二甲醚發動機滿足國Ⅵ排放的試驗研究

熊江勇，李重重，滕雪梅，吳會波

（南京信息職業技術學院汽車工程學院，江蘇 南京 210013）

1 引言

直至2018年底，汽車工業仍然作為我國支柱型產業和經濟發展的引擎產業對國家高速發展的作用和意義不言而喻。但隨著我國汽車保有量的不斷增大與原油供給受國際政治和經濟形式的嚴重影響，我國對原油的穩定進口和環境保護的雙重壓力矛盾正顯得尤為突出。因此，尋找一種可替代燃料則顯得更加具有政治與經濟意義。

目前國內外研究機構和學者針對二甲醚其特殊的理化特性開展了研究，證明了二甲醚發動機高效低污染燃燒的特性。文獻［1］利用在汽油機中摻混（5～20）%的不同比例二甲醚發現，混合燃料的燃燒速度隨著二甲醚摻入量的增加而增加。文獻［2］在柴油機上進行了燃用二甲醚的實驗發現，二甲醚能夠實現超低排放和柔和燃燒，碳煙排放幾乎為0，燃燒噪聲低等特點。文獻［3］在增壓柴油機上研究EGR對發動機的燃燒和排放的影響發現，EGR對發動機NOX排放影響很大，但隨著EGR率的增加，發動機NOX的排放幅度下降，高負荷時下降的更快。

在柴油發動機中，高壓噴射系統可以通過改善燃料-空氣混合和噴霧霧化來減少煙霧的排放［4-6］。文獻［7-8］研究了超高壓噴射對火焰結構和煙灰形成的影響，以及在恒容腔中使用直徑為0.08mm的微孔噴嘴對火焰結構和煙灰形成的影響。他們發現，高壓下微孔噴管噴出的噴射火焰形成的煙灰較少，煙灰粒徑減小。在他們的工作中，使用200MPa和300MPa的超高噴射壓力和微孔噴嘴對降低噴焰中的煙塵有明顯的效果。

當發動機燃燒室內燃燒氣體溫度超過2000K時，很容易產生氮氧化物（NOx），因為NOx的生成是高溫條件下的產物。因此，為了使NOx生成的最小化，有必要降低燃燒室的最高溫度。一種簡單的方法是采用EGR，將再循環氣體加入到氣缸的新鮮空氣中，降低燃料-空氣混合物中的氧濃度。DME是一種理想的替代燃料，可以從多種非化石來源合成，具有良好的點火性能，十六烷值高于石油柴油［9］，如表1所示。與傳統柴油相比，二甲醚具有含氧分子結構、較高的潛熱、無C-C鍵，因此使用二甲醚燃料可以大大減少發動機燃燒過程中煙塵的形成和發展［10-12］。

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

這里的試驗發動機為在一臺自然吸氣的WP2.3柴油機改裝成二甲醚發動機，在通過二甲醚供給正時的優化基礎之上，來采用不通比例的EGR率（0%、15%和30%）方法來降低發動機有害氣體排放、煙塵和尾氣中總粒子數以及粒子體積的試驗研究，使之達到國Ⅵ的排放標準。同時在保證該二甲醚發動機燃油經濟性和動力性的前提下，為二甲醚發動機燃燒排放的方法研究提供了一定的工業參考。

2 發動機臺架試驗儀器和設備

本次實驗測驗裝置由二甲醚供油高壓噴射系統、直流測功機、廢氣排放分析儀和試驗發動機組成（圖1和圖2）試驗發動機為wp2.3柴油機改裝，排量為2.3L。試驗所用的試驗燃料、發動機及其噴射系統的詳細規格，如表2所示。

圖1 實驗現場Fig.1 Experimental Site

圖2 實驗原理圖Fig.2 Experimental Schematic Diagram

表2 實驗測試條件Tab.2 Experimental Test Conditions

在這項工作中，一個直流（DC）測功機系統的最大制動功率為55kW 用于控制發動機轉速和扭矩以及測量發動機扭矩。為了防止蒸汽鎖緊燃油供給管路，DME燃油系統由氮氣和燃油壓力增壓而成在共軌中使用兩個氣動泵增壓（美國產，型號為HSF-300）。為了測量曲軸轉角的轉速信號，將時序脈沖發生器與凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器相連。DME和柴油的噴射時間采用噴油器驅動程序（韓國產，型號為TDA 3300）進行控制。為了實現EGR，測試發動機上安裝了水冷式EGR系統，包括一個控制閥來調節EGR氣體的流量攝入的過程。為了控制EGR率，用EGR或自然吸氣的進氣量采用進氣流量計系統（丹麥產，型號為GFM 57）測量空氣流量。使用NOx分析儀（日本產，型號為BCL-511），HC-CO分析儀（日本產，型號為mex-554jk），煙灰分析儀（奧地利產，型號為AVL-407）。發動機循環運行后進行尾氣排放測量有足夠的穩定。為了提高噴射系統的耐久性，加入1000ppm的潤滑性添加劑（型號為539M）。在本研究中，威克利夫（美國）被添加到DME燃料中。

為了減少測試結果的變化，所有發動機測試都在1200rpm的恒定速度下進行，使用直流測力計保持發動機轉速恒定；冷卻劑和油溫維持在70±1℃；噴油壓力保持在60MPa。在注射質量為16.4 mg的穩態條件下進行了實驗研究（等價比率Φ=0.43），相當于10 毫克的傳統的柴油低熱值（LHV）。DME 燃料高EGR 率燃燒模式的研究包括EGR率15%（Φ=0.52）和30%（Φ=0.61），測量發動機內燃燒、廢氣與發動機無EGR時燃燒相比，每一種情況下的排放和納米粒子特性（EGR為0%）。DME燃料噴射正時由40°BTDC到0°TDC。此外，對進氣口的流量、排氣口的流量和溫度、氣壓、流量、EGR氣體溫度進行了監測，以提高實驗結果的準確性測試期間EGR率的精確控制。

通過加載減速法測量，國Ⅵ（a）的NOx排放限制是1500×10-6和國Ⅵ（b）的NOx排放限制是900×10-6，而這里改裝的二甲醚發動機的NOx 排放量將近為1800×10-6，因此還必須采取進一步的排放控制措施，才能滿足國Ⅵ（a）和國Ⅵ（b）排放標準的要求。

3 結論與討論

比較了二甲醚燃燒和排放有害污染物在不同的注射時間，EGR分別為0%、15%和30%時各污染氣體在三種EGR速率下均有相似的變化趨勢。

圖3和圖4為EGR率和噴射時機對廢氣排放的影響—煙灰和氮氧化物的特性。DME發動機的燃燒在所有的時間內，煙灰排放量間短，能夠有效抑制煤煙的形成，如圖3所示。隨著EGR率的上升，進入發動機內尾氣量增加，煙灰排放量有一定的上升。（FSN）都極低。因為DME中含氧量充足，燃燒時一般來說，煙灰的形成和氧化機制都是燃燒溫度的函數，當兩種機制相互競爭時，凈煙灰釋放量最大。由于EGR率的提高，燃燒溫度的降低導致了在發動機中形成的煙灰比在氣缸中氧化的煙灰多，因為氧氣不足濃度由較高的廢氣再循環量決定。但是，如果燃燒溫度是當煤煙凈釋放量大于最大凈釋放量時，煤煙的形成速度比煙塵氧化最大凈釋放量慢。與傳統柴油相比，二甲醚燃料中含有的氧按質量計約為35%，它可能促進更徹底的燃燒，因此有效減少發動機排出的顆粒物（PM）、一氧化碳（CO）和發動機中未燃燒碳氫化合物（HC）。然而，它在氮氧化物（NOx）的排放卻相反，可能部分是由燃料特性引起的在使用含氧燃料時觀察到的。氮氧化物增加的另一種可能解釋二甲醚燃料燃燒的形成是由于氣內煙灰水平降低，因此，較低的輻射傳熱導致較高的氣體溫度。在圖4 中，30%EGR燃燒表明NOx濃度非常低。NOx濃度低的主要原因是進氣空氣稀釋、EGR增加和化學效應。

圖3 EGR率對煙塵排放的影響Fig.3 Influence of EGR Rate on Soot Emission

如上所述，EGR 的增加稀釋燃燒過程工作中的氧濃度。與此同時，EGR 增加了工作流體的比熱容，從而降低了火焰溫度。因此，隨著EGR 的增加，NOx的排放量也隨之增加相對減少，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著EGR率的增加，尾氣中NOx的排放已經接近國Ⅵ（b）的排放限制要求（900×10-6）。

圖4 EGR率對NOx排放的影響Fig.4 Effect of EGR Rate on NOx Emission

通過圖5和圖6我們可以發現HC和CO在無EGR介入情況下數值較低，這些結果可以歸因于較短的擴散燃燒時間和DME中的高氧含量。高氧含量和低碳氫比會導致更完全的燃燒。因此，盡管EGR有稀釋作用，但未燃燒的HC和CO的排放會得到一定的抑制作用。然而，在早期注入時間超過BTDC25°時，尤其是BTDC 30°時，HC和CO排放量均有所增加，EGR介入的情況下更是如此，遠遠高于0%EGR的情況。這一趨勢的原因通常是在噴射早期且EGR率處于較高時，由于在長時間點火過程中，大量的注入的混合氣體滯留在活塞頂部，且在各燃燒室內各配合間隙更有可能形成未燃燒的排放物。同時高EGR率也可以降低燃燒溫度—降到相當低的水平，促進了HC和CO的產生。此外，早期注入燃料會降低燃燒溫度，降低CO反應生成CO2的效率。

圖5 EGR率對HC排放的影響Fig.5 Effect of EGR Rate on HC Emission

圖6 EGR率對CO排放的影響Fig.6 Influence of EGR Rate on CO Emission

圖5和圖6顯示在噴射時間范圍從TDC到BTDC20°內，隨著EGR 率從0、15%、30%依次遞增發現，15%和30%的EGR 率中HC和CO的排放量略高于沒有ERG率時的含量。

在圖7和圖8中，表明了EGR速率和注入時間對納米顆粒產量的影響，研究了伴隨著EGR率不斷的變化對發動機尾氣中對總粒子數（#/cm3）和粒子體積（nm3/cm3）的變化。這兩個在整個噴射時間范圍內，測量值隨EGR率的增加而增加。不同的趨勢注入時間和EGR率似乎也與煙塵（FSN）排放結果相匹配（圖3）。顆粒數和顆粒體積的增加可歸因于稀釋效應。

圖7 EGR率對尾氣中總粒子數的影響Fig.7 Influence of EGR Rate on Total Particle Number in Tail Gas

圖8 EGR率對尾氣中粒子體積的影響Fig.8 Effect of EGR Rate on Particle Volume in Exhaust Gas

在延遲噴射時間的條件下，EGR 的使用減緩了燃燒速度，并將其延長到做功沖程，從而使顆粒由于揮發性物質在大氣中的凝結而增加，發動機尾氣中的排放物的數量、體積和大小都會增加。

另外，粒子數量和粒子體積的同時增加可能是由于金屬灰顆粒上的多環芳烴和碳煙灰而導致的。發動機工況的EGR率通過優化注入時間，從而控制總粒子數的最小數量、粒子體積和FSN結果。

4 結論

在一臺改裝的柴油機上進行了DME 燃料燃燒試驗，研究了不同噴射時間（40°BTDC-TDC）、不同EGR率（0%、15%、30%）下的調節排放和顆粒排放特性。

對于所研究的條件，試驗結果總結如下：

（1）伴隨著EGR 率的遞增，DME 發動機燃燒中煙塵排放（FSN<0.008）幾乎為零水平排放。尤其是噴射時間在30°BTDC時，達到最低值。該值明顯是符合國Ⅵ對于FSN要求。（2）在EGR為（15～30）%的情況下，DME 發動機燃燒產生的NOx 濃度非常低。EGR在15%時，NOX排放量幾乎在1500×10-6之下，符合國Ⅵ（a）對NOx的要求；當EGR在30%時，NOx排放量幾乎在900×10-6之下，符合國Ⅵ（b）對NOX 的要求。（3）當BTDC 在（25～40）°之間范圍內，當EGR在（15～30）%之間內的遞增變化時，HC和CO的排放濃度高于未添加EGR 的濃度。因此為了配合NOx 的排放—需要增加EGR率，而又為了能夠使HC和CO排放能夠達標，需要在DME 發動機后增加氧化后處理器才能達到國Ⅵ排放要求。（4）從顆粒總數和顆粒體機來看，EGR率為30%時比15%時所產生更多的顆粒數量和顆粒體積。但隨著注入時間的延長，在各EGR率下顆粒體積均在減小。