瞬态工况下掺混PODE对混合动力柴油机排放特性的影响*

2021-12-11陈东东李国兴乔天佑侯振宁

汽车工程 2021年11期

陈东东，王铁，李国兴，乔天佑，侯振宁

（太原理工大学车辆工程系，太原030024）

前言

随着环境污染和石油资源短缺问题的加剧，人们越来越注重汽车的环保与节能，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中提到：到2035年，传统能源动力乘用车将全部转变为混合动力，而新能源汽车将成为主流［1］。混合动力汽车兼具纯电动汽车和传统燃油车的优点，发动机是其主要动力源之一，混合动力汽车需要发动机快速起动，其瞬态程度更高，势必造成起动过程排放控制困难［2-3］。同时混合动力汽车模式切换时，需要发动机迅速达到指定转速和负荷，其瞬态特性较强，故造成其瞬态工况下的高排放［4-5］。

混合动力汽车柴油机的主要排放物之一为Soot，含氧燃料可有效降低柴油机的Soot排放，较高的十六烷值可以有效地降低颗粒物中的可溶性有机物［6-7］。聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）具有较高的十六烷值和氧含量，成为柴油添加剂的首选，同时也是清洁代用燃料中的研究热点。

国内外研究学者针对PODE和柴油掺混燃料对柴油性能的影响展开大量研究。王志等［8］研究发现在柴油中添加20%的PODE3-4，可使轻型柴油机大负荷下的碳烟降低90%，重型柴油机在欧洲稳态循环下颗粒物降低36.2%。冯浩杰等［9］研究发现，柴油中掺混PODE，在额定工况下，柴油机的CO、HC和排气烟度均有所降低，NOx排放基本不变。王其平等［10］研究发现，PODE可以减少缸内的不均匀程度，降低排放物。陈东东等［11］研究发现，在最大转矩工况点下，F-T柴油掺混PODE可以降低其CO和Soot排放。田晶等［12-14］人研究发现，相同柴油机工况下，随PODE掺混比的提高，NOx排放先上升后下降，提高PODE掺混比有利于降低柴油机PM排放。Christophe等［15］研究发现PODE与柴油掺混，在不同负荷下可以同时降低NO和碳烟排放及燃烧噪声。赵玉伟等［16］对掺混PODE的国六柴油机排放性能进行了研究，研究结果显示，CO和碳烟排放量在高负荷工况下降低幅度较大。

综上，柴油掺混PODE可改善柴油机的排放特性，但均基于普通柴油机在稳态工况下进行的研究，很少涉及到多元掺混燃料在混合动力发动机上的应用，针对其在混合动力发动机瞬态工况的研究更鲜有报道，为研究瞬态工况下掺混PODE对混合动力柴油机排放特性的影响，本文基于单轴并联式柴油混合动力试验平台，分别燃用0#柴油、PODE体积比为10%和20%的0#柴油/PODE混合燃料这3种燃油，研究不同瞬态工况下发动机排放特性，为多元燃料在混合动力发动机上的应用提供试验依据。

1 试验燃料

试验所用的基础燃料包括0#柴油和PODE，其理化性质如表1所示。以0#柴油为基础燃料，配置PODE体积比分别为10%和20%的柴油/PODE掺混燃料，分别记为D90P10和D80P20。

表1 燃料理化指标

2 试验设备及方案

2.1 试验设备

试验所用发动机为云内D25TCIE1高压共轨柴油机，原机ECU，未对发动机做任何改造。该机主要技术参数如表2所示。试验过程基于单轴并联式油电混合动力试验台架进行，油电混合动力台架如图1所示。

图1 测试系统布置示意图

表2 试验样机主要技术参数

试验所用测试设备主要有：四川诚邦ET4000发动机测控系统，160 kW电力测功机，AVL SES-AM i60 FT多组份尾气排放分析仪，AVL Micro Soot Sensor 483微碳烟排放测试系统，Kistler燃烧分析仪，Kistler 2614C角标仪，Kistler 6125B缸压传感器。

2.2 试验方案

混合动力柴油机的瞬态工况主要为急加速和快速起动，本文所研究的急加速工况为负载恒转速，驱动恒位置模式下，保持转速1 900 r/min（最大转矩转速）不变，油门从25%增加到35%，过渡时间分别为0、2和5 s。快速起动工况为电机以800 r/min的转速拖动发动机起动，起动后电机立即卸载转矩，发动机怠速运行。在这两个瞬态工况下，分别燃用0#柴油、D90P10和D80P20 3种燃料，测量其瞬态参数及瞬态排放数值。试验的环境温度为室温25℃左右，发动机机油温度为85℃左右。

为保证试验的可靠性和结果的准确性，在试验前所有测试仪器都进行标定和校准。高速拖动的设备为电力测功机，当达到设定的速度时断开驱动转为无负载模式，试验过程中，发动机测试系统每0.5 s记录一组数据；25组份尾气排放分析仪（采样频率1 kHz）和微碳烟排放测试系统（采样频率5 kHz）在瞬态工况中持续测量，试验结果除去无效值。

3 试验结果分析

3.1 急加速和快速起动工况瞬态特性

图2 为混合动力柴油机在转速为1 900 r/min油门从25%升到35%不同过渡时间的瞬态特性对比。从图2（a）可以看出，定转速升油门的调节过程中，转速会先升高后降低，过渡时间越短，急加速过程中的转速峰值越高，其瞬态特性越强。过渡时间为0、2和5 s时，转速超调量分别为163、115和64 r/min。从图2（b）中可以看出，定转速升油门的调节过程中，发动机的转矩缓慢上升，没有出现瞬态峰值，随着过渡时间的增大，转矩的变化速率减小。恒转速变油门瞬态过程中，转速和转矩随时间的变化趋势一样，主要是因为测控系统的调节方式为PID调节，当油门增加时，转速和转矩同时响应，转速迅速升高，随着转矩的升高慢慢回落到指定转速。

图2 1 900 r/min，25%-35%油门开度瞬态特性

图3 为混合动力柴油机800 r/min拖动快速起动过程转速和转矩随时间的变化，由图3可以看出，电机拖动发动机起动，拖动1 s后将发动机拖动到怠速800 r/min。由于起动初期，电机拖动转矩大于发动机自身产生的转矩，所以系统总转矩为负，随着4 s后电机卸载，系统输出正转矩，发动机转矩从起动开始输出正转矩，随着时间的变化先升高后降低，主要是发动机初期喷油过多，所以转矩增大，随着喷油量的减少，转矩随之减小。

图3 800 r/min拖动起动过程瞬态特性

3.2 急加速瞬态排放特性分析

瞬态工况下，喷油量和进气量都在时刻变化，排气能量随之变化，由于涡轮增压器的存在，进气压力和涡轮增压压力也随之改变，导致柴油机油气混合状态等燃烧条件的改变，最终影响发动机的排放性能。3.2.1 NOx排放

图4 为混合动力柴油机燃用3种油品时，在1 900 r/min油门从25%升到35%不同过渡时间的NOx排放对比。从图4中可以看出，无论过渡时间的长短，瞬态加速过程中的NOx排放均未出现峰值，平稳变化，但随着过渡时间的减小，NOx排放会增加。从图4（a）中可以看出，燃用0#柴油时，相比5 s过渡过程，0和2 s过渡过程中NOx累加排放量分别增大27%和16%。图4（b）中可以看出，燃用D90P10时，相比5 s过渡过程，0和2 s过渡过程中NOx累加排放量分别增大19%和9%。从图4（c）中可以看出，燃用D80P20时，相比5 s过渡过程，0和2 s过渡过程中NOx累加排放量分别增大30%和14%。

图4 1 900 r/min，25%-35%油门开度瞬态加速NOx排放

相比燃用0#柴油，掺混PODE使得瞬态加速过程中的NOx排放有所增大，随着PODE比例的增大，NOx排放先升高后降低。这主要是因为PODE具有高含氧的特点，同时PODE容易蒸发，可以改善其燃烧特性，增加了混合动力柴油机的高温富氧区域，导致掺混PODE后，NOx排放有所升高。由于其热值较低，放热率降低，动力性下降，燃油消耗量有所增大，混合气浓度随之增大，对NOx排放的生成形成不利因素，同时PODE具有较高的十六烷值，滞燃期短，预混燃烧减少，也阻碍了NOx排放的生成，所以，随着PODE比例的增大，NOx排放有所降低。

3.2.2 Soot排放

图5 为混合动力柴油机燃用3种油品时，转速为1 900 r/min油门从25%升到35%不同过渡时间的Soot排放对比。从图5中可以看出，无论过渡时间的长短，瞬态加速过程中的Soot排放均出现峰值，随着过渡时间的减小，Soot排放峰值增大。从图5（a）中可以看出，燃用0#柴油时，相比稳态目标工况时的Soot排放值，0、2和5 s过渡过程中Soot排放峰值分别增大173%、104%和91%。从图5（b）中可以看出，燃用D90P10时，相比稳态目标工况时的Soot排放值，0、2和5 s过渡过程中Soot排放峰值分别增大217%、158%和132%。从图5（c）中可以看出，燃用D80P20时，相比稳态目标工况时的Soot排放值，0、2和5 s过渡过程中Soot排放峰值分别增大200%、137%和132%。

图5 1 900 r/min，25%-35%油门开度瞬态加速Soot排放

相比燃用0#柴油，掺混PODE使瞬态加速过程中的Soot排放大幅降低，但其瞬态排放畸变明显，随着PODE比例的增大，Soot排放降低程度减小，同时瞬态排放畸变减弱。相比燃用0#柴油，燃用D90P10和D80P20时，在过渡时间为0时，加速过程中的Soot排放峰值分别降低37%和63%；在过渡时间为2 s时，加速过程中的Soot排放峰值分别降低31%和59%；在过渡时间为5 s时，加速过程中的Soot排放峰值分别降低34%和57%。

这是由于在压燃式柴油机中，Soot的形成是因为油气混合不均匀，在局部高温缺氧的环境中碳原子无法被完全氧化，其主要是在柴油机的扩散燃烧期生成。PODE的高含氧特性，解决了其混合气过浓区域的缺氧问题，抑制了Soot的生成，同时PODE的十六烷值较大，滞燃期短，易着火燃烧，导致碳原子氧化完全，生成少量的Soot。所以掺混PODE可以降低瞬态加速过程中的Soot排放。但是随着PODE比例的增加，其含氧量的优势会减弱，故其Soot排放的降低程度会减小。

3.3 快速起动瞬态排放特性分析

3.3.1 CO排放

图6 为3种油品在800 r/min拖动起动工况下CO排放随时间的变化曲线对比。从图6中可以看出，起动过程中，CO的瞬态排放畸变明显，随着时间的变化，CO先升高后降低，存在峰值。掺混PODE可以使起动过程中CO排放峰值降低，相比燃用0#柴油，燃用D90P10和D80P20时，起动过程中CO排放峰值分别降低10%和26%。

图6 800 r/min拖动起动过程CO排放对比

这是由于柴油机CO的生成主要是由不完全燃烧导致的，主要由缸内燃烧程度和氧浓度决定。由于PODE含有氧原子，掺混PODE可以增加混合气的氧浓度，同时PODE的沸点较低，容易蒸发雾化，可以改善缸内燃烧状况，抑制CO排放的生成。

3.3.2 NOx排放

图7 为3种油品在800 r/min拖动起动工况下NOx排放随时间的变化曲线对比。从图7中可以看出，起动过程中，NOx的瞬态排放畸变明显，随着时间的变化，NOx先升高后降低，存在峰值。掺混PODE对起动过程中NOx排放影响不大。主要是因为，NOx排放的生成条件是高温富氧，在起动工况下，温度占主导因素，其温度较低，抑制了富氧条件的优势。

图7 800 r/min拖动起动过程NOx排放对比

3.3.3 Soot排放

图8 为3种油品在800 r/min拖动起动工况下Soot排放随时间的变化曲线对比。从图8中可以看出，起动过程中，Soot的瞬态排放畸变明显，随着时间的变化，Soot先升高后降低，存在峰值。掺混PODE可以使起动过程中Soot排放峰值降低，随着PODE比例的增大，其Soot降低幅度减小。相比燃用0#柴油，燃用D90P10和D80P20时，起动过程中Soot排放峰值分别降低53%和60%。

图8 800 r/min拖动起动过程Soot排放对比

这是由于快速起动工况的瞬态特性较强，其混合气浓度较浓，掺混PODE后，混合燃料的氧含量提升，解决了一部分缺氧的问题，当满足富氧条件时，温度此时的作用凸显，随着PODE比例的增大，掺混燃料的热值降低，放热率降低，缸内温度有所降低，故掺混PODE后，起动过程中的Soot排放降低。由于PODE十六烷值较大，滞燃期短，预混燃烧较少，容易着火，故掺混燃料在起动过程中Soot峰值出现的时间点较0#柴油有所提前。