含氧寬餾分燃料在壓燃式發動機上的燃燒和排放特性?

李博文，劉浩業，王 志，王建昕

含氧寬餾分燃料在壓燃式發動機上的燃燒和排放特性?

李博文，劉浩業，王 志，王建昕

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

寬餾分燃料由于其優異的理化特性，可改善壓燃式發動機的燃燒和排放特性。但由于其著火性較差，易出現燃燒效率低、冷起動困難等問題。為改善汽柴油混合寬餾分燃料的著火性，同時提高燃料的含氧量以進一步降低顆粒物排放，將高十六烷值、高含氧量的聚甲醛二甲醚(PODE)與傳統柴油和汽油進行摻混，配制成含氧寬餾分燃料(GDP燃料)，并在輕型車用四缸柴油機上對其進行試驗研究。結果表明，用GDP燃料可使燃燒效率明顯提高，有效熱效率比原機高1%～4%，同時降低中小負荷NOx和碳煙的排放，使總顆粒物的質量和數量排放大幅度下降。

寬餾分燃料；聚甲醛二甲醚；燃燒與排放；顆粒物

前言

目前，汽油和柴油是汽車發動機中最常用的兩種燃料。其中，汽油的十六烷值較低，采用火花點火火焰傳播的燃燒模式，熱效率較低；而柴油揮發性較差，采用擴散燃燒的燃燒模式，顆粒物排放較高。寬餾分燃料[1]，即餾程范圍從汽油初餾點到柴油終餾點的內燃機燃料，可融合柴油和汽油兩種燃料的優點，這種燃料與柴油相比有較高的揮發性，而與汽油相比有較高的十六烷值。

現階段將汽油和柴油進行混合是獲得寬餾分燃料的簡易實用途徑[2]。現有的汽柴油混合寬餾分燃料的研究結果表明，這種燃料可在較寬的負荷范圍內穩定運行，并在不影響熱效率和NOx排放的情況下降低碳煙排放[3-9]。同時，綜合考慮各種發動機參數指標，汽油摻混比為50%時效果較好[7-8]。

然而，由于大量汽油成分的導入使寬餾分燃料的著火性明顯低于柴油，導致發動機的燃燒效率下降，CO和THC排放惡化，循環波動加劇[3，8]。同時，為保證壓燃式發動機的冷起動性能，燃料的著火性也不能過低。因此，須在寬餾分燃料中添加其他成分以改善燃料的著火性，同時若此成分具有較好的揮發性和較高的含氧量，則可避免由于著火性提高、滯燃期縮短造成的碳煙排放升高現象。

常見的幾種含氧燃料種類及其著火性和含氧量對比如圖1所示，聚甲醛二甲醚(PODE)是一種比較理想的含氧添加成分，它是指分子式為CH3O(CH2O)nCH3的醚類聚合物，其中n表示聚合度，即分子中甲氧基的個數，它的理化特性如表1所示。由表可見，PODE的十六烷值很高，甚至高于柴油，含氧量也較高，接近50%。但當聚合度n＝2時，燃料的閃點過低，安全性較差[10]；而當n≥5時，燃料的凝點較高，在室溫下使用會影響流動性，所以PODE3-4更適合作為燃料使用。由文獻[11]～文獻[13]可知，通過生物質燃料制得PODE3-5，并將該燃料應用于柴油機，可以實現PM的近零排放，且未出現NOx和PM的tradeoff現象。由文獻[14]和文獻[15]可知，通過煤基燃料制得的PODE3-4比較適合作為壓燃燃料使用，并將其與柴油和汽油進行摻混形成三組分燃料，來與汽柴油寬餾分燃料(GD)和純柴油進行對比。單缸發動機試驗結果表明，三組分燃料的滯燃期明顯比GD燃料短，且可在極低碳煙排放的情況下降低NOx排放。由文獻[16]可知，將PODE與柴油的混合燃料應用于多缸重型柴油機中，結果也表明了混合燃料在保持極低碳煙排放的同時有效降低了NOx的排放。

圖1 幾種常見含氧燃料的性質

基于上述思路，本文中將這種燃料與汽油和柴油進行摻混形成三組分含氧寬餾分燃料(GDP燃料)，以期改善寬餾分燃料的著火特性并進一步降低碳煙排放。同時考慮產業化應用，在一臺輕型車用四缸柴油機上進行試驗，并對燃燒和排放結果進行分析。

1 試驗方法與試驗燃料

1.1 試驗設備

本文中使用一臺四缸輕型車用柴油機，發動機具體參數如表2所示。

表2 發動機參數

臺架試驗系統簡圖如圖2所示。其中，渦輪增壓系統和中冷廢氣再循環系統(EGR)均沿用原機系統，增壓中冷器使用外接循環冷卻水。使用AVL GH14P缸壓傳感器采集缸壓，缸壓信號以第一缸為準，使用AVL Indicom621型燃燒分析儀分析缸壓信號和放熱率，分析數據由連續100個循環平均得到。使用AVL CEBII型排放分析儀測量NOx，CO和THC 3種常規氣體排放物。使用AVL 439型不透光煙度計測量碳煙排放，使用AVL 472部分流顆粒物采集系統測量顆粒物質量(PM)，采用DMS 500微粒分析儀測量顆粒物數量(PN)。將AVL 472采集到的顆粒物進行萃取和稱重分析得到可溶性有機物(SOF)和碳煙兩種成分的質量排放。其中，SOF組分用二氯甲烷萃取，萃取的時間超過12h，而由于試驗中采用的是含硫量極低的燃料，所以剩余成分基本上全是碳煙。燃燒效率ηc通過CO和THC排放值來計算[17]：

式中：mCO，mTHC和 mf分別為排氣中的 CO，THC 和發動機消耗燃料的質量，kg/h；HuCO，HuTHC和 Huf分別為CO，THC和燃料的低熱值，MJ/kg。

1.2 試驗燃料

圖2 多缸機臺架示意圖

本文中用來配置寬餾分燃料的基礎燃料是北京市售0#柴油和92#汽油，以及由山東玉皇公司生產的PODE燃料，各成分的比例為 PODE2∶PODE3∶PODE4＝2.5% ∶88.9% ∶8.5%，剩余其他成分約占0.1%。試驗中所采用的GDP燃料的各組分體積比為柴油∶汽油∶PODE＝35%∶35%∶30%。 各基礎燃料與GDP燃料的理化特性如表3所示，表中GDP燃料的十六烷值采用文獻[18]中的式(6)和式(7)推算得到。GDP燃料、柴油、汽油和柴汽油各半的GD燃料的蒸餾特性曲線如圖3所示。由圖表可見，GDP燃料的十六烷值非常接近國IV柴油十六烷值下限(49[19])，高于 GD燃料(約為35.8[16])。而GDP燃料的揮發性優于柴油和GD燃料，燃料含氧量也遠高于柴油，有利于降低碳煙排放。但GDP燃料的熱值低于柴油，這導致在相同的負荷下噴入氣缸內的燃料量有所上升。

1.3 試驗工況

本文中，通過對不同工況點進行噴油時刻的掃略，并綜合考慮排放和熱效率兩個指標選取最佳噴射時刻，在此噴射時刻下研究GDP燃料的顆粒物組成成分和與原柴油機的對比。

表3 基礎燃料和混合燃料理化特性

圖3 各燃料蒸餾特性曲線

試驗過程中，發動機的轉速固定在1 600r/min，共選取從小到大5個不同的負荷工況點，有效平均壓力(BMEP)分別為 0.26，0.48，0.69，1.00 和1.33MPa。每個工況點控制策略的選擇參考原柴油機同工況下的控制策略。其中，5個工況點的EGR率分別為44%，47%，27%，0和0。在2個小負荷工況點(BMEP為0.26和0.48MPa)采用單噴策略，而在3個中高負荷工況點(BMEP為0.69，1.00和1.33MPa)由于單噴時壓升率過高而采用雙噴策略，第一次噴射比例不大于20%，具體比例通過前期預試驗選定，兩次噴射的間隔固定為20°CA，主要篩選條件是最大壓升率、熱效率和NOx與碳煙排放。在進行噴油時刻對排放影響的試驗中，需保證最大壓升率小于1.0 MPa/(°)。

2 試驗結果分析

2.1 噴油時刻對發動機性能的影響

圖4 BMEP＝0.26MPa工況點噴油時刻變化的試驗結果

圖6 BMEP＝0.69MPa工況點噴油時刻變化的試驗結果

圖4 ～圖8分別為5種不同負荷工況點4個指標隨噴油時刻而變化的試驗結果。由圖可見，小負荷工況點噴射時刻越早，燃燒效率和有效熱效率越高；而中高負荷工況點，隨著噴射時刻的進一步提前，有效熱效率略有下降。這主要是因為小負荷工況缸內溫度較低，滯燃期較長，燃燒發生在上止點之后，所以噴射時刻越早，燃燒就越靠近上止點，燃燒效率和有效熱效率也就越高。而在中高負荷工況點，由于采用兩次噴射，噴射過早會使第一次噴射的燃料燃燒效率下降，導致整體熱效率下降。同時可以看出，GDP燃料在中高負荷工況點時的燃燒效率總體略高于原柴油機。其原因主要是燃料著火性能的提高和自含氧性使得燃燒更加充分。而在小負荷工況(BMEP＝0.26MPa)下，由于采用了較大的EGR率，出現缸內溫度偏低，滯燃期增長，混合時間過長導致混合氣過稀，燃燒效率偏低的現象。但在噴射時刻較早時，其燃燒效率還是能達到接近原柴油機的水平。相比之下，汽柴油混合燃料在各負荷工況點均出現不完全燃燒產物高、燃燒效率低于柴油等問題[16，20]，這在使用了高EGR率的工況下尤其明顯[14]。由此說明，本文中采用PODE提高寬餾分燃料著火性能的方法是有效的。

圖7 BMEP＝1.00MPa工況點噴油時刻變化的試驗結果

從結果還可看出，在所有工況點，NOx排放都隨噴射時刻(后3組工況點為第二次噴射時刻)的提前而上升。在負荷較小的2個工況點，碳煙排放(不透光度)也隨噴射時刻的提前而略有上升，但總體維持在較低的水平；而在中高負荷，碳煙排放隨噴射時刻的變化不明顯，一直維持在極低值。

在每個工況點綜合考慮排放和熱效率兩個指標，得到每個工況的最優噴射時刻，選取的原則是盡量使每種排放和有效熱效率達到最優，同時要使各項指標盡量優于原柴油機。因此在 BMEP＝0.26MPa工況點，噴射時刻選取上止點前7°CA，因為在此噴射時刻，有效熱效率高于原柴油機，NOx和不透光度低于原柴油機，選取其他點則不能同時滿足NOx排放和有效熱效率均優于原柴油機的要求；在BMEP＝0.48MPa工況點，噴射時刻選取上止點前7°CA，因為在此噴射時刻，NOx排放低于0.4g/(kW.h)，此數值為歐VI重型柴油機排放法規限值，而有效熱效率比最高熱效率點只低約0.5%；在BMEP＝0.69MPa工況點，第二次噴射時刻選取上止點后2°CA，因為在此噴射時刻，有效熱效率比最高熱效率點只低約0.5%，而NOx則遠低于最高熱效率點；在BMEP＝1.00MPa工況點，第二次噴射時刻選取上止點后1°CA，同樣因為在此噴射時刻，有效熱效率比最高熱效率點低不超過1%，而NOx遠低于最高熱效率點；在BMEP＝1.33MPa工況點，第二次噴射時刻選取上止點前1°CA，因為在此噴射時刻，NOx排放比最低點只高約1g/(kW.h)，而有效熱效率高1%以上，綜合考慮兩個指標，選擇此噴射時刻為最優點。而經過優化后，負荷在BMEP＝0.48MPa和以上的4個工況點，有效熱效率約比原柴油機高1～4個百分點。

2.2 顆粒物質量排放及粒徑分布對比

圖9為優化后柴油和GDP兩種燃料在不同負荷工況點的顆粒物質量排放(PM)和各成分排放對比。由圖可見，使用GDP燃料后，PM排放明顯比原柴油機低，降幅為13%～81%，在中小負荷尤其明顯，這種趨勢也與顆粒物中的碳煙組分變化趨勢相同。這是因為在中小負荷，原柴油機為了降低NOx排放而使用了較高的EGR率，導致柴油燃燒情況惡化，此情況在BMEP＝0.69MPa工況點尤為明顯，所以此工況下的原機碳煙排放明顯偏高。而在小負荷工況，由于EGR率超過40%而出現低溫燃燒現象，碳煙排放反而偏低。由于GDP燃料的揮發性較好、含氧量較高，即使EGR率略高于原機，也可較好地控制顆粒物尤其是其中碳煙組分的排放。

圖9 不同負荷下PM排放對比

由圖同時可見，燃用GDP燃料時所有工況點的碳煙排放都比燃用柴油時明顯降低，這是PM排放降低的主要原因。同時，大多數工況點的SOF排放也比原柴油機低。這是因為隨著負荷的增大和增壓度的提高，燃料揮發性的增加導致的過度混合現象不明顯，而含氧量的增加則會加強燃料的燃燒過程，降低不完全燃燒產物的生成。但在小負荷工況點(BMEP＝0.26MPa)，由于GDP燃料的揮發性優于柴油，易出現過度混合導致混合氣偏稀，著火性的提高尚不能完全消除燃燒不完全問題，使SOF略高于柴油。

圖10為優化后兩種燃料在不同負荷工況點的顆粒物數量和粒徑分布對比。由圖可見，GDP燃料在所有工況點的凝聚態顆粒物數量均低于原柴油機排放，此部分顆粒物的主要組成成分是碳煙，這與前面的分析吻合。而在中高負荷工況點，核態顆粒物的排放也低于原柴油機。但在小負荷工況點，GDP燃料的核態顆粒物數量較多，而此部分顆粒物的主要組成成分就是顆粒物排放中的SOF成分，這也與前面的分析吻合。

3 結論

為改善寬餾分燃料著火性差導致燃燒不完全的問題，本文中將PODE與汽油和柴油進行摻混形成高著火性、高含氧量的GDP燃料，主要結果如下。

(1)在壓燃式發動機中使用GDP燃料，燃燒效率接近甚至超過原柴油機，高于GD燃料，這種現象在小負荷、高EGR率工況尤其明顯。

(2)在中小負荷工況點，使用GDP燃料可以同時降低NOx和碳煙排放，并保持有效熱效率高于原柴油機。其中，在負荷為BMEP＝0.48MPa及以上工況點時有效熱效率比原柴油機高1～4個百分點。

圖10 各工況點顆粒物數量和粒徑分布的對比

(3)在柴油機中使用GDP燃料，可使顆粒物排放尤其是碳煙組分大幅降低，降幅為13%～81%，此現象在中小負荷尤其明顯。同時，使用GDP燃料在小負荷會帶來顆粒物中的SOF組分排放升高的問題。

(4)除小負荷工況點外，其余各工況點使用GDP燃料后的PN也遠低于柴油，而在小負荷工況點主要是核態顆粒物數量升高導致PN高于原柴油機。

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Combustion and Emission Characteristics of Compression-ignition Engines Fuelled with Oxygenated Wide Distillation Fuel

Li Bowen，Liu Haoye，Wang Zhi＆ Wang Jianxin

Tsinghua University， State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy， Beijing 100084

Wide distillation fuel(WDF)can improve the combustion and emission characteristics of compression-ignition engines due to its better physical and chemical properties than diesel，but because of its poor ignitability，leading to the problems of low combustion efficiency and cold start difficulty.To improve the ignitability and increase the oxygen content of WDF for further reducing particle emission，a WDF containing oxygen is formulated by blending Polyoxymethylene dimethyl ethers(PODE)， which has high cetane number and oxygen content， with gasoline and diesel fuel to form a three-component fuel， abbreviated as GDP， which is then tested on a four-cylinder diesel engine for light vehicles.The results show that fueling GDP fuel can apparently enhance combustion efficiency， with an effective thermal efficiency increases by 1～4 percentage points while the emissions of NOxand soot lower at medium and low loads，resulting in significant fall of total particle mass and number emissions.

wide distillation fuel；PODE； combustion and emission； particles

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.11.003

?國家重點基礎研究發展(973計劃)項目(2013CB228404)資助。

原稿收到日期為2016年11月30日，修改稿收到日期為2017年1月9日。

王志，副教授，E-mail：wangzhi＠ tsinghua.edu.cn。