沈穎剛，張敬賢，陳貴升,楊 杰，廖憑皓，李 冰

(昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500)

0 概述

在全球能源緊缺和環(huán)境污染雙重壓力下，各國都在推進化石燃料替代燃料的研究[1]。聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ether，PODE)作為柴油的含氧添加劑或替代燃料已得到一定應用。與生物柴油相比，PODE的含氧量更高，低溫流動性好，化學穩(wěn)定性也更優(yōu)，此外PODE的黏度適中，對噴油壓力的要求沒有生物柴油那么高，便于推廣應用[2]。與醇類燃料相比，PODE十六烷值更高即壓燃性能更好，與柴油的混溶性也更好[3]。同為醚類的二甲醚蒸氣壓較高導致柴油/二甲醚混合燃料在常壓下穩(wěn)定性較差，須在較高環(huán)境壓力下存儲[4-5]，且二甲醚和柴油在低于0 ℃的溫度下會顯示出混溶性間隙[5]；而PODE蒸氣壓較低，與柴油之間沒有可混溶間隙，不需要在加壓的環(huán)境下存儲。綜上所述，PODE與傳統(tǒng)生物燃料相比具有更大的優(yōu)勢。

針對中國越加嚴格的排放法規(guī)，排氣后處理系統(tǒng)的應用必不可少[6-8]。柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)表面積大，且采用重金屬催化劑(如鉑和/或鈀)，幾乎可以消除CO和碳氫化合物(hydrocarbon，HC)的排放[9-10]。而柴油機顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)是一種有效捕集和減少顆粒物(particulate matter,PM)的后處理系統(tǒng)[11-13]，兩者一般配套使用。DOC與后噴射結合使用能提高廢氣溫度幫助DPF主動再生，而廢氣中NO2濃度增加能使后處理系統(tǒng)在較低溫度下進行被動再生[12,14]。催化型顆粒物捕集器(catalytic diesel particulate filter，CDPF)與DPF相比，多了催化涂層，可在較低溫度下將收集的顆粒物質燃燒成CO2和水[15]?？深A見，隨著排放法規(guī)越加嚴格，不管是機內凈化技術還是加裝后處理系統(tǒng)，單一的凈化措施將很難滿足未來排放法規(guī)的要求，而使用生物質含氧燃料耦合后處理技術將是可行且高效的內燃機凈化策略之一，故開展柴油機摻混PODE加裝后處理DOC+CDPF的研究具有重要現(xiàn)實意義。

當前對PODE的研究主要集中在發(fā)動機的燃燒和排放上，其對后處理系統(tǒng)性能的影響的研究有限。本文中以D30型高壓共軌增壓中冷柴油機為研究機型，加裝了DOC+CDPF后處理裝置。配制不同PODE摻混比的PODE/柴油混合燃料(PODE體積分數(shù)分別為0%、10%和30%，分別記為P0、P10、P30)，通過發(fā)動機臺架試驗，研究了PODE摻混比對低速、高速負荷工況下柴油機性能及對DOC+CDPF后處理系統(tǒng)轉化效率、溫度和壓降特性的影響。本文中的研究為燃用摻混PODE的柴油機后處理系統(tǒng)的優(yōu)化匹配和高效清潔燃燒的實現(xiàn)提供指導。

1 試驗設計

1.1 試驗設備和燃料

試驗所用發(fā)動機為D30型高壓共軌柴油機，主要技術參數(shù)如表1所示。試驗臺架主要采用奕科WE31型水力測功機、CMFD015型油耗儀、RWK01燃油溫控系統(tǒng)。臺架布置如圖1所示，在DOC前端、DOC后端及CDPF后端分別進行氣體成分、壓差和溫差的檢測。由德國Testo350 煙氣分析儀檢測NO、NO2、CO及O2濃度，而壓差和溫差通過壓力和溫度傳感器每0.2 s檢測一次并將數(shù)據(jù)保存在電子采集模塊中，在試驗后讀取。進氣流量通過上海同圓發(fā)動機測試設備有限公司的TOCEIL-LFE100型流量計測量。DOC+CDPF后處理裝置由云南菲爾特環(huán)?？萍加邢薰咎峁渲饕獏?shù)如表2所示。

表2 DOC+CDPF后處理裝置主要參數(shù)

圖1 試驗臺架結構示意

表1 試驗發(fā)動機主要技術參數(shù)

本文摻混燃料以國六柴油為基準燃料，使用市售PODE3-8，根據(jù)PODE體積分數(shù)配制不同PODE摻混比的含氧燃料，分別記為P0(即純柴油)、P10(PODE體積分數(shù)為10%)、P30(PODE體積分數(shù)為30%)?；旌先剂系牡蜔嶂蛋垂?1)[16]計算，混合燃料的理化特性如表3所示。

表3 混合燃料的理化特性

(1)

式中，QM、QD和QP分別為混合燃料、柴油和PODE的低熱值,MJ/kg;φP為PODE的體積分數(shù)；ρD和ρP分別為柴油和PODE的密度,kg/m3。

1.2 試驗方案

試驗臺架所在地海拔高度約為1 900 m(大氣壓力為81 kPa)，試驗發(fā)動機燃用不同PODE摻混比的含氧燃料(P0、P10、P30)，選取低轉速1 600 r/min、高轉速2 400 r/min進行負荷特性試驗。具體負荷與運行時間的對應關系見圖2，具體工況點選取如表4。每個工況點維持5 min穩(wěn)定運轉，以保證排放測量的準確性。因PODE熱值僅為柴油的51.3%，將其直接與柴油相混會降低發(fā)動機的功率和轉矩輸出[17]，故使用PODE/柴油混合燃料時，將調整發(fā)動機的噴油參數(shù)，使轉矩輸出能達到燃用純柴油時的水平，然后再對比柴油機常規(guī)參數(shù)以研究PODE摻混比負荷特性工況下發(fā)動機動力性、燃油經濟性和排放的差異。試驗期間，對應采集模塊將逐秒記錄DOC前端、DOC后端及CDPF后端的排氣組分、溫度和壓力，用于研究PODE摻混比對DOC+CDPF后處理系統(tǒng)的影響，著重研究其轉化效率和溫度、壓降的差異[18-20]。

圖2 負荷與運行時間的關系

表4 試驗工況點選擇

2 試驗結果及分析

2.1 PODE摻混比對柴油機性能的影響

2.1.1 摻混比對柴油機燃油經濟性的影響

圖3為燃用不同摻混比燃料時1 600 r/min、2 400 r/min轉速下，燃空比(小時油耗與進氣流量的比值)、渦前排溫、有效燃油消耗率和有效熱效率隨負荷變化的規(guī)律。在同一轉速下，燃空比、渦前排溫、有效熱效率都隨負荷的增加而增加，有效燃油消耗率的變化趨勢相反。隨著PODE摻混比的增加，燃空比增加，渦前排溫降低，有效燃油消耗率升高。對于有效熱效率，在低轉速高負荷工況(如87.5%負荷、1 600 r/min)下，P30的有效熱效率比P0和P10略高。在低轉速低負荷工況，發(fā)動機缸內溫度和壓力較低，氣流運動較弱，摻混燃料的有效熱效率均比較低。同時低負荷工況下，進氣量相對高負荷工況較為充足，燃空比較低，P10、P30燃料自含氧對燃燒的改善作用不大。在高轉速低負荷工況(如37.5%負荷、2 400 r/min)下，P10、P30的有效熱效率均比P0低約2.0%，摻混燃料的有效熱效率沒有明顯優(yōu)勢。這是因為在高轉速低負荷工況，發(fā)動機進氣量更充足，P10、P30燃料因較低的熱值，需更長的噴油脈寬，增加了燃燒持續(xù)期，同時較高的十六烷值減少了預混燃燒，不利于高轉速工況下熱效率的提升。

圖3 摻混PODE對柴油機負荷特性的影響

2.1.2 摻混比對柴油機排放的影響

圖4為1 600 r/min、2 400 r/min轉速下，NOx、HC和CO比排放隨發(fā)動機負荷的變化規(guī)律。由圖4可知，相同轉速下，隨著負荷增加，NOx比排放先降低后逐漸升高，拐點出現(xiàn)在37.5%負荷左右，而HC和CO比排放一直降低。當PODE摻混比較高(P30)時，NOx和HC比排放顯著惡化。因為P30含氧量高，在高負荷工況時，缸內溫度較高，高溫富氧容易生成較多的NOx。而在高轉速低負荷工況下，缸內溫度、壓力較低，燃燒時間短，P30因熱值較低導致噴油持續(xù)期較長，造成局部混合氣過濃和過稀，產生了較多的未燃HC。

圖4 摻混PODE對柴油機負荷特性排放的影響

由圖4觀察到，在低轉速25.0%負荷工況，P0、P10兩種燃料NOx比排放較37.5%負荷有小幅增加，因為該工況燃空比較低，較低轉速使反應時間較長，促進了NOx的生成，而P10熱值較低，噴油時間較長，降低了燃燒溫度，因此NOx比排放稍低于P0。在高轉速低負荷(如25.0%負荷2 400 r/min)工況，由于反應時間較短，3種燃料NOx生成量相對低轉速低負荷時要少。同時隨著PODE摻混比的增加，NOx比排放略微降低，如2 400 r/min下的25.0%和37.5%負荷，P0的NOx比排放平均為7.3 g/(kW·h)，P10、P30的NOx比排放則分別比P0降低了8.2%和11.0%，其主要原因是PODE/柴油混合燃料噴油持續(xù)期較長，進一步降低了缸內溫度。

圖4顯示，高轉速低負荷時3種燃料CO比排放均較高。與高轉速低負荷工況下HC排放較高的原因類似，該工況下，缸內溫度、壓力較低，燃燒不充分。另一方面，高轉速下，3種燃料的燃空比均比較低，PODE/柴油混合燃料自身含氧的優(yōu)勢不明顯。

2.2 PODE摻混比對DOC+CDPF轉化效率的影響

2.2.1 低轉速下?lián)交毂葘D化效率的影響

選取低轉速1 600 r/min為試驗轉速，對比不同摻混比下，DOC+CDPF對NO2及CO的轉化效率的差異，如圖5～圖7所示。從圖5可以看出，隨著負荷增加，渦后排溫先降低后逐漸升高，其中在37.5%負荷時，P0和P10的渦后排溫較高，約197 ℃，P30的渦后排溫較低，約為165 ℃。DOC前端NOx濃度隨負荷增加而增加，因為PODE含氧量高，高負荷時摻混比越高則NOx排放越高。DOC前端氧濃度隨發(fā)動機負荷增加而逐漸降低，總體上燃用P30時排氣氧濃度平均比P10和P0高約0.5%。

圖5 1 600 r/min不同負荷下PODE摻混比對渦后排溫、DOC前端NOx排放和DOC前端排氣氧濃度的影響

圖6 1 600 r/min不同負荷下PODE摻混比對NOx排放、NO2占NOx比例及CO排放的影響

圖7 1 600 r/min不同負荷下PODE摻混比對CO轉化效率的影響

圖6中顯示了DOC前端、DOC后端、CDPF后端CO排放、NO2排放及NO2/NOx濃度比的差異。由圖6可見，3種燃料的NO2濃度在DOC前端時隨負荷增加變化不大，在DOC后端和CDPF后端時隨負荷的增加逐漸增加。總體上，在中、低負荷下，燃用P0和P10時DOC前端NO2排放及NO2/NOx濃度比差異不大，燃用P30時更低；在DOC后端和CDPF后端，低負荷工況下燃用P0和P10的NO2排放及NO2/NOx濃度比顯著高于燃用P30時，如25.0%負荷下，燃用P30時后端NO2排放僅為燃用P0和P10時4.8%和4.7%。

如圖6、圖7所示，CO濃度在DOC前端隨負荷增加逐漸降低，而在DOC后端和CDPF后端，除中、低負荷下燃用P30時外，燃用P0、P10時CO濃度均接近0，這表明此時DOC和CDPF對CO的轉化效率接近100%。其主要原因是燃用P30時，低轉速低負荷工況排氣溫度較低(如25.0%和37.5%負荷，渦輪后端排氣溫度均未超過180 ℃)，廢氣經排氣管路到達DOC和CDPF載體前還會進一步散失熱量而降低溫度，故DOC載體中的催化劑未能達到起活溫度，使DOC和CDPF的轉化效率受到限制；隨著發(fā)動機負荷進一步增加，排氣溫度上升，DOC后端和CDPF后端CO濃度迅速下降，DOC和CDPF對CO的轉化效率接近100%。

2.2.2 高轉速下?lián)交毂葘D化效率的影響

圖8～圖10表現(xiàn)了高轉速(2 400 r/min)不同負荷工況下?lián)交毂葘OC+CDPF后處理系統(tǒng)的影響，主要考察DOC和CDPF對NO2及CO的轉化效率。如圖8所示，高轉速下，隨著發(fā)動機負荷增加，渦后排溫和NOx濃度逐漸升高，排氣氧濃度則逐漸下降。其中，在25.0%和37.5%的低負荷工況，摻混比越高，渦后排溫越低。如25.0%負荷燃用P30時的渦后排溫(約138 ℃)明顯低于P0和P10(約為177 ℃)，但過低的排氣溫度將限制DOC和CDPF的轉化效率。圖9顯示，隨著負荷增加，3種燃料的NO2排放在DOC前端變化幅度不大，但在DOC后端和CDPF后端隨負荷的增加而逐漸升高。其中，燃用P0時在DOC后端和CDPF后端NO2排放最高，其次是P10，而燃用P30時提升不明顯。

圖8 2 400 r/min不同負荷下PODE摻混比對渦后排溫、DOC前端NOx排放及DOC前端排氣氧濃度的影響

圖9 2 400 r/min不同負荷下PODE摻混比對NOx排放、NO2與NOx比例及CO排放的影響

圖10 2 400 r/min不同負荷下PODE摻混比對CO轉化效率的影響

由圖9、圖10還可知，在負荷不超過50.0%時，燃用P30時，DOC和CDPF對CO的轉化效率不理想。例如在37.5%負荷，燃用P0、P10時DOC和CDPF對CO的轉化效率接近100%；而燃用P30時，DOC和CDPF對CO的轉化效率僅分別約為17%和49%。這一方面是因為燃用高摻混比燃料時排氣溫度較低；另一方面，PODE摻混比較高時，低負荷工況下HC排放明顯較高，影響了NO和CO的轉化。

2.3 PODE摻混比對DOC+CDPF溫度、壓降的影響

2.3.1 低轉速下?lián)交毂葘囟?、壓降的影?/p>

選取1 600 r/min進行負荷特性試驗，試驗前將D30型柴油機調整至1 100 r/min、50.0%負荷預熱40 min，然后調整至1 600 r/min，從25.0%負荷開始，以12.5%負荷為間隔，每個工況點穩(wěn)定運行5 min(負荷隨運行時間的變化關系見圖2)。試驗期間逐秒記錄DOC前端、DOC后端、CDPF后端排氣溫度和壓力，試驗結果如圖11和圖12所示。圖12中“壓力”為表壓，即絕對壓力與大氣壓力之差。

圖11 1 600 r/min負荷特性工況下PODE摻混比對DOC+CDPF升溫的影響

圖12 1 600 r/min負荷特性工況下PODE摻混比對DOC+CDPF壓降的影響

結合圖2和圖11可知，在低負荷(25.0%)工況，燃用P0和P10時DOC和CDPF有明顯升溫，而燃用P30時升溫較不明顯；在37.5%和50.0%負荷，燃用P10時CDPF仍有明顯升溫，而燃用P0、P30時CDPF后端溫度低于前端；隨著負荷繼續(xù)升高，排氣溫度越來越高，且總體上3種燃料的尾氣經DOC+CDPF后均呈降溫的趨勢。這是因為燃用P0和P10時，CO排放較高，且渦后排氣溫度較高，DOC載體中的催化劑活性較高，因此DOC升溫比燃用P30時明顯。此外，在發(fā)動機預熱階段，燃用P0和P10時發(fā)動機碳煙排放相對燃用P30時更高，CDPF載體中累積的碳煙更多。同時，在低負荷工況，燃用P0和P10時DOC后端NO2排放較高。以上原因促使CDPF載體中的碳煙發(fā)生被動再生，故燃用P0和P10時CDPF升溫較為顯著。

結合圖2和圖12可知，隨著負荷升高，DOC前端和CDPF前端的排氣壓力逐漸增大?？傮w上，燃用P0時CDPF前端排氣壓力比P10和P30更高，其中燃用P30時CDPF前端排氣壓力平均比P0低0.3 kPa～0.5 kPa。這是因為燃用P0時碳煙排放更高，而燃用P10和P30時，碳煙排放較低且碳煙氧化活性更高，同時排氣氧濃度也比P0高，CDPF載體中累積的碳煙能夠及時再生，所以排氣壓力較低。

2.3.2 高轉速下?lián)交毂葘囟?、壓降的影?/p>

與低轉速試驗相同，選取高轉速2 400r/min進行負荷試驗，試驗結果如圖13和圖14所示，負荷隨運行時間的變化關系見圖2。

圖13 2 400 r/min負荷特性工況下PODE摻混比對DOC+CDPF升溫的影響

圖14 2 400 r/min負荷特性工況下PODE摻混比對DOC+CDPF壓降的影響

由圖13可知，在低負荷工況，與1 600 r/min時相似，燃用P0和P10時DOC和CDPF有較明顯的升溫，而燃用P30時升溫相對較不明顯。與1 600 r/min下不同的是，3種燃料的CDPF后端溫度均高于DOC后端(即CDPF前端)，其中在中負荷(37.5%～50.0%)下燃用P0時CDPF仍有明顯升溫。原因主要有：對于P0和P10，發(fā)動機預熱階段CDPF載體累積的碳煙更多，且2 400 r/min工況下排氣氧濃度充足，DOC后端NO2濃度比P30更高，因此碳煙的被動再生反應較劇烈，CDPF升溫明顯；燃用P30時，因DOC對CO轉化效率較差，未被DOC催化氧化的CO進入CDPF載體繼續(xù)被催化氧化，所以在中、高負荷下CDPF也有一定程度的升溫。

由圖14可知，當燃用P0和P10時，在低負荷(25.0%)，發(fā)動機穩(wěn)定運行期間DOC前端和CDPF前端排氣壓力隨運行時間增加略有降低，這是因為發(fā)動機預熱期間CDPF載體中累積的碳煙發(fā)生被動再生。而燃用P30時，發(fā)動機預熱期間碳煙生成量較少，所以發(fā)動機穩(wěn)定運行時排氣壓力變化不大。由于PODE的摻混降低了柴油機的碳煙排放，減少了CDPF載體中碳煙的累積量，因此總體上PODE的摻混比越高則排氣壓力越低，降低了CDPF載體堵塞的風險。

3 結論

(1)負荷工況下，隨著PODE摻混比的增加，柴油機有效燃油消耗率升高。高轉速工況下，在低負荷時摻混燃料有效熱效率相比燃用純柴油低約2%；PODE摻混比較高，NOx和HC比排放會顯著惡化，尤其在低轉速高負荷工況。低轉速工況下，隨PODE摻混比增加，CO比排放降低，如燃用P30時在1 600 r/min、75.0%負荷下CO排放比P0降低了約33%，但在高轉速工況下則高于P0。

(2)在低轉速工況，除燃用P30的低負荷區(qū)間外，燃用3種燃料時DOC和CDPF對CO的轉化效率均接近100%；燃用P0、P10時，后處理系統(tǒng)對NO轉化為NO2的效率比燃用P30更高；低負荷區(qū)間，燃用P0、P10時DOC和CDPF有明顯升溫，燃用P10升溫幅度更大，但燃用P30時升溫幅度較小，且CDPF前端排氣壓力平均比P0低0.3 kPa～0.5 kPa，表明PODE的摻混有效降低了柴油機的碳煙排放。

(3)在高轉速工況，隨PODE摻混比增加，CDPF后端NO2濃度升高；燃用P30時，渦后排溫比燃用P0、P10低約30 ℃，降低了DOC和CDPF的轉化效率；3種燃料的CDPF后端溫度均高于DOC后端；PODE的摻混比越高，DOC前端和CDPF前端排氣壓力越低，進而降低了CDPF載體堵塞的風險。

(4)綜合比較，燃用P30在高負荷低轉速時可提高有效熱效率，降低CO排放，但有效燃油消耗率較高，NOx和HC排放有所惡化，應用方面需對柴油機進一步優(yōu)化。此外，燃用P30的碳煙排放較低，CDPF載體堵塞風險較小，但中低負荷下DOC和CDPF的轉化效率較差。PODE摻混比為10%時，對柴油機和后處理系統(tǒng)性能優(yōu)化較為合適，能在一定程度上降低碳煙排放和延長CDPF再生周期，同時保證DOC和CDPF的轉化效率。