F-T/PODE 摻混燃料對混合動力柴油機(jī)起動特性的影響

陳東東，王 鐵，李國興，喬天佑，侯振寧

(太原理工大學(xué) 機(jī)械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024)

內(nèi)燃機(jī)是混合動力汽車最重要的動力源之一，發(fā)動機(jī)的優(yōu)化匹配也是混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)混合動力汽車運行工況的特點對發(fā)動機(jī)進(jìn)行專門研究具有重要的意義.混合動力汽車需要發(fā)動機(jī)快速起動，其瞬態(tài)程度更高，勢必造成起動過程排放控制困難.國內(nèi)外研究學(xué)者針對混合動力汽車發(fā)動機(jī)瞬態(tài)起/停的研究表明，混合動力汽車汽油機(jī)燃燒開始的幾個循環(huán)與普通汽車存在很大不同，發(fā)動機(jī)最開始的幾個循環(huán)對起動過程后續(xù)階段的燃燒有很大影響，直接影響發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性[1-3]；混合動力汽車發(fā)動機(jī)在起動和停機(jī)時都會出現(xiàn)排放峰值，運行模式切換時其瞬態(tài)特性和動態(tài)特性更明顯[4-6]；高速拖動起動時的轉(zhuǎn)速瞬態(tài)特性小、油耗降低，起動過程前期的HC、CO 和NOx排放減少[7].

為了進(jìn)一步降低混合動力汽車柴油機(jī)起動時的排放，同時基于國家煤炭高效清潔利用的要求，將煤間接液化得到的費托合成柴油(F-T 柴油)應(yīng)用于柴油機(jī)，其高十六烷值特性使得燃燒更加柔和，控制預(yù)混燃燒量降低最高燃燒溫度使得NOx降低，在F-T柴油中摻混含氧燃料聚甲氧基二甲醚(PODE)有利于后期燃燒速度，縮短擴(kuò)散燃燒期，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低碳煙排放.因此，將F-T 柴油與PODE 摻混燃燒可以實現(xiàn)燃料間性能互補(bǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)的燃燒與排放特性.

國內(nèi)外學(xué)者對F-T 柴油和PODE 在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究[8-13]表明，F(xiàn)-T 柴油是一種高十六烷值、低硫和低芳香烴的柴油清潔代用燃料，PODE 是一種高含氧量煤基含氧燃料，兩者可以以任意比例摻混燃燒，摻混后的燃料可以進(jìn)一步改善柴油機(jī)的燃燒與排放特性.在穩(wěn)態(tài)工況下，與 0 號柴油相比，F(xiàn)-T 柴油/PODE 混合燃料的燃燒始點提前，缸內(nèi)壓力峰值、壓力升高率和放熱率峰值降低，HC、CO 和碳煙均有所降低.PODE/柴油摻混燃料隨著PODE 比例增加，熱效率提高，但燃油消耗率上升，CO、HC 和煙度排放下降，摻混燃料可以改善燃燒、降低排放[14-15].

當(dāng)前，國內(nèi)研究很少涉及到多元摻混燃料在混合動力發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，針對其在混合動力汽車柴油機(jī)瞬態(tài)起動工況的研究鮮見報道.閆榮彬[16]研究發(fā)現(xiàn)，醇類燃料能夠改善混合動力車用汽油發(fā)動機(jī)的快速起動性能，包括減小能耗、改善燃燒及降低HC 和NOx排放.王樂俊[17]研究發(fā)現(xiàn)，汽油發(fā)動機(jī)燃用甲醇起動時燃燒穩(wěn)定性明顯提高，并且甲醇也有利于降低準(zhǔn)恒速起動各循環(huán)的能量消耗，減少起動過程中的HC、CO 和NOx排放.

為了研究F-T 柴油/PODE 摻混燃料對混合動力汽車柴油機(jī)起動工況燃燒和排放特性的影響，筆者通過混合動力汽車柴油機(jī)，分別燃用0 號柴油、F-T 柴油、F90P10(PODE 體積分?jǐn)?shù)為 10%)和 F80P20(PODE 體積分?jǐn)?shù)為20%)這4 種燃油，分析不同的起動瞬變條件下的柴油機(jī)燃燒和排放特性，為多元燃料在混合動力汽車柴油機(jī)上的應(yīng)用提供試驗依據(jù).混合動力是內(nèi)燃機(jī)汽車最有效的節(jié)能技術(shù)，清潔代用燃料結(jié)合混合動力技術(shù)能綜合提升混合動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，對緩解中國日益嚴(yán)峻的環(huán)境危機(jī)和石油對外依存度意義重大.

1 試驗燃料

試驗所用的基礎(chǔ)燃料包括0 號柴油、F-T 柴油和PODE，其理化性質(zhì)如表1 所示.以F-T 柴油為基礎(chǔ)燃料，配制PODE 體積分?jǐn)?shù)為10%和20%的F-T 柴油/PODE 摻混燃料，分別記為F90P10 和F80P20.

表1 燃料理化指標(biāo)Tab.1 Physical and chemical index of fuel

2 試驗設(shè)備及方案

2.1 試驗設(shè)備

試驗所用發(fā)動機(jī)為云內(nèi)D25TCIE1 高壓共軌柴油機(jī)，原機(jī)ECU 未對發(fā)動機(jī)做任何改造，未安裝后處理系統(tǒng)，該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示.試驗過程基于單軸并聯(lián)式油電混合動力試驗臺架進(jìn)行，油電混合動力臺架如圖1 所示.試驗所用測試設(shè)備主要有四川誠邦ET4000 發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)、160 kW 電力測功機(jī)、AVL SES-AM i60 FT 多組分尾氣排放分析儀、AVL Micro soot Sensor 483 微碳煙排放測試系統(tǒng)、Kistler 燃燒分析儀、Kistler 2614C 角標(biāo)儀和Kistler 6125B 缸壓傳感器.

表2 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.2 Engine specifications

圖1 油電混合動力臺架Fig.1 Oil-electric hybrid power bench

2.2 試驗方案

根據(jù)GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗方法》，對4 種油品分別采用原機(jī)24 V 起動和800 r/min 拖動起動，常溫冷機(jī)起動時發(fā)動機(jī)水溫為25 ℃左右，熱機(jī)起動時發(fā)動機(jī)水溫為85 ℃左右.為了保證試驗的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試驗前所有測試儀器都進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn).高速拖動的設(shè)備為電力測功機(jī)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的速度時斷開驅(qū)動轉(zhuǎn)為無負(fù)載模式，試驗中，發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)每0.5 s 記錄一組數(shù)據(jù)；燃燒分析儀自動記錄起動前10 s 和后200 個循環(huán)的數(shù)據(jù)；25 組分尾氣排放分析儀(采樣頻率為1 kHz)和微碳煙排放測試系統(tǒng)(采樣頻率為5 kHz)在起動過程中持續(xù)測量，試驗結(jié)果除去無效值.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 起動瞬態(tài)特性

圖2 為柴油機(jī)燃用4 種油品在不同起動方式下的瞬時轉(zhuǎn)速隨時間的變化.800 r/min 拖動起動的時間明顯小于24 V 原機(jī)起動，800 r/min 拖動起動時轉(zhuǎn)速在第6 循環(huán)的時候達(dá)到怠速，而24 V 原機(jī)起動在20 個循環(huán)的時候達(dá)到怠速，在24 V 原機(jī)起動方式下，相比0 號柴油，F(xiàn)-T 柴油及其混合燃料的起動時間較少.

圖2 起動過程轉(zhuǎn)速對比Fig.2 Comparison of starting speeds in first cycle of combustion

3.2 燃燒特性分析

3.2.1 首循環(huán)缸內(nèi)壓力及放熱率

圖3 為起動工況下燃用4 種油品時首循環(huán)缸內(nèi)壓力及放熱率對比.相比24 V 原機(jī)起動，800 r/min拖動快速起動，首循環(huán)缸內(nèi)壓力降低，峰值相位推遲，燃燒柔和.快速起動時，相比燃用0 號柴油，燃用F-T 柴油時其缸內(nèi)壓力和瞬時放熱率在預(yù)噴階段有所提高，對應(yīng)的燃燒相位提前，主噴階段相反.原因在于正構(gòu)直鏈烷烴是組成F-T 柴油的主要成分，導(dǎo)致其十六烷值和m(H)/m(C)比較高，著火性能好，滯燃期短，預(yù)噴放熱有所提前，滯燃期的縮短導(dǎo)致較少的燃油參與預(yù)混燃燒、較多的燃油參加擴(kuò)散燃燒.另外，由于F-T 柴油密度較小，同一工況下每循環(huán)需要的燃料減少，導(dǎo)致主噴階段的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率略有降低.

圖3 燃燒首循環(huán)缸內(nèi)壓力及放熱率對比Fig.3 Comparison of cylinder pressure and heat release rate in first cycle of combustion

相比燃用F-T 柴油，隨著PODE 比例的增加，缸內(nèi)壓力峰值和放熱率逐漸降低，這主要是因為PODE燃料的熱值較低，使得摻混燃料的熱值降低，同一起動工況下，放熱量減少，同時PODE 具有較高的十六烷值和含氧量，滯燃期短，預(yù)混快速燃燒，擴(kuò)散燃燒減少，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值和放熱率有所降低.

3.2.2 首循環(huán)壓力升高率

圖4 為起動工況下燃用4 種油品時首循環(huán)缸內(nèi)壓力升高率對比.預(yù)噴階段F-T 柴油及其混合物的壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化呈現(xiàn)雙峰，0 號柴油的雙峰現(xiàn)象不明顯，相比0 號柴油，燃用F-T 柴油及其混合物時其壓力升高率有所降低，隨著PODE 比例的增加，壓力升高率降低.這主要是因為F-T 柴油和PODE 都具有高的十六烷值，滯燃期較短，產(chǎn)生的預(yù)混合較少，壓力升高率降低.另外，由于PODE 的熱值較低，摻混燃料的放熱率降低，進(jìn)而導(dǎo)致壓力升高率降低.預(yù)噴階段由于F-T 柴油/PODE 混合燃料的十六烷值大、易著火，導(dǎo)致少量噴油就可以快速燃燒，壓力升高率較0 號柴油大.F-T 柴油/PODE 摻混燃料可以有效降低缸內(nèi)壓力升高率，燃燒柔和，降低了發(fā)動機(jī)的振動及燃燒噪聲.

圖4 燃燒首循環(huán)壓力升高率對比Fig.4 Comparison of pressure rise rate in first cycle of combustion

3.2.3 首循環(huán)燃燒特征參數(shù)

圖5 為快速起動工況發(fā)動機(jī)燃用4 種油品時首循環(huán)燃燒特征參數(shù)對比.燃燒始點CA 5、燃燒重心CA 50 和燃燒終點CA 90 分別為燃燒積分熱值占總放熱量的5%、50%和90%時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，相比0 號柴油，燃用F-T 柴油時發(fā)動機(jī)的CA 5 提前、CA 90 滯后，燃燒持續(xù)期延長.

究其原因是：正構(gòu)直鏈烷烴是組成F-T 柴油的主要成分，其化學(xué)鍵相比環(huán)烷烴更容易斷裂，導(dǎo)致其燃燒速度更快，同時F-T 柴油的十六烷值高、滯燃期短，預(yù)混燃燒較短，燃燒的定容性較差，導(dǎo)致其燃燒持續(xù)期延長.

相比燃用F-T 柴油，隨著PODE 比例的增加，CA 5 延遲、CA 90 提前，燃燒持續(xù)期縮短.主要原因在于PODE 為含氧燃料，加快了缸內(nèi)燃燒速度，致使預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒時間都縮短，進(jìn)而燃燒持續(xù)期縮短.同時PODE 具有較高的十六烷值、滯燃期短，導(dǎo)致其燃燒始點和燃燒終點都有所提前.

3.2.4 起動過程燃燒特性

通過不同方式起動發(fā)動機(jī)時，發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)特性有所不同，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)起動時的燃燒邊界條件發(fā)生變化，燃燒特性也隨之變化.缸內(nèi)壓力峰值和平均有效壓力是表征內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒狀況的重要參考指標(biāo).圖6 為不同起動方式燃用F-T 柴油起動過程中各循環(huán)爆發(fā)壓力峰值和平均有效壓力的對比.隨著拖動轉(zhuǎn)速的升高，缸內(nèi)壓力峰值趨于穩(wěn)定的循環(huán)數(shù)越多；隨著循環(huán)數(shù)的增大，24 V 原機(jī)起動時，缸壓峰值和平均有效壓力先升高后降低，然后在第8 個循環(huán)時開始趨于穩(wěn)定.800 r/min 拖動起動時，缸壓峰值和平均有效壓力先降低再升高，然后在第22 循環(huán)的時候趨于穩(wěn)定.起動的時候，缸壓峰值和平均有效壓力都會有回落和超調(diào)的情況發(fā)生，主要是起動機(jī)或拖動電機(jī)脫開瞬間，負(fù)荷加大、噴油量不變，缸壓峰值會瞬間降低，然后加大噴油量，缸壓峰值增大，速度回調(diào)趨于穩(wěn)定.

圖6 起動過程燃燒特性對比Fig.6 Comparison of combustion characteristics in starting process

3.3 排放特性分析

3.3.1 CO 排放

圖7 為4 種油品在不同起動方式下CO 排放隨時間的變化.從圖7a 中可以看出，冷起動工況下，CO 排放對燃油的理化特性較為敏感，相比燃用0 號柴油，燃用F-T 柴油時起動過程中CO 排放峰值降低，24 V 原機(jī)起動時降低42.3%，800 r/min 拖動起動時降低50.9%.這是因為0 號柴油的黏度較F-T 柴油高，霧化性能較差，濃度較大的區(qū)域較多，此區(qū)域的CO 氧化不完全；同時F-T 柴油的終餾溫度較低，燃油蒸發(fā)較快，從而減少過濃混合區(qū)的形成，芳香烴含量低，燃燒更完全也促使CO 降低.隨著PODE 比例的增大，CO 排放略微增大.由圖5 可知，添加了PODE 后，混合燃料的燃燒持續(xù)期縮短、燃燒速度快；同時混合燃料的十六烷值增大、滯燃期短，混合氣不均勻，導(dǎo)致燃燒不充分，所以CO 排放增多.從圖7b 可以看出，熱起動工況下，相比燃用0 號柴油，燃用F-T 柴油時CO 排放峰值降低，24 V 原機(jī)起動時降低66.4%，800 r/min 拖動起動時降低57.0%.隨著PODE 比例的增大，CO 排放略微增大.

圖7 起動過程CO排放對比Fig.7 Comparison of CO emissions in starting process

冷起動方式相比熱起動方式，CO 排放量增大3倍，這主要是因為冷起動的時候阻力矩較大，發(fā)動機(jī)過濃噴射，且缸內(nèi)溫度較低，導(dǎo)致燃料不能完全燃燒，生成不完全氧化物CO.無論在冷或熱起動工況，24 V 原機(jī)起動和800 r/min 拖動起動過程中的CO 排放隨時間的變化趨勢一樣，先升高后降低，過程中的CO 排放均高于怠速穩(wěn)定值，主要原因是起動瞬態(tài)特性強(qiáng)，發(fā)動機(jī)需要通過加濃噴射來保證加速成功，起動早期混合氣過濃，CO 排放增加.當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的怠速工況后，不同起動方式的發(fā)動機(jī)噴油量都是一樣的，且進(jìn)氣質(zhì)量也幾乎一樣(相對于早期都有所減少)，因而CO 排放相近.快速起動方式對起動過程中的CO 排放的影響較小.

3.3.2 NOx排放

圖8 為4 種油品在不同起動方式下NOx排放隨時間的變化.從圖8a 可以看出，冷機(jī)起動工況下，相比燃用0 號柴油，燃用F-T 柴油時，NOx排放峰值下降，24 V 原機(jī)起動時降低32.4%，800 r/min 拖動起動時降低55.0%.這是因為F-T 柴油的十六烷值比0 號柴油高，燃用F-T 柴油時，發(fā)動機(jī)的滯燃期縮短，缸內(nèi)燃燒溫度降低，所以發(fā)動機(jī)的NOx排放較小.隨著PODE 比例的增大NOx排放增大.這是因為PODE是含氧燃料，為NOx的生成提供了富氧的環(huán)境.由圖8b 可以看出，熱機(jī)快速起動工況下，相比燃用0 號柴油，燃用F-T 柴油時NOx排放峰值下降，24 V 原機(jī)起動時降低64.5%，800 r/min 拖動起動時降低48.6%.隨著PODE 比例增大，NOx排放增大.

圖8 起動過程N(yùn)Ox 排放對比Fig.8 Comparison of NOx emissions in starting process

冷起動相比熱起動，起動過程中NOx排放峰值相差不大，熱起動時NOx排放略大于冷起動，這主要是因為熱起動過程中為NOx的生成提供高溫富氧的環(huán)境.24 V 原機(jī)起動和800 r/min 拖動起動時的NOx排放隨著時間的變化，先升高后降低然后趨于平穩(wěn)，瞬態(tài)特性明顯，起動過程中的NOx排放高于怠速時的排放值.相比原機(jī)24 V 起動，高速拖動起動的瞬態(tài)NOx排放明顯減少.究其原因是：24 V 原機(jī)起動時需要缸內(nèi)燃燒做功使得轉(zhuǎn)速到達(dá)怠速，在起動初期，24 V 原機(jī)起動時缸內(nèi)燃燒的混合氣質(zhì)量大，初期燃燒放熱多，缸內(nèi)溫度高，產(chǎn)生較多的NOx排放.當(dāng)發(fā)動機(jī)達(dá)到穩(wěn)定怠速工況后，缸內(nèi)噴油量和進(jìn)氣量趨于穩(wěn)定，NOx排放也趨于穩(wěn)定.

3.3.3 碳煙排放

圖9 為4 種油品在不同起動方式下碳煙排放隨時間的變化.從圖9a 可以看出，冷起動工況下，相比燃用0 號柴油，燃用F-T 柴油時起動過程中碳煙排放峰值大幅上升，24 V 原機(jī)起動時增大75.3%，800 r/min 拖動起動時增大9.1%.這是因為F-T 柴油的十六烷值比0 號柴油高，燃用F-T 柴油時發(fā)動機(jī)的滯燃期縮短，導(dǎo)致冷機(jī)工況下發(fā)動機(jī)的不完全燃燒，所以發(fā)動機(jī)的碳煙排放有所增加.隨著PODE 比例的增大，碳煙排放減小，起動過程中，相比燃用F-T 柴油，F(xiàn)90P10 和F80P20 的碳煙排放峰值在24 V 原機(jī)起動時分別減小79.7%和70.1%，800 r/min 拖動起動時分別減小69.9%和75.0%.這是因為PODE 是含氧燃料，一些中間產(chǎn)物會被氧化.

從圖9b 可以看出，熱起動工況下，相比燃用0號柴油，燃用F-T 柴油時起動過程中碳煙排放峰值大幅下降，24 V 原機(jī)起動時減小34.4%，800 r/min 拖動起動時減小24.8%.隨著PODE 比例的增大，碳煙排放峰值減小，與燃用F-T 柴油相比，燃用F90P10 和F80P20 時碳煙排放峰值在24 V 原機(jī)起動時分別減小59.6%和67.4%，800 r/min 拖動起動時分別減小70.1%和73.2%.

圖9 起動過程碳煙排放對比Fig.9 Comparison of soot emissions in starting process

冷起動相比熱起動，起動過程中碳煙排放峰值明顯增大，這主要是因為熱起動過程中，缸內(nèi)噴油量較少，缸內(nèi)燃空混合氣與燃燒質(zhì)量較好而導(dǎo)致的.24 V原機(jī)起動和800 r/min 拖動起動時的碳煙排放隨著時間的變化，先升高后降低然后趨于平緩.相比原機(jī)24 V 起動，800 r/min 拖動起動過程中的碳煙排放峰值明顯降低，燃用4 種油品快速起動時分別降低47.3%、39.7%、56.7%和50.5%.這主要是因為原機(jī)24 V 起動時更多的循環(huán)采用了較濃的噴油策略，缸內(nèi)燃燒峰值壓力較高速拖動起動時大，缸內(nèi)溫度較高，有利于碳煙排放的生成；其次原機(jī)起動時的拖動轉(zhuǎn)速較低，進(jìn)氣壓力較高，惡化了燃油的蒸發(fā)霧化能量，缸內(nèi)的混合氣質(zhì)量變差、燃燒惡化.

4 結(jié)論

(1) 相比燃用0 號柴油，燃用F-T 柴油時起動首循環(huán)缸內(nèi)壓力峰值、瞬時放熱率和壓力升高率都有所降低，發(fā)動機(jī)的CA 5 提前、CA 90 滯后及燃燒持續(xù)期延長；無論24 V 原機(jī)起動還是800 r/min 拖動起動，起動過程中的 CO、NOx和碳煙排放峰值都明顯降低.

(2) 相比燃用F-T 柴油，燃用F-T 柴油/PODE混合燃料時，隨著燃料中PODE 比例的增大，起動首循環(huán)缸內(nèi)壓力峰值、瞬時放熱率和壓力升高率都有所降低，CA 10 和CA 90 提前、燃燒持續(xù)期縮短；無論24 V 原機(jī)起動還是800 r/min 拖動起動，起動過程中的CO、NOx排放峰值都會略微增大，碳煙排放峰值明顯降低.

(3) 相比24 V 原機(jī)起動，800 r/min 拖動起動時起動時間明顯減少，燃燒首循環(huán)缸內(nèi)壓力變小，峰值相位后移，燃燒柔和，起動過程中的各循環(huán)爆發(fā)壓力峰值和平均有效壓力降低，NOx排放峰值和碳煙排放峰值都明顯降低，起動方式對起動過程中CO 排放影響不大.

(4) 相同起動方式下，與冷起動相比，熱起動過程中的CO 和碳煙排放峰值都大幅降低，但NOx排放峰值略有升高.

(5) F-T 柴油/PODE 摻混燃料可明顯改善混合動力發(fā)動機(jī)的起動性能，為混合動力柴油機(jī)起動過程排放控制提供新的思路.