供油提前角對聚甲氧基二甲醚/柴油混合燃料排放的影響

田晶+孫健+陸興華+劉文君

【摘 要】將聚甲氧基二甲醚（PODE）/柴油按照1：9的體積比進行混合，調整柴油機供油提前角，分別在16°CA、18°CA和20°CA時進行排放測試。結果表明，隨著供油的提前，燃用PODE/柴油混合燃料的柴油在CO、HC的排放上有較好的改善作用，然而會增加NOx的排放；燃用PODE/柴油混合燃料時，顆粒物（PM）的總數量濃度和總體積濃度都有所下降，而提前供油會增加顆粒物的總數量濃度，降低總體積濃度，且PM粒徑分布朝小粒徑方向偏移。

【關鍵詞】供油提前角；聚甲氧基二甲醚；排放；顆粒物

中圖分類號：TK46+4 文獻標志碼：A 文章編號： 2095-2457（2017）32-0031-002

【Abstract】PODE / diesel was mixed in the volume ratio of 1： 9 to adjust the advance angle of diesel oil supply， and the emissions were tested at 16 ° CA， 18 ° CA and 20 ° CA respectively. The results show that diesel fuel with PODE / diesel blends can improve the emission of CO and HC with the advance of fuel supply， but it can increase the emission of NO x. When using PODE / diesel blends， particulate matter （PM） decreased both in the total concentration and in the total volume， while advance oil supply increased the total concentration of the particulate matter， decreased the total volume concentration， and the PM particle size distribution shifted toward the smaller particle size.

【Key words】Fuel supply advance angle； Polyoxymethylene dimethyl ether； Emission； Particulate matter

聚甲氧基二甲醚（Polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）十六烷值較高、含氧量較高、與柴油可任意比例互溶、無需對柴油機供油系統進行改動，還能有效降低柴油機的CO、HC和顆粒物（PM）排放，是一種較為理想的柴油含氧添加劑[1-3]。

目前，國內外對PODE/柴油混合燃料的研究主要集中在在柴油中摻混PODE的物化特性[3-5]和PODE/柴油混合燃料對柴油機燃燒特性和排放特性的影響[6-10]等方面，對實際使用過程中柴油機參數的改變對使用PODE/柴油混合燃料影響的研究較少。本文將PODE按照體積比1：9與柴油進行混合，調整柴油機供油提前角，并進行排放試驗。通過試驗分析不同供油提前角與PODE/柴油混合燃料排放的影響。

1 試驗燃料與試驗裝置

1.1 試驗燃料

試驗所用柴油為市售國V0#柴油，PODE中PODE3、PODE4和PODE5、PODE6-8的質量比為60.2%：27.0%：9.5%：3.3%。將PODE按照體積比0：10和1：9與柴油混合，命名為P0和P10，柴油和PODE物化特性如表1所示。

1.2 試驗裝置和試驗方法

試驗用柴油機為186FA，立式單缸四沖程風冷柴油機，其他技術參數見表2。其它試驗設備包括測功機、德圖Testo 350XL煙氣分析儀、發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀（TSI EEPS 3090）。試驗裝置分布如圖1所示。

試驗選取柴油機轉速2400r/min，在不同負荷下，分別燃用P0、P10混合燃料進行排放試驗。供油提前角每間隔2°CA設置一個點，即供油提前角設定為16°CA、18°CA和20°CA。記錄尾氣排放中的CO、HC和NOx等排放數值；并利用EEPS 3090測量排氣中的顆粒粒徑分布。

2 試驗結果與分析

2.1 供油提前角對排氣污染物排放的影響

柴油機NOx的產生條件是高溫富氧，以及在高溫下的反應時間，負荷越大，缸內溫度越高，NOx的排放隨之增加[12-13]。相同供油提前角，燃用P10混合燃料比P0的NOx排放略有增加，100%負荷工況下，燃用P10混合燃料比燃用P0的NOx排放增加了1.8%，這取決于P10混合燃料中含氧量的增加。

不同供油提前角燃用P10混合燃料的NOx排放，則隨著供油提前而顯著增加，100%負荷工況下，供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的NOx排放增加了19.65%和61.47%。當供油提前時，滯燃期延長，最高燃燒溫度升高，NOx排放增加，如圖2所示。

柴油機HC排放主要因為滯燃期內在噴霧下游形成的過稀混合氣區，以及噴注核心的混合氣過濃 [14]。在柴油中摻混PODE可降低HC排放，這是因為燃油中的含氧量增加改善燃燒，使燃燒更充分。其中50%負荷工況下，燃用P10混合燃料比燃用P0的HC排放降低最多，降低了10.26%。不同供油提前角燃用P10混合燃料的HC排放，隨著供油提前也略有降低。這是由于供油提前，使混合氣更加均勻，燃燒也更充分。其中75%負荷工況下，供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的HC排放分別降低最為明顯，降低了4.26%和11.70%。endprint

柴油機CO的生成原因是由較低的燃燒溫度和較高的混合氣濃度[15]。在柴油中摻混PODE和提前供油，都有利于降低CO排放，這與燃油中含氧量增加和提前供油改善燃燒有關。其中， 100%負荷工況下，燃用P10比燃用P0的CO排放降低了35.06%，而供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的CO排放僅分別降低了6.25%和9.09%。

2.2 供油提前角對PM排放的影響

100%負荷下，供油提前角對PM排放的影響如圖3所示，橫坐標為分級后的各級特征粒徑DP，縱坐標為各級PM數量濃度，總數量濃度和總體積濃度分別記為ntotal和Vtotal，見圖4。

PM數濃度和粒徑隨著負荷的增加而增大，相對應的總數濃度和總體積濃度也隨著負荷的增大而顯著增加。隨著負荷增加，燃油消耗量增加，混合氣濃度較高，缸內溫度升高，缸內壓力較大，易生成由不完全燃燒產生的碳核顆粒；且排氣流速增加，核態顆粒間的碰撞、團聚更劇烈，更容易形成大顆粒，而被氧化的時間較短。燃用P10和燃用P0對比，由于含氧量的增加，PM粒徑分布朝小粒徑方向偏移，而燃料本身的含氧量增加，也抑制的碳核的生成。隨著供油提前角的增大，PM粒徑分布朝小粒徑的方向偏移，PM的總數濃度略有上升，總體積濃度則隨著供油提前角的增大而下降。提前供油可改善燃料，且滯燃期延長，生成的PM在缸內被氧化的時間較長，大量大顆粒被氧化成小顆粒，因此供油提前角的增大使得PM粒徑分布朝小粒徑方向偏移；而提前供油導致混合氣濃度增加，燃燒不完全的情況更加嚴重，因此PM總數量濃度隨著供油提前而增大。100%負荷工況下，燃用P10比燃用P0的PM總數量濃度和總體積濃度分別降低了11.47%和15.51%；而供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的PM總數量濃度分別增加了11.65%和22.93%，總體積濃度降低了5.23%和12.83%。

3 結論

（1）在柴油中摻混PODE和提前供油，有利于降低CO和HC的排放，而NOx排放則有所上升。100%負荷工況下，燃用P10混合燃料比燃用P0的CO和HC排放分別降低了35.06和10.26%，NOx排放增加了1.8%；供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的CO排放分別降低了6.25%和9.09%，HC排放分別降低了4.26%和11.70%，NOx排放分別增加了19.65%和61.47%。

（2）在柴油中摻混PODE，PM粒徑分布朝小粒徑方向偏移，100%負荷工況下，燃用P10比燃用P0的PM總數量濃度和總體積濃度分別降低了11.47%和15.51%；供油提前角為16°CA時，燃用P0和燃用P10的幾何平均粒徑分別為110.44nm、108.15nm。

（3）提前供油，PM粒徑分布朝小粒徑方向偏移，然而PM總數量濃度卻有所上升。100%負荷工況下，供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的PM總數量濃度分別增加了11.65%和22.93%，總體積濃度分別降低了5.23%和12.83%；燃用P10時，供油提前角為16°CA、18°CA和20°CA的幾何平均粒徑分別為108.15nm、99.16nm和89.14nm。提前供油對PM粒徑分布的影響，較在柴油中摻混PODE對PM粒徑分布的影響大。

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