作，并记录不同工况下的甲醇占能比的变化情况。使用AVL SESAMi60 FT 型傅里叶变换红外光谱仪测量尾气中各种排放物的浓度。

2 试验结果与分析

2.1 CO，CO2 及H2O 的排放特性

CO 占尾气的体积分数的变化趋势如图1 所示。从图1 可以看出，仅燃用PODE 时，CO 的排放量极低，随着甲醇占能比的逐渐增大，CO 的排放量逐渐升高。这是因为甲醇的汽化潜热值较大，其预混合气进入燃烧室会吸收大量的热量，导致缸内燃烧温度的下降，使燃料不完全氧化而生成CO；此外，在低温下，甲醇会与OH 基反应生成H2O2，剥夺了与CO 反应的OH 基，抑制了CO 的氧化，从而导致CO 排放量的增加[7]。随着负荷（有效平均压力）的增大，缸内燃烧温度升高，有利于CO 完全氧化生成CO2和H2O，从而导致CO 排放量的降低。

图1 CO 占尾气的体积分数的变化趋势Fig.1 Trends of CO volume fraction in exhaust

图2，3 显示了CO2和H2O 占尾气的体积分数的变化趋势。从图2，3 可以看出，随着甲醇占能比的逐渐增加，CO2的排放量逐渐降低，H2O 的排放量逐渐升高。这是因为甲醇的加入导致燃烧室内的燃烧恶化，CO 的生成量增多，但是燃烧室内温度较低，甲醇与OH 基反应，抑制了CO 的氧化，而H2O2有可能受热分解成H2O，因此，完全燃烧产物CO2的排放量有所降低，H2O 的排放量有所升高。随着BMEP 的增加，燃烧室温度逐步升高，燃烧室内的不完全燃烧程度逐步减弱，燃料可以被充分燃烧生成CO2和H2O，因此，CO2和H2O的排放量均随着BMEP 的增加而逐渐升高。在给定的发动机输出功率下，为了达到更高的热效率和更低的污染物排放量，须要尽可能地提高CO2和H2O 的排放量。

图2 CO2 占尾气的体积分数的变化趋势Fig.2 Trends of CO2 volume fraction in exhaust

图3 H2O 占尾气的体积分数的变化趋势Fig.3 Trends of H2O volume fraction in exhaust

2.2 THC 的排放特性

THC 占尾气的体积分数的变化趋势如图4所示。从图4 可以看出，当发动机仅燃用PODE时，THC 的排放量极低，随着甲醇占能比的增加，THC的排放量逐渐增加。这是因为，对于煤基双燃料发动机来说，THC 的产生有以下几个途径：甲醇汽化吸热，致使燃烧温度下降，从而导致碳氢燃料的不完全燃烧；甲醇预混合气在气门重叠期被扫气到排气道中，未燃甲醇蒸汽直接排到排气管中；由于双燃料压燃发动机所特有的混合气形成方式，甲醇直接喷入进气道，随进气一起进入气缸在进气行程和压缩行程形成甲醇均质混合气，其在燃烧室内停留的时间较长，因而会发生壁面淬熄效应；甲醇预混合气在缸内发生的狭隙效应；燃烧室壁面的润滑油膜和沉积物对甲醇蒸汽的吸附和解析作用。因此，在进气管喷入甲醇燃料形成均质混合气会导致发动机尾气中的THC 相比仅燃用PODE 时增大200～500 倍。随着甲醇占能比的增加，缸内温度逐渐下降，燃烧不完全产物增多，未燃甲醇的排放量增大，淬熄效应和狭隙效应所造成的未燃碳氢的排放增多，从而导致THC 排放量的增加。随着BMEP 的增加，缸内温度有所上升，改善了燃料的燃烧程度，因此，THC 的排放量会有所降低。

图4 THC 占尾气的体积分数的变化趋势Fig.4 Trends of THC volume fraction in exhaust

虽然排放法规规定了车辆的THC 排放量，但是THC 中不同烃类物质的毒性潜力不同，较高浓度的特定烃类物质可能会增加THC 的毒性，因此，研究THC 中特定碳氢化合物种类的比例也具有十分重要的意义。

CH4占尾气的体积分数的变化趋势如图5 所示。从图5 可以看出：与仅燃用PODE 相比，随着甲醇占能比的增加，CH4的排放量增大1.7～1.8倍，这是因为甲醇中含有甲基，随着甲醇占能比的增大，燃烧室内的甲基含量增多，从而加速了CH4的生成；随着BMEP 的增大，缸内温度逐渐升高，有可能对CH4的生成起到了一定的抑制作用，CH4的排放量有所降低。

图5 CH4 占尾气的体积分数的变化趋势Fig.5 Trends of CH4 volume fraction in exhaust

1，3-丁二烯是一种在柴油机尾气中常见的有毒气体，其可以和氮氧化合物发生光化学反应生成具有遗传性的有毒物质，而且由于其所具有的致癌性和致突变性，因此，1，3-丁二烯被认为是大气中毒性最大的污染物之一。有研究表明，1，3-丁二烯可由直链碳氢经过脱氢和β 裂解反应形成，其排放浓度与排气温度、燃料质量分数和缸内滞留时间有关，排气温度越高、燃料质量分数越低和缸内滞留时间越长，则1，3-丁二烯的排放量越高，与SOOT 的排放特性呈现出一种trad-off关系[9]。 1，3-丁二烯占尾气的体积分数的变化趋势如图6 所示。

图6 1，3-丁二烯占尾气的体积分数的变化趋势Fig.6 Trends of 1，3-butadiene volume fraction in exhaust

从图6 可以看出，随着甲醇占能比的增加，1，3-丁二烯的排放量逐步增多。这是因为随着甲醇占能比的增加，燃烧室内的甲醇增多，即直链碳氢化合物增多，而且燃烧室内温度逐步下降，甲醇燃烧时的自供氧特性为燃烧室提供了大量的氧，这些均有利于1，3-丁二烯的生成，因此，发动机尾气中1，3-丁二烯的排放量明显升高，尤其是低负荷工况下，当甲醇占能比达到最大值时，1，3-丁二烯的排放量为仅燃用PODE 时的4.9 倍。随着发动机BMEP 的增加, 喷入气缸内的引燃燃料PODE 的循环供油量增大，其在总燃料中的质量分数也随之变大，而且燃烧室温度也逐渐升高,因此，1，3-丁二烯的排放量逐渐减少。

2.3 NOx 的排放特性

氮氧化合物NOx包括NO，NO2，N2O3，N2O，N2O5，N2O4和NO3等物质。传统柴油机排气中的NOx排放，主要是指NO 和NO2的排放，NO 作为NOx的主要成分，通常占到NOx排放量的90%，NO2只占不到10%，而N2O 的排放几乎可以忽略不计。在PODE 引燃甲醇双燃料压燃发动机过程中，甲醇的加入导致NO，NO2和N2O 在NOx排放中所占的比例发生变化。高温、富氧和反应时间是导致NO 生成的3 个重要条件。 NO 占尾气的体积分数的变化趋势如图7 所示。

图7 NO 占尾气的体积分数的变化趋势Fig.7 Trends of NO volume fraction in exhaust

从图7 可以看出，在进气道喷入的甲醇越多，发动机的NO 排放量越低，至甲醇占能比达到最大时，NO 的排放量降低至仅燃用PODE 时的21.8%。造成这种现象的原因有以下几点：①甲醇自身的汽化潜热较高，进入气缸蒸发形成混合气时会吸收大量的热量，导致燃烧室气缸内的温度下降；②甲醇在进气道形成预混合气，发动机的着火延迟期延长，并且随后缸内存在大规模的预混燃烧，减少了局部富氧区域的存在；③预混甲醇的燃烧速度较快，缩短了发动机的燃烧持续期，减少了缸内的高温持续时间；④甲醇会与缸内的OH 基发生反应，生成H2O2自由基，而且甲醇在燃烧室内也会脱氢氧化反应生成超氧化氢自由基，这两种自由基均可以使NO 氧化成NO2[10]。因此，甲醇预混合气的加入会造成柴油机NO 排放量的减少。随着BMEP的增加，气缸内燃烧温度持续上升，导致NO 排放量逐步增加。

N2O 是一种强温室气体，对全球变暖的影响是CO2的310 倍，是《京都议定书》中所规定6 种温室气体之一，因此，很有必要对N2O 的排放特性进行研究。燃烧室内温度较低并且燃料质量分数较小时，有利于N2O 的产生[11]。N2O 占尾气的体积分数的变化趋势如图8 所示。从图8 可以看出，在发动机仅燃用PODE 燃料时，发动机尾气中的N2O 排放量较低，随着甲醇的喷入，PODE 的循环供油量减少，燃烧室内温度逐渐下降，有利于N2O的生成，因此，随着甲醇占能比的增大，N2O 的排放量逐步增大。随着BMEP 的升高，PODE 的循环供油量增多，燃烧室内温度有所升高，导致N2O的排放量逐步降低。

图8 N2O 占尾气的体积分数的变化趋势Fig.8 Trends of N2O volume fraction in exhaust

NOx占尾气的体积分数以及NOx各成分所占比例（BMEP=0.4 MPa）的变化趋势如图9 所示。由图9 可以看出：随着甲醇占能比的增大，当BMEP=0.3 MPa 时，NOx的排放量逐渐减少为仅燃用PODE 时的68%，这是因为随着甲醇占能比的增大，虽然缸内氧含量有所升高，但是缸内温度的逐步下降占主导地位，导致NOx的排放量逐渐降低；当BMEP=0.5 MPa 时，NOx排放量先增加后减少，整体上增加为仅燃用PODE 时的1.1 倍，这是因为当甲醇占能比较小时，燃烧室内温度较高，甲醇的燃烧会发生自供氧现象，燃烧室内温度随着甲醇占能比的增大会有所下降，但是降低幅度较小，此时温度降低对NOx的抑制作用小于氧含量增加对NOx生成的促进作用，从而导致NOx的排放量逐步增大；随着甲醇占能比的进一步增大，甲醇燃料对缸内温度的影响逐渐变大，此时缸内温度降低对NOx生成的抑制作用大于燃料氧含量对NOx生成的促进作用，因此，随着甲醇占能比的逐步增大发动机尾气中的NOx排放量呈现出先增加后减少的变化趋势；当BMEP=0.4 MPa 时，NO 在NOx中所占的比例随着甲醇占能比的增大而降低，而NO2和N2O 在NOx中所占的比例均随着甲醇占能比的增大而逐渐升高，其中，NO2增加了6.2 倍，N2O 增加了0.3 倍。综上可知，影响NOx排放的主要因素是燃烧室温度，随着燃烧过程中缸内燃烧温度的变化，NOx的排放特性也随之发生变化。