二甲醚发动机满足国Ⅵ排放的试验研究

熊江勇，李重重，滕雪梅，吴会波

（南京信息职业技术学院汽车工程学院，江苏 南京 210013）

1 引言

直至2018年底，汽车工业仍然作为我国支柱型产业和经济发展的引擎产业对国家高速发展的作用和意义不言而喻。但随着我国汽车保有量的不断增大与原油供给受国际政治和经济形式的严重影响，我国对原油的稳定进口和环境保护的双重压力矛盾正显得尤为突出。因此，寻找一种可替代燃料则显得更加具有政治与经济意义。

目前国内外研究机构和学者针对二甲醚其特殊的理化特性开展了研究，证明了二甲醚发动机高效低污染燃烧的特性。文献［1］利用在汽油机中掺混（5～20）%的不同比例二甲醚发现，混合燃料的燃烧速度随着二甲醚掺入量的增加而增加。文献［2］在柴油机上进行了燃用二甲醚的实验发现，二甲醚能够实现超低排放和柔和燃烧，碳烟排放几乎为0，燃烧噪声低等特点。文献［3］在增压柴油机上研究EGR对发动机的燃烧和排放的影响发现，EGR对发动机NOX排放影响很大，但随着EGR率的增加，发动机NOX的排放幅度下降，高负荷时下降的更快。

在柴油发动机中，高压喷射系统可以通过改善燃料-空气混合和喷雾雾化来减少烟雾的排放［4-6］。文献［7-8］研究了超高压喷射对火焰结构和烟灰形成的影响，以及在恒容腔中使用直径为0.08mm的微孔喷嘴对火焰结构和烟灰形成的影响。他们发现，高压下微孔喷管喷出的喷射火焰形成的烟灰较少，烟灰粒径减小。在他们的工作中，使用200MPa和300MPa的超高喷射压力和微孔喷嘴对降低喷焰中的烟尘有明显的效果。

当发动机燃烧室内燃烧气体温度超过2000K时，很容易产生氮氧化物（NOx），因为NOx的生成是高温条件下的产物。因此，为了使NOx生成的最小化，有必要降低燃烧室的最高温度。一种简单的方法是采用EGR，将再循环气体加入到气缸的新鲜空气中，降低燃料-空气混合物中的氧浓度。DME是一种理想的替代燃料，可以从多种非化石来源合成，具有良好的点火性能，十六烷值高于石油柴油［9］，如表1所示。与传统柴油相比，二甲醚具有含氧分子结构、较高的潜热、无C-C键，因此使用二甲醚燃料可以大大减少发动机燃烧过程中烟尘的形成和发展［10-12］。

表1 二甲醚特性Tab.1 Properties of Dimethyl Ether

这里的试验发动机为在一台自然吸气的WP2.3柴油机改装成二甲醚发动机，在通过二甲醚供给正时的优化基础之上，来采用不通比例的EGR率（0%、15%和30%）方法来降低发动机有害气体排放、烟尘和尾气中总粒子数以及粒子体积的试验研究，使之达到国Ⅵ的排放标准。同时在保证该二甲醚发动机燃油经济性和动力性的前提下，为二甲醚发动机燃烧排放的方法研究提供了一定的工业参考。

2 发动机台架试验仪器和设备

本次实验测验装置由二甲醚供油高压喷射系统、直流测功机、废气排放分析仪和试验发动机组成（图1和图2）试验发动机为wp2.3柴油机改装，排量为2.3L。试验所用的试验燃料、发动机及其喷射系统的详细规格，如表2所示。

图1 实验现场Fig.1 Experimental Site

图2 实验原理图Fig.2 Experimental Schematic Diagram

表2 实验测试条件Tab.2 Experimental Test Conditions

在这项工作中，一个直流（DC）测功机系统的最大制动功率为55kW 用于控制发动机转速和扭矩以及测量发动机扭矩。为了防止蒸汽锁紧燃油供给管路，DME燃油系统由氮气和燃油压力增压而成在共轨中使用两个气动泵增压（美国产，型号为HSF-300）。为了测量曲轴转角的转速信号，将时序脉冲发生器与凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器相连。DME和柴油的喷射时间采用喷油器驱动程序（韩国产，型号为TDA 3300）进行控制。为了实现EGR，测试发动机上安装了水冷式EGR系统，包括一个控制阀来调节EGR气体的流量摄入的过程。为了控制EGR率，用EGR或自然吸气的进气量采用进气流量计系统（丹麦产，型号为GFM 57）测量空气流量。使用NOx分析仪（日本产，型号为BCL-511），HC-CO分析仪（日本产，型号为mex-554jk），烟灰分析仪（奥地利产，型号为AVL-407）。发动机循环运行后进行尾气排放测量有足够的稳定。为了提高喷射系统的耐久性，加入1000ppm的润滑性添加剂（型号为539M）。在本研究中，威克利夫（美国）被添加到DME燃料中。

为了减少测试结果的变化，所有发动机测试都在1200rpm的恒定速度下进行，使用直流测力计保持发动机转速恒定；冷却剂和油温维持在70±1℃；喷油压力保持在60MPa。在注射质量为16.4 mg的稳态条件下进行了实验研究（等价比率Φ=0.43），相当于10 毫克的传统的柴油低热值（LHV）。DME 燃料高EGR 率燃烧模式的研究包括EGR率15%（Φ=0.52）和30%（Φ=0.61），测量发动机内燃烧、废气与发动机无EGR时燃烧相比，每一种情况下的排放和纳米粒子特性（EGR为0%）。DME燃料喷射正时由40°BTDC到0°TDC。此外，对进气口的流量、排气口的流量和温度、气压、流量、EGR气体温度进行了监测，以提高实验结果的准确性测试期间EGR率的精确控制。

通过加载减速法测量，国Ⅵ（a）的NOx排放限制是1500×10-6和国Ⅵ（b）的NOx排放限制是900×10-6，而这里改装的二甲醚发动机的NOx 排放量将近为1800×10-6，因此还必须采取进一步的排放控制措施，才能满足国Ⅵ（a）和国Ⅵ（b）排放标准的要求。

3 结论与讨论

比较了二甲醚燃烧和排放有害污染物在不同的注射时间，EGR分别为0%、15%和30%时各污染气体在三种EGR速率下均有相似的变化趋势。

图3和图4为EGR率和喷射时机对废气排放的影响—烟灰和氮氧化物的特性。DME发动机的燃烧在所有的时间内，烟灰排放量间短，能够有效抑制煤烟的形成，如图3所示。随着EGR率的上升，进入发动机内尾气量增加，烟灰排放量有一定的上升。（FSN）都极低。因为DME中含氧量充足，燃烧时一般来说，烟灰的形成和氧化机制都是燃烧温度的函数，当两种机制相互竞争时，净烟灰释放量最大。由于EGR率的提高，燃烧温度的降低导致了在发动机中形成的烟灰比在气缸中氧化的烟灰多，因为氧气不足浓度由较高的废气再循环量决定。但是，如果燃烧温度是当煤烟净释放量大于最大净释放量时，煤烟的形成速度比烟尘氧化最大净释放量慢。与传统柴油相比，二甲醚燃料中含有的氧按质量计约为35%，它可能促进更彻底的燃烧，因此有效减少发动机排出的颗粒物（PM）、一氧化碳（CO）和发动机中未燃烧碳氢化合物（HC）。然而，它在氮氧化物（NOx）的排放却相反，可能部分是由燃料特性引起的在使用含氧燃料时观察到的。氮氧化物增加的另一种可能解释二甲醚燃料燃烧的形成是由于气内烟灰水平降低，因此，较低的辐射传热导致较高的气体温度。在图4 中，30%EGR燃烧表明NOx浓度非常低。NOx浓度低的主要原因是进气空气稀释、EGR增加和化学效应。

图3 EGR率对烟尘排放的影响Fig.3 Influence of EGR Rate on Soot Emission

如上所述，EGR 的增加稀释燃烧过程工作中的氧浓度。与此同时，EGR 增加了工作流体的比热容，从而降低了火焰温度。因此，随着EGR 的增加，NOx的排放量也随之增加相对减少，如图4所示。从图中可以看出，随着EGR率的增加，尾气中NOx的排放已经接近国Ⅵ（b）的排放限制要求（900×10-6）。

图4 EGR率对NOx排放的影响Fig.4 Effect of EGR Rate on NOx Emission

通过图5和图6我们可以发现HC和CO在无EGR介入情况下数值较低，这些结果可以归因于较短的扩散燃烧时间和DME中的高氧含量。高氧含量和低碳氢比会导致更完全的燃烧。因此，尽管EGR有稀释作用，但未燃烧的HC和CO的排放会得到一定的抑制作用。然而，在早期注入时间超过BTDC25°时，尤其是BTDC 30°时，HC和CO排放量均有所增加，EGR介入的情况下更是如此，远远高于0%EGR的情况。这一趋势的原因通常是在喷射早期且EGR率处于较高时，由于在长时间点火过程中，大量的注入的混合气体滞留在活塞顶部，且在各燃烧室内各配合间隙更有可能形成未燃烧的排放物。同时高EGR率也可以降低燃烧温度—降到相当低的水平，促进了HC和CO的产生。此外，早期注入燃料会降低燃烧温度，降低CO反应生成CO2的效率。

图5 EGR率对HC排放的影响Fig.5 Effect of EGR Rate on HC Emission

图6 EGR率对CO排放的影响Fig.6 Influence of EGR Rate on CO Emission

图5和图6显示在喷射时间范围从TDC到BTDC20°内，随着EGR 率从0、15%、30%依次递增发现，15%和30%的EGR 率中HC和CO的排放量略高于没有ERG率时的含量。

在图7和图8中，表明了EGR速率和注入时间对纳米颗粒产量的影响，研究了伴随着EGR率不断的变化对发动机尾气中对总粒子数（#/cm3）和粒子体积（nm3/cm3）的变化。这两个在整个喷射时间范围内，测量值随EGR率的增加而增加。不同的趋势注入时间和EGR率似乎也与烟尘（FSN）排放结果相匹配（图3）。颗粒数和颗粒体积的增加可归因于稀释效应。

图7 EGR率对尾气中总粒子数的影响Fig.7 Influence of EGR Rate on Total Particle Number in Tail Gas

图8 EGR率对尾气中粒子体积的影响Fig.8 Effect of EGR Rate on Particle Volume in Exhaust Gas

在延迟喷射时间的条件下，EGR 的使用减缓了燃烧速度，并将其延长到做功冲程，从而使颗粒由于挥发性物质在大气中的凝结而增加，发动机尾气中的排放物的数量、体积和大小都会增加。

另外，粒子数量和粒子体积的同时增加可能是由于金属灰颗粒上的多环芳烃和碳烟灰而导致的。发动机工况的EGR率通过优化注入时间，从而控制总粒子数的最小数量、粒子体积和FSN结果。

4 结论

在一台改装的柴油机上进行了DME 燃料燃烧试验，研究了不同喷射时间（40°BTDC-TDC）、不同EGR率（0%、15%、30%）下的调节排放和颗粒排放特性。

对于所研究的条件，试验结果总结如下：

（1）伴随着EGR 率的递增，DME 发动机燃烧中烟尘排放（FSN<0.008）几乎为零水平排放。尤其是喷射时间在30°BTDC时，达到最低值。该值明显是符合国Ⅵ对于FSN要求。（2）在EGR为（15～30）%的情况下，DME 发动机燃烧产生的NOx 浓度非常低。EGR在15%时，NOX排放量几乎在1500×10-6之下，符合国Ⅵ（a）对NOx的要求；当EGR在30%时，NOx排放量几乎在900×10-6之下，符合国Ⅵ（b）对NOX 的要求。（3）当BTDC 在（25～40）°之间范围内，当EGR在（15～30）%之间内的递增变化时，HC和CO的排放浓度高于未添加EGR 的浓度。因此为了配合NOx 的排放—需要增加EGR率，而又为了能够使HC和CO排放能够达标，需要在DME 发动机后增加氧化后处理器才能达到国Ⅵ排放要求。（4）从颗粒总数和颗粒体机来看，EGR率为30%时比15%时所产生更多的颗粒数量和颗粒体积。但随着注入时间的延长，在各EGR率下颗粒体积均在减小。