喷油参数对PODE、DMC掺混柴油燃烧和排放特性的影响

尹 川， 曾东建， 何 冬， 谯 晗， 曹胡泉， 韩伟强

(西华大学 流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)

面对日益突出的能源消耗和污染物排放问题，众多学者以实现柴油发动机缸内高效清洁燃烧与降低排放污染物为目标，进行了燃用含氧燃料同时结合不同的喷油策略等研究。目前应用较多的含氧燃料有生物柴油、聚甲氧基二甲醚(PODE)和碳酸二甲酯(DMC)，无C—C键且能在燃烧中起自供氧的PODE和DMC在降低碳烟排放方面具有极大潜力。双氧原子成键的分子在降低碳烟排放方面不如单碳氧键结构的分子有效[1]，酯类燃料降低碳烟排放方面不及醚类和醇类燃料，且羰基在降低碳烟排放方面具有更高潜力[2-3]。

国内外学者在改变喷油参数后，对掺混含氧燃料的柴油混合物的燃烧及排放方面做了大量研究。王庆新等[4]和嵇乾等[5]考察了喷油定时与喷油压力对掺混含氧燃料的燃烧排放物的影响，结果发现，随着喷油压力增大和喷油正时提前，NOx排放会上升，添加含氧燃料可大大降低碳烟排放。陈晖等[6]对掺混PODE的研究结果表明，低负荷下，喷油压力上升，核态颗粒物和总颗粒物数浓度会上升，高负荷下则与之相反。孙万臣等[7]固定主喷定时,改变主-预喷间隔角，发现正丁醇-柴油混合燃料的总颗粒数、积聚态颗粒物浓度随着主-预喷间隔角的增大而降低，而核态颗粒物占比增加。Liu等[8]和杨皓等[9]考察了PODE不同掺混比对燃烧排放物的影响，结果显示，随着PODE掺混比增大，碳烟排放降低幅度增大，同时NOx排放增大。掺混DMC虽然在一定程度上会增加NOx排放，但可以很好地降低碳烟的排放[10-11]。Wang等[12]研究了DMC在柴油中的掺混比最高达20%时柴油发动机的排放特性，发现柴油中每添加10%的DMC，烟度将减少20%，而NOx将增加20%；当燃料中氧质量分数达到10%时，烟度减少高达40%。Kumar等[13]在柴油中掺混15%DMC，探究了不同喷油提前角以及废气再循环(EGR)率对各种排放物的影响，发现在喷油正时为上止点后(ATDC)21°和EGR率为15%时，NOx和碳烟排放均可降低。

综上可以发现，PODE和DMC这2种含氧燃料在降低排放方面具有研究前景，但目前在柴油中添加相同氧含量的酯类和醚类含氧剂，进行燃烧与排放的相关对比研究尚较少。笔者结合不同喷油压力及主-预喷间隔角，研究了添加相同氧含量的醚类和酯类剂的柴油混合物对燃烧产生的不同模态颗粒物及气体排放物的影响，以期更深入了解掺混含氧燃料对柴油排放污染物的变化规律，对后续含氧燃料的喷油控制策略研究提供参考和数据基础支持，且在研究替代燃料方面也具有一定的现实意义。

1 试验部分

1.1 试验燃料

使用了3种基础燃料，分别为0#柴油(简称柴油)、聚甲氧基二甲醚(PODE)和碳酸二甲酯(DMC)。柴油为郫都区市售柴油；PODE，工业品，南京天佑化工有限公司产品；DMC，工业品，济宁三石生物科技有限公司产品。通过保证掺混含氧燃料氧含量一致来研究其对燃烧和排放特性的影响，PODE/柴油、DMC/柴油的氧质量分数均为6.26%。表1为试验燃料的主要物性参数。

表1 试验燃料的主要性质Table 1 The main properties of the test fuels

1.2 试验设备

试验测试台架示意图如图1所示，主要包括：测控系统发动机、电力测功机(ET-2000)、燃油喷射控制系统、发动机恒温冷却系统以及排放测量分析系统、缸压传感器(Kistler 6056A，瑞士Kistler公司产品)、电荷放大器(Kistler 5011B，瑞士Kistler公司产品)、光电编码器(40S6-720PKVE3，瑞士Kistler公司产品)、数据采集卡(NI-USB 6353，美国NI仪器采集卡)等主要仪器设备。

试验中使用的是一款直列四缸水冷柴油机，发动机的主要参数如表2所示。

图1 试验测试台架示意图Fig.1 Scheme of the test setupECU—Electronic control unit; EGR—Exhaust gas recirculation; PC—Personal computer;DMS500, AVL415S, Horiba 7100 are the model of the instrument.

表2 试验柴油机技术参数Table 2 Test main parameters of the diesel engine

1.3 试验设计

试验燃料在常温下现配现用，在配制后充分搅拌，确保不分层。同时将发动机水温控制在(85±1) ℃，转速保持在1600 r/min，负荷35%，主喷定时固定为上止点前(BTDC)5°。首先无预喷策略时调整喷油压力分别为80、90、100、110 MPa；有预喷策略时，燃油预喷质量占总喷油质量的20%，固定喷油压力为100 MPa，调整主-预喷间隔角分别为20、25、30、35° CA。探究不同喷油压力及主-预喷间隔角对掺混相同氧含量的酯类和醚类含氧添加剂的柴油在燃烧与排放方面的影响。

2 结果与讨论

2.1 缸内压力及放热分析

图2和图3分别为柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3种燃料在不同喷油压力以及主-预喷间隔角下的缸内压力及放热率曲线。现象一，随着喷油压力的提升，会使发动机缸内平压力峰值和瞬时放热率峰值均提高，放热始点向前移动。产生这样的现象可能是因为：增大喷油压力，燃油喷射的初始动能会增大，卷吸效果会增强，燃油贯穿距离增大，从而让燃油的雾化效果更好，使燃油与空气混合速率加快，能形成更加均匀的混合气；在喷射相同量的燃油时，喷射压力的增大会减少燃油的喷射时间，使燃油有更加充分的时间与空气混合，提升了燃油的蒸发和雾化速率，从而使混合气的形成更加均匀，火核的形成概率加大，增加了预混燃烧比例。现象二，增大主-预喷间隔角，会使预喷阶段的瞬时放热率峰值降低，而主喷阶段的放热始点会略有后移，主喷阶段放热率峰值增加，缸内最高压力峰值下降。增加主-预喷间隔角，预喷定时提前，预喷时刻的缸内温度、压力更低，预喷阶段的燃烧速率降低，从而使滞燃期相应延长。而随着预喷定时的提前，预喷阶段过稀混合气的比例会增加，在预喷阶段未燃的混合气的比例会增加，此时更多的未燃混合气推迟到主喷放热阶段放热，增加了主喷阶段的可燃混合气燃油比例，使主喷阶段的放热率峰值增大。但是主喷阶段的放热发生在上止点之后，气缸容积会相应的增加，因此造成燃烧温度的降低，缸内压力峰值的减小。在主预喷间隔角相同时，添加DMC与PDOE会使放热率峰值略有提升，但缸内压力峰值会略有降低。

图3 主-预喷间隔角(ai)对缸内压力(p)及放热率(Rhr)的影响Fig.3 Effects of main pre-spray interval angle (ai) onin-cylinder pressure (p) and heat release rate (RHH)(a) Diesel; (b) PODE/Diesel; (c) DMC/Diesel

2.2 气体排放物分析

图4为喷油压力对NOx排放的影响。由图4可以看出，随着喷油压力的提高，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3种燃料的NOx排放均增加。根据捷里多维奇机理，NO主要是由于火焰中的自由基O原子或OH与N原子在高于1576 ℃反应生成的，温度、反应时间、混合气氧含量是影响NOx产生的主要因素。随着喷油压力增加，燃油蒸发雾化更充分，促进预混燃烧比例增加，燃烧温度会增加，从而导致NOx排放增加。

因为PODE和DMC的运动黏度低，气化潜热值高，沸点也比柴油低[10,18]，使得燃料的挥发性和喷射贯穿距离变好。与纯柴油相比，PODE蒸发会降低缸内温度，故掺混PODE后NOx排放降低；而对于DMC来说，由于其挥发性更好，更容易形成局部富氧区域，掺混DMC后NOx排放会因此升高。由放热率可知，DMC/柴油的放热率比纯柴油高，而纯柴油的放热率比PODE/柴油高，NOx的生成机理之一是高温，因此相同喷油压力下NOx排放由高到低的燃料为DMC/柴油、柴油、PODE/柴油，而燃用PODE/柴油比DMC/柴油的NOx排放减少了13.97%。

图4 喷油压力(pi)对NOx排放的影响Fig.4 Effects of injection pressures (pi) on the NOxemission

图5为主-预喷间隔角对NOx排放的影响。由图5可见，随着主-预喷间隔角的增大，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3种燃料的NOx排放均降低，因为预喷始点提前，缸内压力和温度更低，同时预喷的燃料蒸发吸热使缸内温度、压力进一步降低，低温使主喷阶段燃料有更多混合时间，同时较多的预喷燃料混合后推迟到主喷阶段燃烧，混合均匀的燃料燃烧速率更快，反应时间减少，总体上NOx排放呈现降低趋势。

在相同氧含量的情况下，主-预喷间隔角为25° CA时，燃用PODE/柴油的NOx排放比DMC/柴油减少了12.36%。理论上，燃料中氧含量的增加会导致NOx排放增加，如DMC/柴油；但在中、低负荷下，PODE/柴油由于其较低的低热值与高十六烷值的共同作用，降低了放热率峰值与预混燃烧比例，在此条件下可以降低NOx排放。

图5 主-预喷间隔角(ai)对NOx排放的影响Fig.5 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the NOx emission

图6为喷油压力对CO和THC排放的影响。由图6可以看出，随着喷油压力的提高，纯柴油与PODE/柴油的CO排放先升高后降低，而DMC/柴油的CO排放先降低后升高，3种燃料的THC排放均降低。添加含氧燃料后，CO、THC排放相比柴油有所增加，这是因为2种含氧燃料的气化潜热值均比纯柴油高，加入后在会降低缸内初始燃烧温度[7,19]，使得CO、THC排放上升，随着喷油压力增大，2种掺混燃料和纯柴油的CO、THC排放差异明显扩大，PODE/柴油的THC排放比DMC/柴油更高。

图7为主-预喷间隔角对CO、THC排放的影响。由图7可见，增加主-预喷间隔角会使柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3种燃料的CO排放均上升。这是因为提前预喷正时，会加强预混效果，但是活塞远离上止点，缸内的压力和温度较低，同时燃料蒸发会吸收大量热量，使燃烧氛围变差，大量的燃烧中间产物不能充分燃烧，而且缸内较低的压力会使燃油雾化变差，这会使燃油更容易撞击壁面，形成“壁面油膜”，缸壁温度相对较低，使得湿壁油膜蒸发困难，导致THC排放升高。

图6 喷油压力(pi)对CO和THC排放的影响Fig.6 Effects of injection pressure (pi) on the CO and THC emission(a) CO emission vs. pi; (b) THC emission vs. pi

图7 主-预喷间隔角(ai)对CO和THC排放的影响Fig.7 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the CO and THC emission(a) CO emission vs. ai; (b) THC emission vs. ai

2.3 颗粒物排放分析

图8为喷油压力和主-预喷间隔角对碳烟排放的影响。由图8可知，随着喷油压力增加，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3种燃料的碳烟排放均大幅降低，且碳烟排放降低的幅度在减小；而随着主-预喷间隔角增大，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3种燃料的碳烟排放降低幅度较小。在喷油压力为80 MPa时，燃用PODE/柴油比纯柴油的碳烟排放减少了74.39%，燃用DMC/柴油比纯柴油的碳烟排放减少了73.87%。

提升喷油压力会减小混合燃油的粒径，加速燃料的氧化以及热分解，提高燃油的雾化质量，延长喷雾贯穿距离和增加喷雾锥角，使燃油与空气的混合更加良好，使燃油混合的均匀性增加，减少了缸内混合气局部过浓区域的形成，使燃油燃烧更彻底，从而降低了碳烟的生成。增加主-预喷间隔角，即提前预喷定时会使碳烟排放降低，这主要是因为在预喷油量固定的条件下，增加主预喷间隔角，会使主预喷燃烧阶段分离，从而形成更加均匀的混合气，预喷阶段喷入的燃油汽化会进一步使缸内温度和压力降低，会使主喷阶段的燃油有更加充分的时间与空气混合，减少了混合气局部过浓区域的形成，有利于促使主喷阶段的燃料完全燃烧，从而使碳烟排放降低。

在柴油中掺混含氧燃料后，在相同的喷油压力下，碳烟排放显著降低。主要是含氧燃料生成的含氧中间体会与生成的碳烟发生氧化反应，尤其2种含氧燃料都是无C—C键，在燃烧过程中难以形成碳核的加环反应[20]，同时会产生具有强大的氧化乙炔(C2H2)能力的活性OH自由基，降低了碳核前驱体的产生，C2H2被OH基氧化后，有效地避开了碳烟所在的生成区，同时OH基还会对已生成的碳烟进行氧化，综合影响下，燃用含氧燃料会使碳烟排放大幅降低。

在混合燃料氧含量相同的情况下，燃用PODE/柴油比DMC/柴油的碳烟排放更低。这是因为DMC具有酯基结构，在降低碳烟前驱体方面不如醇与醚有效[13,21-22]，DMC的碳原子连接了2个氧原子，同时还与1个氧原子形成双键，降低碳烟排放效果不如PDOE的碳氧单键结构好[23]。在主-预喷间隔角为35° CA时，燃用PODE/柴油比DMC/柴油的碳烟排放减少了56.84%。

图8 喷油压力(pi)和主-预喷间隔角(ai)对碳烟排放的影响Fig.8 Influence of injection pressure (pi) and main pre-injection interval angle (ai) on the soot emission(a) Soot emission vs. pi;(b) Soot emission vs. ai

柴油机排放的颗粒物按照粒径大小可分为核态颗粒物(粒径小于50 nm)、积聚态颗粒物(粒径范围为50～1000 nm)、粗糙态颗粒物(粒径大于1000 nm)。为表征不同模态颗粒物的相对变化，由式(1)计算核态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度的比例(rn，%)，由式(2)计算积聚态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度的比例(ra，%)。

(1)

(2)

式中：ca、cn、ct分别为积聚态颗粒物数量浓度、核态颗粒物数量浓度、总颗粒物数量浓度，单位均为每立方厘米的粒子数(N/cm3)。

图9为喷油压力对3种燃料不同模态颗粒物数量浓度与总颗粒物数量浓度之比的影响。由图9可以看出，加入含氧添加剂后，积聚态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比明显降低，核态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比明显增加，这也与图6的结果相一致。这是因为含氧燃料DMC和PODE都没有C—C键，可以减少燃烧过程中生成多环芳香烃，从而减少大粒径颗粒物的形成，因此积聚态颗粒物的形成会减少；同时由于众多未燃碳氢小分子排放出去，增加了核态颗粒物生成的比例。

图9 喷油压力(pi)对3种柴油燃料不同模态颗粒物数量浓度与总颗粒物数量浓度之比的影响Fig.9 Effect of injection pressure (pi) on the ratio of different modes particle numberconcentration to total particle number concentration of three kinds of diesel fuels(a) The number concentration ratio of accumulation particles (ra) vs. pi;(b) The number concentration ratio of nucleation particles (rn) vs. pi

随着喷油压力的提升，未燃碳氢化合物增多，小粒径颗粒物生成量随之增加；缸内压力和放热的提升，促进了缸内已形成的颗粒物的氧化，因此最终形成的积聚态颗粒物会减少。

图10为主-预喷间隔角对3种燃料不同模态颗粒物数量浓度与总颗粒物数量浓度之比的影响。从图10可知，随着主-预喷间隔角的增大，3种燃料积聚态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比均呈降低趋势，而核态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比均呈增加趋势。这是因为预喷定时的提前，由前面放热率和气体排放分析可知，主喷阶段放热增多，缸内未燃碳氢等小分子化合物增多，增加了核态颗粒物形成，最终形成的积聚态颗粒物被氧化率也会增大。在相同主-预喷间隔角下添加含氧燃料的积聚态颗粒物减少，核态颗粒物增多。这是由于含氧燃料的加入，使得缸内的未燃碳氢等小分子化合物增多(这与图7所示的结果相一致)，这增加了核态颗粒物的形成；同时，由于含氧燃料的加入，改善了缸内的燃烧状况，其自供氧使燃烧更充分，有助于已形成的颗粒物的氧化。从积聚态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比来看，PODE/柴油的比DMC/柴油的更低，PODE/柴油形成的颗粒物表面活性更高，更容易被氧化。

图10 主-预喷间隔角(ai)对3种柴油燃料不同模态颗粒物数量浓度与总颗粒物数量浓度之比的影响Fig.10 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the ratio of different modes particle number concentration to total particle number concentration of three kinds of diesel fuel(a) The number concentration ratio of accumulation particles (ra) vs. ai;(b) The number concentration ratio of nucleation particles (rn) vs. ai

图11为喷油压力和主-预喷间隔角对3种柴油燃料总颗粒物质量浓度的影响。由图11可知，提升喷油压力，3种柴油燃料总颗粒物质量浓度均呈现下降趋势，但降低的幅度随着喷油压力的进一步提高而减小。这是因为总颗粒物质量浓度主要是由大粒径颗粒物决定，提升喷油压力或提前预喷定时，积聚态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比就会增加。

图11 喷油压力(pi)和主-预喷间隔角(ai)对3种柴油燃料总颗粒物质量浓度(ρtp)的影响Fig.11 Effects of injection pressure (pi) and main pre-spray interval angle (ai)on total particulate mass concentration (ρtp) of three kinds of diesel fuels(a) ρtp vs. pi; (b) ρtp vs. ai

由图9和图10可知，PODE/柴油的积聚态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比低于DMC/柴油，故其总颗粒物质量浓度最低。在喷油压力为100 MPa时，燃用PODE/柴油的总颗粒物质量浓度比纯柴油降低了84.38%，比DMC/柴油降低了36.66%；在主-预喷间隔角为35° CA时，燃用PODE/柴油的总颗粒物质量浓度比DMC/柴油降低了56.40%。

图12为不同喷油压力和主预喷间隔角对颗粒物几何平均直径的影响。由图12可知，随着喷油压力或主-预喷间隔角的增加，3种柴油燃料的颗粒物几何平均直径呈减小趋势。这与上述核态颗粒物数量浓度随喷油压力及主-预喷间隔角的增大而增加相一致，小粒径的核态颗粒物数量浓度占总颗粒物数量浓度之比越大，则颗粒物几何平均直径越小。同时随着含氧燃料的加入，颗粒物几何平均直径明显减小。这是因为添加的含氧燃料能减少碳烟前驱体的形成，且能够改善局部浓混合气区域，减少了积聚态颗粒物的生成[5]。对比发现，PODE减小颗粒物几何平均直径的潜力比DMC更强，这是因为在相同的喷油压力和主预喷间隔角条件下，PODE降低碳烟排放的能力强于DMC，能够减少更多的颗粒物生成[2,23]。PODE/柴油的颗粒物几何平均直径比DMC/柴油的更小，在喷油压力为90 MPa时，PODE/柴油比DMC/柴油的颗粒物几何平均直径减小了39.45%；在主-预喷间隔角为25°CA时，PODE/柴油比DMC/柴油的颗粒物几何平均直径减小了52.77%。

图12 喷油压力(pi)及主-预喷间隔角(ai)对颗粒物几何平均直径(GMD)的影响Fig.12 Effects of injection pressure (pi) and main pre-injection interval angle (ai) on geometric mean diameter (GMD) of particulate matter(a) GMD vs. pi; (b) GMD vs. ai

3 结 论

研究了不同喷油压力和主-预喷间隔角下，柴油中添加相同氧含量的DMC和PODE燃料的燃烧及排放特性，结论如下：

(1)含氧燃料可以为缸内燃烧起到自供氧作用，改善缸内局部富燃料区域，降低碳烟排放，且PODE的碳氧单键比DMC的碳氧双键具有更好的降低碳烟的能力，添加相同氧含量PDOE/柴油比DMC/柴油表现出更低的碳烟和NOx排放，总颗粒物质量浓度、颗粒物几何平均直径也比DMC/柴油稍低，但CO、THC排放超过了DMC/柴油。

(2)喷油压力提高，柴油、PDOE/柴油、DMC/柴油的烟尘、THC排放降低，NOx排放增加，同时放热率峰值和缸内压力峰值提高，放热始点提前。主-预喷间隔角增加，3种燃料的主喷阶段燃烧放热率峰值增加，但燃烧速率加快，NOx反应时间减少，同时主喷放热率峰值提高，预喷放热率峰值和缸内压力峰值下降。相同喷油压力和主-预喷间隔角下，PODE和DMC的添加会增加核态颗粒物数量浓度占总颗粒数量浓度之比，而积聚态颗粒物数量浓度占总颗粒数量浓度之比会降低。