聚甲氧基二甲醚掺混比对柴油机性能及柴油机氧化催化器+催化型柴油机颗粒捕集器后处理系统的影响

沈颖刚，张敬贤，陈贵升,杨 杰，廖凭皓，李 冰

(昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500)

0 概述

在全球能源紧缺和环境污染双重压力下，各国都在推进化石燃料替代燃料的研究[1]。聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ether，PODE)作为柴油的含氧添加剂或替代燃料已得到一定应用。与生物柴油相比，PODE的含氧量更高，低温流动性好，化学稳定性也更优，此外PODE的黏度适中，对喷油压力的要求没有生物柴油那么高，便于推广应用[2]。与醇类燃料相比，PODE十六烷值更高即压燃性能更好，与柴油的混溶性也更好[3]。同为醚类的二甲醚蒸气压较高导致柴油/二甲醚混合燃料在常压下稳定性较差，须在较高环境压力下存储[4-5]，且二甲醚和柴油在低于0 ℃的温度下会显示出混溶性间隙[5]；而PODE蒸气压较低，与柴油之间没有可混溶间隙，不需要在加压的环境下存储。综上所述，PODE与传统生物燃料相比具有更大的优势。

针对中国越加严格的排放法规，排气后处理系统的应用必不可少[6-8]。柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)表面积大，且采用重金属催化剂(如铂和/或钯)，几乎可以消除CO和碳氢化合物(hydrocarbon，HC)的排放[9-10]。而柴油机颗粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)是一种有效捕集和减少颗粒物(particulate matter,PM)的后处理系统[11-13]，两者一般配套使用。DOC与后喷射结合使用能提高废气温度帮助DPF主动再生，而废气中NO2浓度增加能使后处理系统在较低温度下进行被动再生[12,14]。催化型颗粒物捕集器(catalytic diesel particulate filter，CDPF)与DPF相比，多了催化涂层，可在较低温度下将收集的颗粒物质燃烧成CO2和水[15]。可预见，随着排放法规越加严格，不管是机内净化技术还是加装后处理系统，单一的净化措施将很难满足未来排放法规的要求，而使用生物质含氧燃料耦合后处理技术将是可行且高效的内燃机净化策略之一，故开展柴油机掺混PODE加装后处理DOC+CDPF的研究具有重要现实意义。

当前对PODE的研究主要集中在发动机的燃烧和排放上，其对后处理系统性能的影响的研究有限。本文中以D30型高压共轨增压中冷柴油机为研究机型，加装了DOC+CDPF后处理装置。配制不同PODE掺混比的PODE/柴油混合燃料(PODE体积分数分别为0%、10%和30%，分别记为P0、P10、P30)，通过发动机台架试验，研究了PODE掺混比对低速、高速负荷工况下柴油机性能及对DOC+CDPF后处理系统转化效率、温度和压降特性的影响。本文中的研究为燃用掺混PODE的柴油机后处理系统的优化匹配和高效清洁燃烧的实现提供指导。

1 试验设计

1.1 试验设备和燃料

试验所用发动机为D30型高压共轨柴油机，主要技术参数如表1所示。试验台架主要采用奕科WE31型水力测功机、CMFD015型油耗仪、RWK01燃油温控系统。台架布置如图1所示，在DOC前端、DOC后端及CDPF后端分别进行气体成分、压差和温差的检测。由德国Testo350 烟气分析仪检测NO、NO2、CO及O2浓度，而压差和温差通过压力和温度传感器每0.2 s检测一次并将数据保存在电子采集模块中，在试验后读取。进气流量通过上海同圆发动机测试设备有限公司的TOCEIL-LFE100型流量计测量。DOC+CDPF后处理装置由云南菲尔特环保科技有限公司提供，其主要参数如表2所示。

表2 DOC+CDPF后处理装置主要参数

图1 试验台架结构示意

表1 试验发动机主要技术参数

本文掺混燃料以国六柴油为基准燃料，使用市售PODE3-8，根据PODE体积分数配制不同PODE掺混比的含氧燃料，分别记为P0(即纯柴油)、P10(PODE体积分数为10%)、P30(PODE体积分数为30%)。混合燃料的低热值按公式(1)[16]计算，混合燃料的理化特性如表3所示。

表3 混合燃料的理化特性

(1)

式中，QM、QD和QP分别为混合燃料、柴油和PODE的低热值,MJ/kg;φP为PODE的体积分数；ρD和ρP分别为柴油和PODE的密度,kg/m3。

1.2 试验方案

试验台架所在地海拔高度约为1 900 m(大气压力为81 kPa)，试验发动机燃用不同PODE掺混比的含氧燃料(P0、P10、P30)，选取低转速1 600 r/min、高转速2 400 r/min进行负荷特性试验。具体负荷与运行时间的对应关系见图2，具体工况点选取如表4。每个工况点维持5 min稳定运转，以保证排放测量的准确性。因PODE热值仅为柴油的51.3%，将其直接与柴油相混会降低发动机的功率和转矩输出[17]，故使用PODE/柴油混合燃料时，将调整发动机的喷油参数，使转矩输出能达到燃用纯柴油时的水平，然后再对比柴油机常规参数以研究PODE掺混比负荷特性工况下发动机动力性、燃油经济性和排放的差异。试验期间，对应采集模块将逐秒记录DOC前端、DOC后端及CDPF后端的排气组分、温度和压力，用于研究PODE掺混比对DOC+CDPF后处理系统的影响，着重研究其转化效率和温度、压降的差异[18-20]。

图2 负荷与运行时间的关系

表4 试验工况点选择

2 试验结果及分析

2.1 PODE掺混比对柴油机性能的影响

2.1.1 掺混比对柴油机燃油经济性的影响

图3为燃用不同掺混比燃料时1 600 r/min、2 400 r/min转速下，燃空比(小时油耗与进气流量的比值)、涡前排温、有效燃油消耗率和有效热效率随负荷变化的规律。在同一转速下，燃空比、涡前排温、有效热效率都随负荷的增加而增加，有效燃油消耗率的变化趋势相反。随着PODE掺混比的增加，燃空比增加，涡前排温降低，有效燃油消耗率升高。对于有效热效率，在低转速高负荷工况(如87.5%负荷、1 600 r/min)下，P30的有效热效率比P0和P10略高。在低转速低负荷工况，发动机缸内温度和压力较低，气流运动较弱，掺混燃料的有效热效率均比较低。同时低负荷工况下，进气量相对高负荷工况较为充足，燃空比较低，P10、P30燃料自含氧对燃烧的改善作用不大。在高转速低负荷工况(如37.5%负荷、2 400 r/min)下，P10、P30的有效热效率均比P0低约2.0%，掺混燃料的有效热效率没有明显优势。这是因为在高转速低负荷工况，发动机进气量更充足，P10、P30燃料因较低的热值，需更长的喷油脉宽，增加了燃烧持续期，同时较高的十六烷值减少了预混燃烧，不利于高转速工况下热效率的提升。

图3 掺混PODE对柴油机负荷特性的影响

2.1.2 掺混比对柴油机排放的影响

图4为1 600 r/min、2 400 r/min转速下，NOx、HC和CO比排放随发动机负荷的变化规律。由图4可知，相同转速下，随着负荷增加，NOx比排放先降低后逐渐升高，拐点出现在37.5%负荷左右，而HC和CO比排放一直降低。当PODE掺混比较高(P30)时，NOx和HC比排放显著恶化。因为P30含氧量高，在高负荷工况时，缸内温度较高，高温富氧容易生成较多的NOx。而在高转速低负荷工况下，缸内温度、压力较低，燃烧时间短，P30因热值较低导致喷油持续期较长，造成局部混合气过浓和过稀，产生了较多的未燃HC。

图4 掺混PODE对柴油机负荷特性排放的影响

由图4观察到，在低转速25.0%负荷工况，P0、P10两种燃料NOx比排放较37.5%负荷有小幅增加，因为该工况燃空比较低，较低转速使反应时间较长，促进了NOx的生成，而P10热值较低，喷油时间较长，降低了燃烧温度，因此NOx比排放稍低于P0。在高转速低负荷(如25.0%负荷2 400 r/min)工况，由于反应时间较短，3种燃料NOx生成量相对低转速低负荷时要少。同时随着PODE掺混比的增加，NOx比排放略微降低，如2 400 r/min下的25.0%和37.5%负荷，P0的NOx比排放平均为7.3 g/(kW·h)，P10、P30的NOx比排放则分别比P0降低了8.2%和11.0%，其主要原因是PODE/柴油混合燃料喷油持续期较长，进一步降低了缸内温度。

图4显示，高转速低负荷时3种燃料CO比排放均较高。与高转速低负荷工况下HC排放较高的原因类似，该工况下，缸内温度、压力较低，燃烧不充分。另一方面，高转速下，3种燃料的燃空比均比较低，PODE/柴油混合燃料自身含氧的优势不明显。

2.2 PODE掺混比对DOC+CDPF转化效率的影响

2.2.1 低转速下掺混比对转化效率的影响

选取低转速1 600 r/min为试验转速，对比不同掺混比下，DOC+CDPF对NO2及CO的转化效率的差异，如图5～图7所示。从图5可以看出，随着负荷增加，涡后排温先降低后逐渐升高，其中在37.5%负荷时，P0和P10的涡后排温较高，约197 ℃，P30的涡后排温较低，约为165 ℃。DOC前端NOx浓度随负荷增加而增加，因为PODE含氧量高，高负荷时掺混比越高则NOx排放越高。DOC前端氧浓度随发动机负荷增加而逐渐降低，总体上燃用P30时排气氧浓度平均比P10和P0高约0.5%。

图5 1 600 r/min不同负荷下PODE掺混比对涡后排温、DOC前端NOx排放和DOC前端排气氧浓度的影响

图6 1 600 r/min不同负荷下PODE掺混比对NOx排放、NO2占NOx比例及CO排放的影响

图7 1 600 r/min不同负荷下PODE掺混比对CO转化效率的影响

图6中显示了DOC前端、DOC后端、CDPF后端CO排放、NO2排放及NO2/NOx浓度比的差异。由图6可见，3种燃料的NO2浓度在DOC前端时随负荷增加变化不大，在DOC后端和CDPF后端时随负荷的增加逐渐增加。总体上，在中、低负荷下，燃用P0和P10时DOC前端NO2排放及NO2/NOx浓度比差异不大，燃用P30时更低；在DOC后端和CDPF后端，低负荷工况下燃用P0和P10的NO2排放及NO2/NOx浓度比显著高于燃用P30时，如25.0%负荷下，燃用P30时后端NO2排放仅为燃用P0和P10时4.8%和4.7%。

如图6、图7所示，CO浓度在DOC前端随负荷增加逐渐降低，而在DOC后端和CDPF后端，除中、低负荷下燃用P30时外，燃用P0、P10时CO浓度均接近0，这表明此时DOC和CDPF对CO的转化效率接近100%。其主要原因是燃用P30时，低转速低负荷工况排气温度较低(如25.0%和37.5%负荷，涡轮后端排气温度均未超过180 ℃)，废气经排气管路到达DOC和CDPF载体前还会进一步散失热量而降低温度，故DOC载体中的催化剂未能达到起活温度，使DOC和CDPF的转化效率受到限制；随着发动机负荷进一步增加，排气温度上升，DOC后端和CDPF后端CO浓度迅速下降，DOC和CDPF对CO的转化效率接近100%。

2.2.2 高转速下掺混比对转化效率的影响

图8～图10表现了高转速(2 400 r/min)不同负荷工况下掺混比对DOC+CDPF后处理系统的影响，主要考察DOC和CDPF对NO2及CO的转化效率。如图8所示，高转速下，随着发动机负荷增加，涡后排温和NOx浓度逐渐升高，排气氧浓度则逐渐下降。其中，在25.0%和37.5%的低负荷工况，掺混比越高，涡后排温越低。如25.0%负荷燃用P30时的涡后排温(约138 ℃)明显低于P0和P10(约为177 ℃)，但过低的排气温度将限制DOC和CDPF的转化效率。图9显示，随着负荷增加，3种燃料的NO2排放在DOC前端变化幅度不大，但在DOC后端和CDPF后端随负荷的增加而逐渐升高。其中，燃用P0时在DOC后端和CDPF后端NO2排放最高，其次是P10，而燃用P30时提升不明显。

图8 2 400 r/min不同负荷下PODE掺混比对涡后排温、DOC前端NOx排放及DOC前端排气氧浓度的影响

图9 2 400 r/min不同负荷下PODE掺混比对NOx排放、NO2与NOx比例及CO排放的影响

图10 2 400 r/min不同负荷下PODE掺混比对CO转化效率的影响

由图9、图10还可知，在负荷不超过50.0%时，燃用P30时，DOC和CDPF对CO的转化效率不理想。例如在37.5%负荷，燃用P0、P10时DOC和CDPF对CO的转化效率接近100%；而燃用P30时，DOC和CDPF对CO的转化效率仅分别约为17%和49%。这一方面是因为燃用高掺混比燃料时排气温度较低；另一方面，PODE掺混比较高时，低负荷工况下HC排放明显较高，影响了NO和CO的转化。

2.3 PODE掺混比对DOC+CDPF温度、压降的影响

2.3.1 低转速下掺混比对温度、压降的影响

选取1 600 r/min进行负荷特性试验，试验前将D30型柴油机调整至1 100 r/min、50.0%负荷预热40 min，然后调整至1 600 r/min，从25.0%负荷开始，以12.5%负荷为间隔，每个工况点稳定运行5 min(负荷随运行时间的变化关系见图2)。试验期间逐秒记录DOC前端、DOC后端、CDPF后端排气温度和压力，试验结果如图11和图12所示。图12中“压力”为表压，即绝对压力与大气压力之差。

图11 1 600 r/min负荷特性工况下PODE掺混比对DOC+CDPF升温的影响

图12 1 600 r/min负荷特性工况下PODE掺混比对DOC+CDPF压降的影响

结合图2和图11可知，在低负荷(25.0%)工况，燃用P0和P10时DOC和CDPF有明显升温，而燃用P30时升温较不明显；在37.5%和50.0%负荷，燃用P10时CDPF仍有明显升温，而燃用P0、P30时CDPF后端温度低于前端；随着负荷继续升高，排气温度越来越高，且总体上3种燃料的尾气经DOC+CDPF后均呈降温的趋势。这是因为燃用P0和P10时，CO排放较高，且涡后排气温度较高，DOC载体中的催化剂活性较高，因此DOC升温比燃用P30时明显。此外，在发动机预热阶段，燃用P0和P10时发动机碳烟排放相对燃用P30时更高，CDPF载体中累积的碳烟更多。同时，在低负荷工况，燃用P0和P10时DOC后端NO2排放较高。以上原因促使CDPF载体中的碳烟发生被动再生，故燃用P0和P10时CDPF升温较为显著。

结合图2和图12可知，随着负荷升高，DOC前端和CDPF前端的排气压力逐渐增大。总体上，燃用P0时CDPF前端排气压力比P10和P30更高，其中燃用P30时CDPF前端排气压力平均比P0低0.3 kPa～0.5 kPa。这是因为燃用P0时碳烟排放更高，而燃用P10和P30时，碳烟排放较低且碳烟氧化活性更高，同时排气氧浓度也比P0高，CDPF载体中累积的碳烟能够及时再生，所以排气压力较低。

2.3.2 高转速下掺混比对温度、压降的影响

与低转速试验相同，选取高转速2 400r/min进行负荷试验，试验结果如图13和图14所示，负荷随运行时间的变化关系见图2。

图13 2 400 r/min负荷特性工况下PODE掺混比对DOC+CDPF升温的影响

图14 2 400 r/min负荷特性工况下PODE掺混比对DOC+CDPF压降的影响

由图13可知，在低负荷工况，与1 600 r/min时相似，燃用P0和P10时DOC和CDPF有较明显的升温，而燃用P30时升温相对较不明显。与1 600 r/min下不同的是，3种燃料的CDPF后端温度均高于DOC后端(即CDPF前端)，其中在中负荷(37.5%～50.0%)下燃用P0时CDPF仍有明显升温。原因主要有：对于P0和P10，发动机预热阶段CDPF载体累积的碳烟更多，且2 400 r/min工况下排气氧浓度充足，DOC后端NO2浓度比P30更高，因此碳烟的被动再生反应较剧烈，CDPF升温明显；燃用P30时，因DOC对CO转化效率较差，未被DOC催化氧化的CO进入CDPF载体继续被催化氧化，所以在中、高负荷下CDPF也有一定程度的升温。

由图14可知，当燃用P0和P10时，在低负荷(25.0%)，发动机稳定运行期间DOC前端和CDPF前端排气压力随运行时间增加略有降低，这是因为发动机预热期间CDPF载体中累积的碳烟发生被动再生。而燃用P30时，发动机预热期间碳烟生成量较少，所以发动机稳定运行时排气压力变化不大。由于PODE的掺混降低了柴油机的碳烟排放，减少了CDPF载体中碳烟的累积量，因此总体上PODE的掺混比越高则排气压力越低，降低了CDPF载体堵塞的风险。

3 结论

(1)负荷工况下，随着PODE掺混比的增加，柴油机有效燃油消耗率升高。高转速工况下，在低负荷时掺混燃料有效热效率相比燃用纯柴油低约2%；PODE掺混比较高，NOx和HC比排放会显著恶化，尤其在低转速高负荷工况。低转速工况下，随PODE掺混比增加，CO比排放降低，如燃用P30时在1 600 r/min、75.0%负荷下CO排放比P0降低了约33%，但在高转速工况下则高于P0。

(2)在低转速工况，除燃用P30的低负荷区间外，燃用3种燃料时DOC和CDPF对CO的转化效率均接近100%；燃用P0、P10时，后处理系统对NO转化为NO2的效率比燃用P30更高；低负荷区间，燃用P0、P10时DOC和CDPF有明显升温，燃用P10升温幅度更大，但燃用P30时升温幅度较小，且CDPF前端排气压力平均比P0低0.3 kPa～0.5 kPa，表明PODE的掺混有效降低了柴油机的碳烟排放。

(3)在高转速工况，随PODE掺混比增加，CDPF后端NO2浓度升高；燃用P30时，涡后排温比燃用P0、P10低约30 ℃，降低了DOC和CDPF的转化效率；3种燃料的CDPF后端温度均高于DOC后端；PODE的掺混比越高，DOC前端和CDPF前端排气压力越低，进而降低了CDPF载体堵塞的风险。

(4)综合比较，燃用P30在高负荷低转速时可提高有效热效率，降低CO排放，但有效燃油消耗率较高，NOx和HC排放有所恶化，应用方面需对柴油机进一步优化。此外，燃用P30的碳烟排放较低，CDPF载体堵塞风险较小，但中低负荷下DOC和CDPF的转化效率较差。PODE掺混比为10%时，对柴油机和后处理系统性能优化较为合适，能在一定程度上降低碳烟排放和延长CDPF再生周期，同时保证DOC和CDPF的转化效率。