馮浩杰， 孫　平， 劉軍恒， 劉少康， 王玉梅

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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聚甲氧基二甲醚-柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放的影響

馮浩杰， 孫平， 劉軍恒， 劉少康， 王玉梅

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要：在柴油中摻混體積分?jǐn)?shù)為5%、10%和15%的聚甲氧基二甲醚(PODE3-8)得到PODE3-8-柴油混合燃料，利用熱重分析儀在氧氣氣氛下對(duì)這些混合燃料樣品進(jìn)行熱分析，考察其揮發(fā)和氧化特性，計(jì)算熱分析參數(shù)；在柴油機(jī)上考察它們的燃燒與排放性能，并與柴油對(duì)比。結(jié)果表明，隨摻混比的增加，3種PODE3-8-柴油混合燃料的起始質(zhì)量損失溫度相對(duì)于柴油降低了3.4℃、5.6℃和7.0℃，起始燃燒溫度降低了6.4℃、11.8℃和17.2℃，熱穩(wěn)定性降低，同時(shí)綜合燃燒特性指數(shù)提高。在額定工況下，與燃用柴油相比，柴油機(jī)燃用PODE3-8-柴油混合燃料時(shí)，滯燃期縮短，缸內(nèi)最高壓力略有提高；在預(yù)混燃燒階段放熱率峰值有所降低，在擴(kuò)散燃燒階段放熱率峰值提高；比油耗相對(duì)于柴油分別增加0.8%、3.2%和8.5%，但有效熱效率提高2.8%、4.2%和3.1%；CO排放分別降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放分別降低了19.2%、26.8%和21.7%，排氣煙度分別降低了25.2%、30.8% 和32.1%，NOx排放基本不變。

關(guān)鍵詞：聚甲氧基二甲醚； 熱重分析； 燃燒； 排放

柴油機(jī)相對(duì)于汽油機(jī)具有熱效率高、油耗低、耐久可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程機(jī)械等領(lǐng)域。然而柴油機(jī)的顆粒物和NOx排放相對(duì)較高，難以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。目前，解決該問題的主要技術(shù)措施有，采用新型燃燒方式(如均質(zhì)壓燃技術(shù))，加裝尾氣后處理系統(tǒng)(如選擇性催化還原技術(shù)、柴油顆粒捕集器技術(shù))以及使用含氧燃料[1-2]。

以甲醇、乙醇、二甲醚、碳酸二甲酯和生物柴油為代表的多種含氧燃料，由于燃料分子中的氧在燃燒過程中起到自供氧作用，從而改善柴油機(jī)燃燒和排放性能[3-5]。其中，醚類燃料因具有較高的含氧量，以及優(yōu)越的著火性能，且可以與柴油以任意比例互溶，因此適合作為柴油燃料。聚甲氧基二甲醚(PODEn)作為新型含氧燃料，化學(xué)簡式CH3O(CH2O)nCH3(n為聚合度)，是一類低相對(duì)分子質(zhì)量的縮醛類聚合物。n分別為0、1和2時(shí)，對(duì)應(yīng)于二甲醚(DME)、甲縮醛(DMM)和二聚甲醛。DME在常壓下為氣態(tài)，在柴油中添加DME不僅增加其蒸氣壓，降低其黏度，而且互溶性較差，其他兩種化合物也存在沸點(diǎn)和閃點(diǎn)較低問題，作為替代燃料使用時(shí)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油和燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)n>8時(shí)，對(duì)應(yīng)的低聚甲醛存在低溫下結(jié)晶現(xiàn)象，而n在3～8范圍的 PODEn適宜作為柴油添加劑。PODE3-8具有與柴油互溶穩(wěn)定、含氧量高(≥47%)、十六烷值高(≥78)等優(yōu)點(diǎn)，可有效改善柴油機(jī)的燃燒與排放性能，具有較好的應(yīng)用前景[6-10]。2013年，山東辰信新能源有限公司和中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所合作的萬噸級(jí)PODEn生產(chǎn)設(shè)備投產(chǎn)，為PODEn的推廣使用提供可能。筆者選用PODE3-8作為含氧燃料，配制不同摻混比例的混合燃油；通過熱重實(shí)驗(yàn)，研究混合燃油的蒸發(fā)和氧化特性，并在柴油機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，探討其對(duì)柴油機(jī)燃燒過程以及經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)燃料

所用柴油為國Ⅳ柴油，PODE3-8由淄博臻安商貿(mào)提供。配制體積分?jǐn)?shù)分別為5%、10%和15%的PODE3-8-柴油混合燃料，分別記為P5、P10和P15。各比例混合燃料互溶穩(wěn)定，在常溫下靜置30 d，沒有產(chǎn)生分層現(xiàn)象。各混合燃料的理化性質(zhì)列于表1。

表1　5種燃料的理化性質(zhì)

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1熱重實(shí)驗(yàn)

采用METTLER公司TGA/DSC1型熱重分析儀對(duì)混合燃料進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)。樣品量10 mg，O2流量50 mL/min；升溫區(qū)間40～400℃，升溫速率12℃/min。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取TG-DTG曲線，計(jì)算其熱分析參數(shù)，分析燃料的蒸發(fā)和氧化特性。

1.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為 186FA單缸四沖程風(fēng)冷柴油機(jī)，其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括杭州中成測試設(shè)備有限公司的CWF7.5測功機(jī)和MCS-960油耗儀、奧地利AVL公司的AVL 415S濾紙煙度計(jì)、日本Horiba公司的MEXA-7200D尾氣分析系統(tǒng)和奧地利Dewetron公司的M0391E燃燒分析儀。

以柴油機(jī)標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速3000 r/min下平均有效壓力(BMEP)分別為0.115 MPa、0.230 MPa、0.345 MPa和0.460 MPa作為實(shí)驗(yàn)工況，對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率分別為25%、50%、75%和100%，分別燃用柴油、P5、P10和P15，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗和尾氣排放等數(shù)據(jù)。在100%負(fù)荷時(shí)，連續(xù)采集200個(gè)循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化并計(jì)算平均值，得到瞬時(shí)放熱率等燃燒特性參數(shù)。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性不超過5%，每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況均重復(fù)運(yùn)行3次，并根據(jù)Kline 和 McClintock[11]建立的方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算結(jié)果表明，在置信度為95%時(shí)，燃燒缸內(nèi)壓力、比油耗、濾紙煙度和氣體排放的標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.1%、1.5%、1.7%和1.8%。

2　結(jié)果與討論

2.1熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1是4種燃油樣品在O2氛圍下的TG-DTG曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到熱分析參數(shù)列于表2。TG-DTG曲線中，質(zhì)量損失占總質(zhì)量的1%所對(duì)應(yīng)的溫度稱為起始質(zhì)量損失溫度(Ts)；TG曲線上最大質(zhì)量損失率點(diǎn)的切線與TG曲線基線延長線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為起始燃燒溫度(Te)，Ts和Te的大小反映了燃料的熱穩(wěn)定性[12]。同時(shí)，Te值的大小也反應(yīng)了樣品著火的難易程度。從圖1可見，柴油的Ts和Te分別為59℃和112.4℃，而P5、P10和P15燃料的Ts降低了3.4℃、5.6℃和7.0℃，Te值降低了6.4℃、11.8℃和17.2℃。與柴油相比，混合燃料的Ts和Te溫度向低溫區(qū)偏移，熱穩(wěn)定性降低。這是由于PODE3-8的餾程溫度和沸點(diǎn)較柴油低，混合燃料的黏度下降，因此混合燃料的揮發(fā)性能優(yōu)于柴油。由于混合燃料的十六烷值提高，Te值相對(duì)減小，著火性能改善。

圖1　4種燃油在O2氛圍下的TG和DTG曲線Fig.1　TG and DTG curves in O2 atmosphere of the four test fuels (a) TG; (b) DTG 表2　4種燃油熱分析參數(shù) Table 2　The thermogravimetric analysis parameters of the four test fuels

FuelTs/℃Th/℃Te/℃S×1013Diesel59.0236.0112.40.887P555.6234.6106.00.953P1053.4232.0100.61.080P1552.0229.095.21.210

Th—The final mass loss temperature；S—The composite combustion index

質(zhì)量損失率峰值反應(yīng)油品揮發(fā)和氧化速率的劇烈程度。由DTG曲線可知，燃油的峰值溫度隨摻混比例的增加逐漸向低溫區(qū)域偏移，同時(shí)質(zhì)量損失率峰值也有所降低。40～142℃區(qū)間內(nèi)，混合燃料的質(zhì)量損失率均高于柴油，燃油的蒸發(fā)和氧化燃燒性能提高。由于混合燃料前期蒸發(fā)質(zhì)量損失燃油量較大，導(dǎo)致峰值時(shí)剩余的燃油量較少，燃燒劇烈程度降低，DTG峰值均小于柴油。

綜合燃燒特性指數(shù)(S)是反映燃料著火和燃盡的綜合指標(biāo)[13]，S值越大，燃料的燃燒特性越好。S值的計(jì)算見式(1)。

(1)

根據(jù)表2結(jié)果，混合燃料的S隨PODE3-8摻混比例的增加而增大，燃料的燃燒特性得到改善。TG曲線和DTG曲線向低溫區(qū)偏移，也說明混合燃料更易揮發(fā)和氧化燃燒。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1燃燒過程分析

圖2為柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速為3000r/min全負(fù)荷下分別燃用4種燃料的缸內(nèi)壓力和放熱率隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角的變化。從缸內(nèi)壓力曲線看到，與柴油相比，柴油機(jī)燃用混合燃油時(shí)，滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)提前，同時(shí)最高爆發(fā)壓力增大。在放熱率曲線中，柴油機(jī)燃用P5混合燃料，預(yù)混燃燒放熱率峰值略有上升，隨摻混比例的進(jìn)一步增大，預(yù)混燃燒放熱率峰值明顯降低；在擴(kuò)散燃燒階段，柴油機(jī)燃用混合燃料時(shí)，燃燒放熱率峰值均高于柴油，燃燒狀況明顯改善。

圖2　柴油機(jī)燃用4種燃油的缸內(nèi)壓力和放熱率隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角的變化Fig.2　Incylinder pressure and heat release rate of the four test fuels vs crank angle of diesel engine (a) Incylinder pressure; (b) Heat release rate Speed of 3000 r/min; BEMP=0.46 MPa

缸內(nèi)壓力對(duì)比曲線表明，隨PODE3-8摻混比例的增大，滯燃期縮短。由于十六烷值是影響滯燃期的關(guān)鍵因素，混合燃料十六烷值隨PODE3-8摻混比例增加而增大(見表1)，滯燃期縮短。燃燒始點(diǎn)的提前，使預(yù)混燃燒過程更接近于上止點(diǎn)，最高燃燒壓力略有上升[14-16]。

燃燒放熱率曲線表明，燃油燃燒分為預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒兩個(gè)階段。在預(yù)混燃燒階段，當(dāng)柴油機(jī)燃用P5燃油時(shí)，雖然滯燃期略有縮短，但混合燃料的蒸發(fā)以及自含氧特性對(duì)燃燒速率的提高，使燃燒放熱率峰值與柴油相近；隨PODE3-8摻混比例的增大，滯燃期進(jìn)一步縮短，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量減少，同時(shí)可燃混合氣的熱值降低，P10和P15燃油在預(yù)混燃燒階段的放熱率峰值顯著降低。在擴(kuò)散燃燒階段，由于擴(kuò)散燃燒燃油量的增加，且在柴油中摻混PODE3-8有利于改善混合氣的均勻性，提高擴(kuò)散燃燒速率，改善擴(kuò)散燃燒狀況，因此燃燒放熱率峰值均高于柴油。由于P15燃油的熱值較低，燃燒放熱率低于P10燃油，改善幅度降低[17]。

2.2.2經(jīng)濟(jì)性分析

圖3為柴油機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為3000 r/min分別燃用4種燃料的比油耗和有效熱效率隨平均有效壓力(BMEP)的變化。從圖3可以看到，柴油機(jī)燃用混合燃油時(shí)比油耗增大，有效熱效率有不同程度的提高。由于混合燃料的熱值降低，因此相同工況下的比油耗增加。全負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)燃用P5、P10和P15混合燃料時(shí)的比油耗分別增加0.8%、3.2%和8.5%。

圖3　柴油機(jī)燃用4種燃油的比油耗(BSFC)和 有效熱效率隨平均有效壓力(BMEP)的變化Fig.3　BSFC and effective thermal efficiency of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

將PODE3-8按體積分?jǐn)?shù)5%和10%摻混到柴油中，可提高柴油機(jī)有效熱效率。燃料內(nèi)氧在燃燒過程中起到自供氧的作用，因而可以改善過濃混合氣區(qū)域缺氧的狀況，使燃燒更加充分[18]。PODE3-8的沸點(diǎn)和黏度也低于柴油，更有利于蒸發(fā)霧化，降低油氣混合的不均勻性。全負(fù)荷工況下，柴油機(jī)燃用P5和P10混合燃料時(shí)的有效熱效率分別提高2.8%和4.2%。但對(duì)于P15燃油，由于燃油的低熱值較低，單位體積燃料燃燒放出的熱量較少，使缸內(nèi)溫度下降，燃燒效率降低；且P15燃油的蒸發(fā)量較大，可能會(huì)造成油束外圍形成過稀的混合氣，從而影響有效熱效率。

2.2.3排放特性分析

圖4為柴油機(jī)穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速3000 r/min下分別燃用4種燃料的NOx和排氣煙度隨平均有效壓力(BMEP)的變化?？傮w而言，燃用混合燃油的NOx排放與燃用柴油的相差不大，但可有效降低排氣煙度。

圖4　柴油機(jī)燃用4種燃油的NOx排放和 排氣煙度隨平均有效壓力(BMEP)的變化Fig.4　NOx and smoke emissions of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

根據(jù)Zeldovich機(jī)理，NOx排放取決于最高燃燒溫度、高溫下的滯留時(shí)間以及燃燒過程中的氧濃度[19-20]。當(dāng)燃用P5燃油時(shí)，其放熱率峰值相對(duì)于柴油略有增加，最高燃燒溫度提高。同時(shí)，PODE3-8的自含氧特性增加了燃燒過程中的氧濃度，因此NOx排放增加。在全負(fù)荷時(shí)，NOx排放增加3.4%。當(dāng)摻混比例繼續(xù)增加，由于P10和P15燃油熱值的降低，相同功率下供油量增加，燃燒持續(xù)期增大，且燃燒放熱率峰值低于柴油(見圖2)，因此最高燃燒溫度降低，抑制了熱力型NOx的生成。如圖4所示，當(dāng)燃用P10燃料時(shí)，全負(fù)荷下的NOx排放與柴油相當(dāng)；該工況下，燃用P15混合燃油的NOx排放相對(duì)于柴油降低2.4%。

在柴油中摻混PODE3-8可有效降低柴油機(jī)的排氣煙度。額定工況下，與燃用柴油相比，燃用P5、P10和P15燃料時(shí)的排氣煙度顯著降低，分別降低25.2%、30.8% 和32.1%。在柴油機(jī)中，由于油氣混合的不均勻性，因而在局部高溫缺氧的條件下生成碳煙，其中擴(kuò)散燃燒過程是碳煙生成的主要時(shí)期。PODE3-8可以改善過濃混合氣區(qū)域缺氧的狀況。同時(shí)，混合燃料沸點(diǎn)和黏度降低，有利于燃油的蒸發(fā)和霧化。因此，在柴油中摻混PODE3-8有利于促進(jìn)混合氣的形成以及改善燃燒狀況，降低柴油機(jī)碳煙排放。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，燃料中較大的碳?xì)浠?jīng)β裂變反應(yīng)生成小分子不飽和碳?xì)浠衔?，這些小分子不飽和碳?xì)浠衔镌诟邷貤l件下極易反應(yīng)生成碳煙。PODE3-8中的碳原子以C—O鍵的狀態(tài)存在，難以參加任何生成小分子不飽和碳?xì)浣M分的反應(yīng)，因此減少了碳煙先驅(qū)物的生成數(shù)量；且PODE3-8在燃燒初期生成大量具有氧化作用的OH基團(tuán)，它可以直接與乙烯發(fā)生氧化反應(yīng)(見式(2))，減少乙炔的生成，從而抑制多環(huán)芳香烴的形成[21]。

(2)

圖5為柴油機(jī)穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速3000 r/min分別燃用4種燃料的HC和CO排放隨平均有效壓力(BMEP)的變化。從圖5可見，與柴油相比，燃用混合燃料的HC排放和CO排放均有不同程度的降低；在額定工況下，燃用P5、P10和P15的CO排放分別降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放降低了19.2%、21.7%和26.8%。

圖5　柴油機(jī)燃用4種燃油的HC和CO排放 隨平均有效壓力(BMEP)的變化Fig.5　HC and CO emissions of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

CO是燃油不完全燃燒所致，其生成量受缸內(nèi)燃燒溫度和混合氣中氧濃度大小的影響[22]。如上所述，PODE3-8內(nèi)氧可有效改善其混合燃料的燃燒狀況，同時(shí)蒸發(fā)性能的提高有利于提高油氣混合的均勻性，降低由于不完全燃燒生成的CO排放?；旌先剂先紵俾始涌?，滯燃期縮短減弱了由于過度蒸發(fā)導(dǎo)致的油束外圍形成過稀混合氣，從而改善柴油機(jī)HC排放[23]。此外，由于PODE3-8的熱值較柴油降低，過大的摻混比可能會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒過程放熱峰值減小，燃?xì)鉁囟认陆?。因此燃燒室淬熄層變厚，由于淬熄層?nèi)燃油蒸氣不發(fā)生燃燒，使HC 排放有增多的趨勢[24]。

3　結(jié)　論

(1)在柴油中摻混PODE3-8時(shí)，混合燃油樣品的起始質(zhì)量損失溫度和起始燃燒溫度降低，燃油的熱穩(wěn)定性降低，綜合燃燒特性指數(shù)提高。

(2)柴油機(jī)燃用PODE3-8-柴油混合燃料時(shí)，滯燃期縮短，燃燒更接近于上止點(diǎn)，缸內(nèi)最高壓力提高。柴油機(jī)燃用小比例PODE3-8的混合燃料時(shí)，預(yù)混燃燒放熱率峰值與柴油相近；燃用較大比例PODE3-8的混合燃料時(shí)，預(yù)混燃燒放熱率峰值顯著降低。在擴(kuò)散燃燒階段，混合燃料的放熱率峰值均高于柴油，擴(kuò)散燃燒狀況改善。

(3)在額定工況下，相對(duì)于柴油，柴油機(jī)燃用P5、P10和P15混合燃料時(shí)的比油耗分別增加0.8%、3.2%和8.5%，然而有效熱效率提高2.8%、4.2%和3.1%。

(4)在柴油中摻混PODE3-8可顯著降低HC、CO和排氣煙度；在額定工況下，燃用P5、P10和P15的CO排放降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放降低了19.2%、26.8%和21.7%，排氣煙度分別降低25.2%、30.8% 和32.1%。柴油機(jī)燃用混合燃料的NOx排放與柴油相近。

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收稿日期：2015-06-17

基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(14KJA470001)基金資助

文章編號(hào)：1001-8719(2016)04-0816-07

中圖分類號(hào)：TK421+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.04.023

Effect of PODE3-8-Diesel Blended Fuel on Combustion and Emissions of Diesel Engine

FENG Haojie, SUN Ping, LIU Junheng, LIU Shaokang, WANG Yumei

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract：PODE3-8-diesel blended fuels with 5%, 10% and 15% volume fraction of PODE3-8, respectively, were prepared, and their volatility, oxidation characteristic and thermal parameters were studied and calculated by using thermogravimetric analyzer under O2 atmosphere. The combustion and emission characteristics of the diesel engine fueled with these blended fuels were investigated and compared to diesel fuel. Results showed that compared with diesel fuel, initial mass loss temperatures of the blended fuels with the increase of PODE3-8ratio were decreased by 3.4℃, 5.6℃ and 7℃, and initial combustion temperatures were decreased by 6.4℃, 11.8℃ and 17.2℃, respectively. The thermal stability decreased and the composite combustion index increased. At the rated conditions, compared to combustion of diesel fuel, the ignition delay period shortened, the peak heat release rate in premixed combustion section decreased, the highest cylinder pressure and the peak heat release rate in diffusion combustion section increased as combustion of the blended fuels. As compared with diesel fuel, brake specific fuel consumptions of the three blended fuels were increased by 0.8%, 3.2% and 8.5%, but the effective thermal efficiency were increased 2.8%, 4.2% and 3.1%, respectively. CO emissions were decreased by 11.8%, 14.0% and 18.8%, HC emissions were decreased by 19.2%, 26.8% and 21.7%, and smoke emissions were decreased by 25.2%, 30.8% and 32.1% in turn by PODE3-8volume fraction when fueled with the three blended fuels, while NOx emissions changed little.

Key words：PODE3-8； thermogravimetric analysis； combustion； emission

通訊聯(lián)系人： 馮浩杰，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料與排放控制；E-mail:1248788014@qq.com