尹 川， 曾東建， 何 冬， 譙 晗， 曹胡泉， 韓偉強

(西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

面對日益突出的能源消耗和污染物排放問題，眾多學者以實現(xiàn)柴油發(fā)動機缸內高效清潔燃燒與降低排放污染物為目標，進行了燃用含氧燃料同時結合不同的噴油策略等研究。目前應用較多的含氧燃料有生物柴油、聚甲氧基二甲醚(PODE)和碳酸二甲酯(DMC)，無C—C鍵且能在燃燒中起自供氧的PODE和DMC在降低碳煙排放方面具有極大潛力。雙氧原子成鍵的分子在降低碳煙排放方面不如單碳氧鍵結構的分子有效[1]，酯類燃料降低碳煙排放方面不及醚類和醇類燃料，且羰基在降低碳煙排放方面具有更高潛力[2-3]。

國內外學者在改變噴油參數(shù)后，對摻混含氧燃料的柴油混合物的燃燒及排放方面做了大量研究。王慶新等[4]和嵇乾等[5]考察了噴油定時與噴油壓力對摻混含氧燃料的燃燒排放物的影響，結果發(fā)現(xiàn)，隨著噴油壓力增大和噴油正時提前，NOx排放會上升，添加含氧燃料可大大降低碳煙排放。陳暉等[6]對摻混PODE的研究結果表明，低負荷下，噴油壓力上升，核態(tài)顆粒物和總顆粒物數(shù)濃度會上升，高負荷下則與之相反。孫萬臣等[7]固定主噴定時,改變主-預噴間隔角，發(fā)現(xiàn)正丁醇-柴油混合燃料的總顆粒數(shù)、積聚態(tài)顆粒物濃度隨著主-預噴間隔角的增大而降低，而核態(tài)顆粒物占比增加。Liu等[8]和楊皓等[9]考察了PODE不同摻混比對燃燒排放物的影響，結果顯示，隨著PODE摻混比增大，碳煙排放降低幅度增大，同時NOx排放增大。摻混DMC雖然在一定程度上會增加NOx排放，但可以很好地降低碳煙的排放[10-11]。Wang等[12]研究了DMC在柴油中的摻混比最高達20%時柴油發(fā)動機的排放特性，發(fā)現(xiàn)柴油中每添加10%的DMC，煙度將減少20%，而NOx將增加20%；當燃料中氧質量分數(shù)達到10%時，煙度減少高達40%。Kumar等[13]在柴油中摻混15%DMC，探究了不同噴油提前角以及廢氣再循環(huán)(EGR)率對各種排放物的影響，發(fā)現(xiàn)在噴油正時為上止點后(ATDC)21°和EGR率為15%時，NOx和碳煙排放均可降低。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，PODE和DMC這2種含氧燃料在降低排放方面具有研究前景，但目前在柴油中添加相同氧含量的酯類和醚類含氧劑，進行燃燒與排放的相關對比研究尚較少。筆者結合不同噴油壓力及主-預噴間隔角，研究了添加相同氧含量的醚類和酯類劑的柴油混合物對燃燒產生的不同模態(tài)顆粒物及氣體排放物的影響，以期更深入了解摻混含氧燃料對柴油排放污染物的變化規(guī)律，對后續(xù)含氧燃料的噴油控制策略研究提供參考和數(shù)據(jù)基礎支持，且在研究替代燃料方面也具有一定的現(xiàn)實意義。

1 試驗部分

1.1 試驗燃料

使用了3種基礎燃料，分別為0#柴油(簡稱柴油)、聚甲氧基二甲醚(PODE)和碳酸二甲酯(DMC)。柴油為郫都區(qū)市售柴油；PODE，工業(yè)品，南京天佑化工有限公司產品；DMC，工業(yè)品，濟寧三石生物科技有限公司產品。通過保證摻混含氧燃料氧含量一致來研究其對燃燒和排放特性的影響，PODE/柴油、DMC/柴油的氧質量分數(shù)均為6.26%。表1為試驗燃料的主要物性參數(shù)。

表1 試驗燃料的主要性質Table 1 The main properties of the test fuels

1.2 試驗設備

試驗測試臺架示意圖如圖1所示，主要包括：測控系統(tǒng)發(fā)動機、電力測功機(ET-2000)、燃油噴射控制系統(tǒng)、發(fā)動機恒溫冷卻系統(tǒng)以及排放測量分析系統(tǒng)、缸壓傳感器(Kistler 6056A，瑞士Kistler公司產品)、電荷放大器(Kistler 5011B，瑞士Kistler公司產品)、光電編碼器(40S6-720PKVE3，瑞士Kistler公司產品)、數(shù)據(jù)采集卡(NI-USB 6353，美國NI儀器采集卡)等主要儀器設備。

試驗中使用的是一款直列四缸水冷柴油機，發(fā)動機的主要參數(shù)如表2所示。

圖1 試驗測試臺架示意圖Fig.1 Scheme of the test setupECU—Electronic control unit; EGR—Exhaust gas recirculation; PC—Personal computer;DMS500, AVL415S, Horiba 7100 are the model of the instrument.

表2 試驗柴油機技術參數(shù)Table 2 Test main parameters of the diesel engine

1.3 試驗設計

試驗燃料在常溫下現(xiàn)配現(xiàn)用，在配制后充分攪拌，確保不分層。同時將發(fā)動機水溫控制在(85±1) ℃，轉速保持在1600 r/min，負荷35%，主噴定時固定為上止點前(BTDC)5°。首先無預噴策略時調整噴油壓力分別為80、90、100、110 MPa；有預噴策略時，燃油預噴質量占總噴油質量的20%，固定噴油壓力為100 MPa，調整主-預噴間隔角分別為20、25、30、35° CA。探究不同噴油壓力及主-預噴間隔角對摻混相同氧含量的酯類和醚類含氧添加劑的柴油在燃燒與排放方面的影響。

2 結果與討論

2.1 缸內壓力及放熱分析

圖2和圖3分別為柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料在不同噴油壓力以及主-預噴間隔角下的缸內壓力及放熱率曲線?，F(xiàn)象一，隨著噴油壓力的提升，會使發(fā)動機缸內平壓力峰值和瞬時放熱率峰值均提高，放熱始點向前移動。產生這樣的現(xiàn)象可能是因為：增大噴油壓力，燃油噴射的初始動能會增大，卷吸效果會增強，燃油貫穿距離增大，從而讓燃油的霧化效果更好，使燃油與空氣混合速率加快，能形成更加均勻的混合氣；在噴射相同量的燃油時，噴射壓力的增大會減少燃油的噴射時間，使燃油有更加充分的時間與空氣混合，提升了燃油的蒸發(fā)和霧化速率，從而使混合氣的形成更加均勻，火核的形成概率加大，增加了預混燃燒比例?，F(xiàn)象二，增大主-預噴間隔角，會使預噴階段的瞬時放熱率峰值降低，而主噴階段的放熱始點會略有后移，主噴階段放熱率峰值增加，缸內最高壓力峰值下降。增加主-預噴間隔角，預噴定時提前，預噴時刻的缸內溫度、壓力更低，預噴階段的燃燒速率降低，從而使滯燃期相應延長。而隨著預噴定時的提前，預噴階段過稀混合氣的比例會增加，在預噴階段未燃的混合氣的比例會增加，此時更多的未燃混合氣推遲到主噴放熱階段放熱，增加了主噴階段的可燃混合氣燃油比例，使主噴階段的放熱率峰值增大。但是主噴階段的放熱發(fā)生在上止點之后，氣缸容積會相應的增加，因此造成燃燒溫度的降低，缸內壓力峰值的減小。在主預噴間隔角相同時，添加DMC與PDOE會使放熱率峰值略有提升，但缸內壓力峰值會略有降低。

圖3 主-預噴間隔角(ai)對缸內壓力(p)及放熱率(Rhr)的影響Fig.3 Effects of main pre-spray interval angle (ai) onin-cylinder pressure (p) and heat release rate (RHH)(a) Diesel; (b) PODE/Diesel; (c) DMC/Diesel

2.2 氣體排放物分析

圖4為噴油壓力對NOx排放的影響。由圖4可以看出，隨著噴油壓力的提高，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的NOx排放均增加。根據(jù)捷里多維奇機理，NO主要是由于火焰中的自由基O原子或OH與N原子在高于1576 ℃反應生成的，溫度、反應時間、混合氣氧含量是影響NOx產生的主要因素。隨著噴油壓力增加，燃油蒸發(fā)霧化更充分，促進預混燃燒比例增加，燃燒溫度會增加，從而導致NOx排放增加。

因為PODE和DMC的運動黏度低，氣化潛熱值高，沸點也比柴油低[10,18]，使得燃料的揮發(fā)性和噴射貫穿距離變好。與純柴油相比，PODE蒸發(fā)會降低缸內溫度，故摻混PODE后NOx排放降低；而對于DMC來說，由于其揮發(fā)性更好，更容易形成局部富氧區(qū)域，摻混DMC后NOx排放會因此升高。由放熱率可知，DMC/柴油的放熱率比純柴油高，而純柴油的放熱率比PODE/柴油高，NOx的生成機理之一是高溫，因此相同噴油壓力下NOx排放由高到低的燃料為DMC/柴油、柴油、PODE/柴油，而燃用PODE/柴油比DMC/柴油的NOx排放減少了13.97%。

圖4 噴油壓力(pi)對NOx排放的影響Fig.4 Effects of injection pressures (pi) on the NOxemission

圖5為主-預噴間隔角對NOx排放的影響。由圖5可見，隨著主-預噴間隔角的增大，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的NOx排放均降低，因為預噴始點提前，缸內壓力和溫度更低，同時預噴的燃料蒸發(fā)吸熱使缸內溫度、壓力進一步降低，低溫使主噴階段燃料有更多混合時間，同時較多的預噴燃料混合后推遲到主噴階段燃燒，混合均勻的燃料燃燒速率更快，反應時間減少，總體上NOx排放呈現(xiàn)降低趨勢。

在相同氧含量的情況下，主-預噴間隔角為25° CA時，燃用PODE/柴油的NOx排放比DMC/柴油減少了12.36%。理論上，燃料中氧含量的增加會導致NOx排放增加，如DMC/柴油；但在中、低負荷下，PODE/柴油由于其較低的低熱值與高十六烷值的共同作用，降低了放熱率峰值與預混燃燒比例，在此條件下可以降低NOx排放。

圖5 主-預噴間隔角(ai)對NOx排放的影響Fig.5 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the NOx emission

圖6為噴油壓力對CO和THC排放的影響。由圖6可以看出，隨著噴油壓力的提高，純柴油與PODE/柴油的CO排放先升高后降低，而DMC/柴油的CO排放先降低后升高，3種燃料的THC排放均降低。添加含氧燃料后，CO、THC排放相比柴油有所增加，這是因為2種含氧燃料的氣化潛熱值均比純柴油高，加入后在會降低缸內初始燃燒溫度[7,19]，使得CO、THC排放上升，隨著噴油壓力增大，2種摻混燃料和純柴油的CO、THC排放差異明顯擴大，PODE/柴油的THC排放比DMC/柴油更高。

圖7為主-預噴間隔角對CO、THC排放的影響。由圖7可見，增加主-預噴間隔角會使柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的CO排放均上升。這是因為提前預噴正時，會加強預混效果，但是活塞遠離上止點，缸內的壓力和溫度較低，同時燃料蒸發(fā)會吸收大量熱量，使燃燒氛圍變差，大量的燃燒中間產物不能充分燃燒，而且缸內較低的壓力會使燃油霧化變差，這會使燃油更容易撞擊壁面，形成“壁面油膜”，缸壁溫度相對較低，使得濕壁油膜蒸發(fā)困難，導致THC排放升高。

圖6 噴油壓力(pi)對CO和THC排放的影響Fig.6 Effects of injection pressure (pi) on the CO and THC emission(a) CO emission vs. pi; (b) THC emission vs. pi

圖7 主-預噴間隔角(ai)對CO和THC排放的影響Fig.7 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the CO and THC emission(a) CO emission vs. ai; (b) THC emission vs. ai

2.3 顆粒物排放分析

圖8為噴油壓力和主-預噴間隔角對碳煙排放的影響。由圖8可知，隨著噴油壓力增加，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的碳煙排放均大幅降低，且碳煙排放降低的幅度在減??；而隨著主-預噴間隔角增大，柴油、PODE/柴油、DMC/柴油3種燃料的碳煙排放降低幅度較小。在噴油壓力為80 MPa時，燃用PODE/柴油比純柴油的碳煙排放減少了74.39%，燃用DMC/柴油比純柴油的碳煙排放減少了73.87%。

提升噴油壓力會減小混合燃油的粒徑，加速燃料的氧化以及熱分解，提高燃油的霧化質量，延長噴霧貫穿距離和增加噴霧錐角，使燃油與空氣的混合更加良好，使燃油混合的均勻性增加，減少了缸內混合氣局部過濃區(qū)域的形成，使燃油燃燒更徹底，從而降低了碳煙的生成。增加主-預噴間隔角，即提前預噴定時會使碳煙排放降低，這主要是因為在預噴油量固定的條件下，增加主預噴間隔角，會使主預噴燃燒階段分離，從而形成更加均勻的混合氣，預噴階段噴入的燃油汽化會進一步使缸內溫度和壓力降低，會使主噴階段的燃油有更加充分的時間與空氣混合，減少了混合氣局部過濃區(qū)域的形成，有利于促使主噴階段的燃料完全燃燒，從而使碳煙排放降低。

在柴油中摻混含氧燃料后，在相同的噴油壓力下，碳煙排放顯著降低。主要是含氧燃料生成的含氧中間體會與生成的碳煙發(fā)生氧化反應，尤其2種含氧燃料都是無C—C鍵，在燃燒過程中難以形成碳核的加環(huán)反應[20]，同時會產生具有強大的氧化乙炔(C2H2)能力的活性OH自由基，降低了碳核前驅體的產生，C2H2被OH基氧化后，有效地避開了碳煙所在的生成區(qū)，同時OH基還會對已生成的碳煙進行氧化，綜合影響下，燃用含氧燃料會使碳煙排放大幅降低。

在混合燃料氧含量相同的情況下，燃用PODE/柴油比DMC/柴油的碳煙排放更低。這是因為DMC具有酯基結構，在降低碳煙前驅體方面不如醇與醚有效[13,21-22]，DMC的碳原子連接了2個氧原子，同時還與1個氧原子形成雙鍵，降低碳煙排放效果不如PDOE的碳氧單鍵結構好[23]。在主-預噴間隔角為35° CA時，燃用PODE/柴油比DMC/柴油的碳煙排放減少了56.84%。

圖8 噴油壓力(pi)和主-預噴間隔角(ai)對碳煙排放的影響Fig.8 Influence of injection pressure (pi) and main pre-injection interval angle (ai) on the soot emission(a) Soot emission vs. pi;(b) Soot emission vs. ai

柴油機排放的顆粒物按照粒徑大小可分為核態(tài)顆粒物(粒徑小于50 nm)、積聚態(tài)顆粒物(粒徑范圍為50～1000 nm)、粗糙態(tài)顆粒物(粒徑大于1000 nm)。為表征不同模態(tài)顆粒物的相對變化，由式(1)計算核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度的比例(rn，%)，由式(2)計算積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度的比例(ra，%)。

(1)

(2)

式中：ca、cn、ct分別為積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度、核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度、總顆粒物數(shù)量濃度，單位均為每立方厘米的粒子數(shù)(N/cm3)。

圖9為噴油壓力對3種燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響。由圖9可以看出，加入含氧添加劑后，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比明顯降低，核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比明顯增加，這也與圖6的結果相一致。這是因為含氧燃料DMC和PODE都沒有C—C鍵，可以減少燃燒過程中生成多環(huán)芳香烴，從而減少大粒徑顆粒物的形成，因此積聚態(tài)顆粒物的形成會減少；同時由于眾多未燃碳氫小分子排放出去，增加了核態(tài)顆粒物生成的比例。

圖9 噴油壓力(pi)對3種柴油燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響Fig.9 Effect of injection pressure (pi) on the ratio of different modes particle numberconcentration to total particle number concentration of three kinds of diesel fuels(a) The number concentration ratio of accumulation particles (ra) vs. pi;(b) The number concentration ratio of nucleation particles (rn) vs. pi

隨著噴油壓力的提升，未燃碳氫化合物增多，小粒徑顆粒物生成量隨之增加；缸內壓力和放熱的提升，促進了缸內已形成的顆粒物的氧化，因此最終形成的積聚態(tài)顆粒物會減少。

圖10為主-預噴間隔角對3種燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響。從圖10可知，隨著主-預噴間隔角的增大，3種燃料積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比均呈降低趨勢，而核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比均呈增加趨勢。這是因為預噴定時的提前，由前面放熱率和氣體排放分析可知，主噴階段放熱增多，缸內未燃碳氫等小分子化合物增多，增加了核態(tài)顆粒物形成，最終形成的積聚態(tài)顆粒物被氧化率也會增大。在相同主-預噴間隔角下添加含氧燃料的積聚態(tài)顆粒物減少，核態(tài)顆粒物增多。這是由于含氧燃料的加入，使得缸內的未燃碳氫等小分子化合物增多(這與圖7所示的結果相一致)，這增加了核態(tài)顆粒物的形成；同時，由于含氧燃料的加入，改善了缸內的燃燒狀況，其自供氧使燃燒更充分，有助于已形成的顆粒物的氧化。從積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比來看，PODE/柴油的比DMC/柴油的更低，PODE/柴油形成的顆粒物表面活性更高，更容易被氧化。

圖10 主-預噴間隔角(ai)對3種柴油燃料不同模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與總顆粒物數(shù)量濃度之比的影響Fig.10 Effects of main pre-spray interval angle (ai) on the ratio of different modes particle number concentration to total particle number concentration of three kinds of diesel fuel(a) The number concentration ratio of accumulation particles (ra) vs. ai;(b) The number concentration ratio of nucleation particles (rn) vs. ai

圖11為噴油壓力和主-預噴間隔角對3種柴油燃料總顆粒物質量濃度的影響。由圖11可知，提升噴油壓力，3種柴油燃料總顆粒物質量濃度均呈現(xiàn)下降趨勢，但降低的幅度隨著噴油壓力的進一步提高而減小。這是因為總顆粒物質量濃度主要是由大粒徑顆粒物決定，提升噴油壓力或提前預噴定時，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比就會增加。

圖11 噴油壓力(pi)和主-預噴間隔角(ai)對3種柴油燃料總顆粒物質量濃度(ρtp)的影響Fig.11 Effects of injection pressure (pi) and main pre-spray interval angle (ai)on total particulate mass concentration (ρtp) of three kinds of diesel fuels(a) ρtp vs. pi; (b) ρtp vs. ai

由圖9和圖10可知，PODE/柴油的積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比低于DMC/柴油，故其總顆粒物質量濃度最低。在噴油壓力為100 MPa時，燃用PODE/柴油的總顆粒物質量濃度比純柴油降低了84.38%，比DMC/柴油降低了36.66%；在主-預噴間隔角為35° CA時，燃用PODE/柴油的總顆粒物質量濃度比DMC/柴油降低了56.40%。

圖12為不同噴油壓力和主預噴間隔角對顆粒物幾何平均直徑的影響。由圖12可知，隨著噴油壓力或主-預噴間隔角的增加，3種柴油燃料的顆粒物幾何平均直徑呈減小趨勢。這與上述核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度隨噴油壓力及主-預噴間隔角的增大而增加相一致，小粒徑的核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒物數(shù)量濃度之比越大，則顆粒物幾何平均直徑越小。同時隨著含氧燃料的加入，顆粒物幾何平均直徑明顯減小。這是因為添加的含氧燃料能減少碳煙前驅體的形成，且能夠改善局部濃混合氣區(qū)域，減少了積聚態(tài)顆粒物的生成[5]。對比發(fā)現(xiàn)，PODE減小顆粒物幾何平均直徑的潛力比DMC更強，這是因為在相同的噴油壓力和主預噴間隔角條件下，PODE降低碳煙排放的能力強于DMC，能夠減少更多的顆粒物生成[2,23]。PODE/柴油的顆粒物幾何平均直徑比DMC/柴油的更小，在噴油壓力為90 MPa時，PODE/柴油比DMC/柴油的顆粒物幾何平均直徑減小了39.45%；在主-預噴間隔角為25°CA時，PODE/柴油比DMC/柴油的顆粒物幾何平均直徑減小了52.77%。

圖12 噴油壓力(pi)及主-預噴間隔角(ai)對顆粒物幾何平均直徑(GMD)的影響Fig.12 Effects of injection pressure (pi) and main pre-injection interval angle (ai) on geometric mean diameter (GMD) of particulate matter(a) GMD vs. pi; (b) GMD vs. ai

3 結 論

研究了不同噴油壓力和主-預噴間隔角下，柴油中添加相同氧含量的DMC和PODE燃料的燃燒及排放特性，結論如下：

(1)含氧燃料可以為缸內燃燒起到自供氧作用，改善缸內局部富燃料區(qū)域，降低碳煙排放，且PODE的碳氧單鍵比DMC的碳氧雙鍵具有更好的降低碳煙的能力，添加相同氧含量PDOE/柴油比DMC/柴油表現(xiàn)出更低的碳煙和NOx排放，總顆粒物質量濃度、顆粒物幾何平均直徑也比DMC/柴油稍低，但CO、THC排放超過了DMC/柴油。

(2)噴油壓力提高，柴油、PDOE/柴油、DMC/柴油的煙塵、THC排放降低，NOx排放增加，同時放熱率峰值和缸內壓力峰值提高，放熱始點提前。主-預噴間隔角增加，3種燃料的主噴階段燃燒放熱率峰值增加，但燃燒速率加快，NOx反應時間減少，同時主噴放熱率峰值提高，預噴放熱率峰值和缸內壓力峰值下降。相同噴油壓力和主-預噴間隔角下，PODE和DMC的添加會增加核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒數(shù)量濃度之比，而積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度占總顆粒數(shù)量濃度之比會降低。