汽油摻混PODE3-4對發動機燃燒和排放的影響

胡際濤，肖合林，胡秀青，郭風云

(1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070)

隨著世界經濟的發展，燃油車大量增加，導致化石能源的消耗越來越大，環境污染問題也日益凸顯[1-2]。為了減少對化石能源的依賴和降低污染物排放，可再生能源和清潔燃料的應用研究受到越來越廣泛的關注[3-4]。目前，生物柴油、二甲醚(DME)等含氧燃料在柴油機上的應用已經普遍，而聚甲氧基二甲醚(PODEn)作為一種新興燃料，由于其良好的減排特性和燃燒性能，受到了廣泛關注。相較于柴油，聚甲氧基二甲醚不僅具有較高的十六烷值與含氧量和較好的揮發性，還不包含碳碳分子和硫元素，其與汽油還具有較好的互溶性[5]。

壓燃式發動機可以采用較高的壓縮比，在改善燃燒熱效率和提高功率方面具有較大的優勢[6]。但柴油的黏度高，蒸發霧化性能比汽油差，缸內噴射形成的混合氣均勻性較差，因而導致燃燒時形成大量的炭煙顆粒物。而汽油具有黏度低及蒸發霧化性能好的特點，在缸內噴射時易形成較均勻的混合氣。因此，在壓燃式發動機中使用汽油燃料能夠有效減少炭煙顆粒的形成，進而改善車輛的排放性能。但汽油黏度低、潤滑性能較差，且十六烷值低，難以在發動機中壓縮燃燒。為此，在汽油中摻混部分PODEn，利用其黏度和十六烷值比汽油高的特點，在提高汽油燃料潤滑性能的同時改善壓縮著火性能，從而實現汽油在壓燃式發動機上的壓縮燃燒。

近年來，對可替代性燃料添加劑PODEn的研究逐步增多[7-11]。Wang等[12]研究了PODE3與汽油在高負荷下的燃燒特性，表明PODE3可以在不影響壓力升高率(PRR)和最大缸內壓力(pmax)的情況下獲得更低的排放和更高的指示熱效率(ITE)。Liu等[13]研究了汽油壓縮點火(GCI)發動機燃燒與排放特性，表明PODE3-6與汽油共混可以顯著降低炭煙排放。Liu等[14]研究了PODE3-4對汽油和柴油摻混燃料燃燒和排放特性的影響，結果表明，在負荷為0.22 MPa工況下，加入PODE3-4增加了汽油和柴油摻混燃料燃燒的穩定性，使得發動機熱效率提高，HC和CO排放降低。Liu等[15]討論了PODE3-6混合比對炭煙排放、顆粒粒徑分布和顆粒氧化特性的影響，結果表明，在柴油中加入PODE3-6可以有效降低炭煙排放和顆粒數總量濃度。J.Burger[16]對PODEn的研究表明，當n=3或n=4時，PODEn具有較低的蒸氣壓力，能夠避免燃油系統的堵塞。

雖然針對PODEn已經進行了大量的研究，但針對其與汽油混合燃料在壓燃式發動機上的非常規排放研究較少。因此，本研究通過在壓燃式發動機上使用不同摻混比例(10%，20%和30%)的PODE3-4-汽油混合燃料，研究了其在不同發動機負荷下的燃燒和排放(常規排放和非常規排放)特性，為PODE3-4-汽油混合燃料的發展提供了參考。

1 試驗設備和方案

1.1 試驗設備

試驗所用設備是一臺經過改裝的4缸四沖程高壓水冷共軌壓燃式發動機，該發動機配有電控直噴高壓共軌系統(德國博世)，機器型號為YC4FA115-40，其參數見表1。圖1示出試驗臺架的原理和結構。

圖1 試驗裝置示意圖

表1 柴油機主要技術參數

常規氣體污染物，如CO、HC和NOx，由AVL DIGAS 4000氣體分析儀測量，NOx、CO、HC的測量精度分別為1×10-6、0.01%、1×10-6；非常規氣體排放采用FL9707氣相色譜儀進行測量；煙度則是采用不透光煙度計NHT-6來進行檢測，其測量精度為0.01 m-1。

1.2 試驗燃料

在本試驗中，混合燃料以汽油為基礎燃料，分別摻混10%、20%和30%的PODE3-4配制而成，分別記為GP10、GP20與GP30。本研究中汽油和PODE3-4(以下簡稱為PODE)的理化性能見表2。混合燃料的理化性質通過Kay混合法則[7]進行估算，如式(1)所示，結果見表3。

表2 PODE3-4與汽油的理化特性對比

表3 混合燃料的理化特性

(1)

式中：φ為混合燃料的特性參數；xi為第i種物質的質量分數；φi為第i種物質的特性參數；n為組分的數目。

1.3 試驗步驟

試驗測試在發動機轉速1 800 r/min、負荷分別為0.13，0.38，0.63，0.88，1.13 MPa下進行，廢氣再循環(EGR)閥門關閉。燃油噴射正時設為上止點前12.5°。機油和冷卻液分別控制在(85±1)℃和(87±2)℃，進氣溫度控制在(25±0.5)℃。為保證結果的可靠性，缸內壓力重復測試10次，排放數據重復測試5次，并取平均值作為報告值。當發動機更換燃料時，先連續工作至少15 min。

2 試驗結果分析

2.1 氣缸壓力和放熱率

從圖2a和圖2b可以看出，在小負荷工況下，隨著PODE摻混比的增加，缸內壓力和放熱率峰值逐漸升高。一方面是因為PODE的摻混使混合燃料的十六烷值升高，燃油活性增加，另一方面較高的含氧量改善了燃料的燃燒速度，使燃燒更加充分。同時還可以看到，在小負荷工況下，氣缸內燃料著火時刻較大負荷(如圖2c和圖2d)時推后。這主要是由于小負荷時缸內溫度低及混合氣濃度比較稀，殘留廢氣影響變大，使得燃燒時刻推遲。

在大負荷(圖2d，圖2e)工況下，隨著PODE摻混比的增大，混合燃料的燃燒始點逐漸提前，但燃燒放熱率(HRR)峰值卻隨著摻混比例的升高而有所下降。這主要是由于大負荷時，缸內溫度較高，燃燒條件變好，隨著PODE摻混比例的升高，燃料著火延遲期縮短，因而使預混燃燒比例變小，擴散燃燒比例增大，從而導致放熱率最高峰值下降。

圖2 不同負荷下燃燒不同燃料的缸內壓力和燃燒放熱率

2.2 滯燃期和燃燒持續期

3種燃料在不同負荷下的滯燃期(定義為噴油時刻到CA10對應的曲軸轉角)見圖3a。隨著負荷的不斷增加，滯燃期不斷縮短；隨著燃料中PODE摻混比例的增加，滯燃期也不斷縮短。這主要是因為發動機負荷上升會帶來缸內溫度與壓力的上升，較高的溫度和壓力有利于燃料的蒸發和霧化，使得燃料更快地達到燃燒的溫度邊界，滯燃期縮短；隨著PODE摻混比的增大，一方面噴霧錐角增大，霧化效果提升[18]，另一方面混合燃料的十六烷值增大，著火性能得到改善，在兩者的影響下，滯燃期呈現縮短趨勢。

圖3b示出3種燃料的燃燒持續期隨負荷的變化。從圖3b可以發現，負荷大于0.38 MPa時，3種燃料的燃燒持續期都隨負荷的增長而延長，同時PODE摻混比例高的燃料燃燒持續期更長。這主要是由于隨著負荷的增大，噴入缸內的燃油量增加，噴油時間增長，因而燃燒持續期也會增加；另外PODE摻混比例越高，噴油量也越多，噴射時間也越長，因而燃燒持續期也越長。同時還可以觀察到，當負荷低于0.38 MPa時，燃燒持續期卻隨負荷的增大而縮短。這主要是因為在小負荷下，缸內溫度低，混合氣濃度低，加之殘余廢氣影響，使燃燒條件惡劣，因而燃燒速度慢、燃燒持續時間長；但隨著負荷的增大，混合氣濃度提升，缸內溫度上升，使得燃燒條件改善，燃燒速度增大，造成燃燒持續期變短。

圖3 滯燃期和燃燒持續期隨發動機負荷的變化

2.3 有效燃油消耗率與有效熱效率

圖4a示出發動機有效燃油消耗率的變化規律。由圖4a可知，有效燃油消耗率隨負荷及PODE摻混比例增大呈現下降趨勢。但小負荷工況下，GP30的燃油消耗高于GP20，這是因為低負荷工況下，缸內溫度較低，不利于GP30的蒸發霧化。負荷較大時，缸內溫度與壓力逐漸升高，促進了可燃混合氣混合過程，另外PODE摻混比例的上升提高了燃料的十六烷值與含氧量，改善了燃燒環境，使燃燒更加充分，燃油消耗逐漸降低。

圖4b示出發動機有效熱效率隨負荷的變化規律。從圖4b可以看出，隨著負荷的增大，3種燃料的有效熱效率不斷升高；同時，隨著燃料中PODE摻混比例的升高，熱效率也不斷提高。這主要是隨著負荷的增大，缸內的燃燒溫度和壓力升高，燃燒更加充分。隨著PODE摻混比例的升高，燃料的自燃性能改善，同時燃料中含氧量增大，使燃燒更加充分，從而熱效率更高。

圖4 負荷對有效燃油消耗率與有效熱效率的影響

3 常規排放

3.1 CO排放

圖5示出試驗燃料的CO排放隨發動機負荷的變化規律。可以看出隨著負荷的增大，CO排放呈現不斷下降的趨勢，但在平均有效壓力為1.13 MPa的工況下，CO排放量又有增加。主要原因是隨著負荷增大，缸內燃燒溫度升高，燃燒更加充分，因而CO排放不斷下降；但在最高負荷時，噴油量很大，造成局部區域混合氣過濃，從而使CO排放有所增加。同時還可以看出，隨著PODE摻混比例增大，CO排放降低。這主要是因為PODE的加入增大了混合燃料的含氧量，使得燃料的燃燒更加充分，CO逐漸降低。

3.2 HC排放

圖6示出HC排放隨負荷的變化規律。從圖6可以看出，HC排放隨著負荷的增加均呈現出不斷降低的趨勢；同時，隨著PODE摻混比的增大，HC排放也不斷下降。主要是由于隨著負荷增大，缸內溫度、壓力升高，發動機燃燒更加充分；同時摻混比例越大，3種燃料的自燃性能越好，加之高含氧量有助于燃燒與HC氧化，從而導致HC排放降低[19]。

圖6 HC排放隨負荷的變化規律曲線

3.3 NOx排放

圖7示出3種燃料在不同負荷下的NOx排放量變化曲線。高溫、富氧和較長的反應持續時間是NOx產生的主要因素，圖中NOx排放隨著負荷的上升而提升，正是因為缸內溫度隨著負荷的提升而提升，為NOx的產生創造了條件。摻混PODE后NOx排放總體上沒有太大變化，中小負荷下略微上升，高負荷下略微下降。這是因為中小負荷下缸內過量空氣系數較大，氧含量比較充足，PODE接近50%的含氧量為NOx創造了富氧的產生環境；而高負荷下缸內過量空氣系數小，PODE的加入僅在一定程度上彌補了缸內氧含量的不足，無法形成富氧環境，且摻混PODE使滯燃期縮短又削弱了燃料的霧化性能，集中放熱溫度會出現下降，雖然此時持續燃燒期較長，NOx的產生仍會減少。

圖7 負荷對試驗燃料NOx排放的影響

3.4 Soot排放

圖8示出3種試驗燃料的Soot排放隨負荷的變化規律。從圖8可以看到，在相同負荷工況下，煙度隨PODE摻混比的增加而下降，在1.13 MPa下，燃用GP30時的炭煙排放相對于GP10下降57%。這是因為PODE的摻混提高了混合燃料的氧含量，燃燒后期有利于炭煙顆粒的氧化[20]。同時還可以看到，隨著負荷的增大，Soot排放不斷升高。這主要是負荷增大時，缸內燃料噴射量增加，較高的燃料噴射量同樣會導致混合氣局部過濃區域增大，燃燒不完全，造成Soot排放增加。

圖8 負荷對試驗燃料Soot排放的影響

4 非常規排放

有氧燃料燃燒時，通常會產生醛酮類化合物(甲醛、乙醛、丙醛等)，以及揮發性有機物如芳烴類、苯類等，上述物質具有強烈的致癌性，會對人體健康及動植物的成長產生極大危害[21-22]，故需要加以關注。

4.1 苯排放

圖9 3種燃料在不同發動機負荷下的苯排放

4.2 甲醛排放

圖10示出混合燃料在不同負荷下甲醛的排放變化曲線。由圖10可以看出，隨著負荷的增大，甲醛排放呈現出先升高后下降的趨勢。同時，隨著PODE摻混比例的升高，甲醛排放不斷下降。高溫不利于甲醛的生成，因此燃燒與排氣溫度對甲醛排放有重要影響。由圖可10以得知，在0.13～0.63 MPa時，低溫下甲醛氧化受阻。隨著負荷的增大，雖然噴油量增大，但其較高的燃燒溫度可以促進甲醛氧化，使其排放降低。在負荷為1.13 MPa的工況下，排放稍有上升，與上述苯排放升高原因類似。同時，由于PODE的摻混提高了混合燃料中的含氧量，促進了燃燒過程，較高的燃燒溫度與排氣溫度促進了甲醛的氧化，直接導致排放下降[24-25]。

圖10 3種燃料在不同發動機負荷下的甲醛排放

5 結論

a)在小負荷工況下，燃燒開始時刻較大負荷工況推遲，隨摻混比增加，缸壓和放熱率升高；大負荷工況下，隨摻混比增加，放熱率峰值略微降低；

b)隨著負荷的增加，3種燃料的滯燃期基本呈下降趨勢，在1.13 MPa達到最低，燃燒持續期呈現“V”形變化規律；

c)PODE摻混比的增加使得燃油消耗率產生下降趨勢，有效熱效率逐漸上升；

d)汽油-PODE混合燃料可有效降低發動機的Soot排放，且隨著PODE摻混比的增大，其降低幅度變大，GP30的Soot排放相對于GP10下降57%，同時CO和HC排放量逐漸下降，NOx排放量變化不大；

e)PODE摻混比的增加可有效降低苯和甲醛的排放，在0.88 MPa下，GP30的苯排放達到最小，相較于0.13 MPa時的最高值下降了62%。