胡際濤，肖合林，胡秀青，郭風(fēng)云

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，燃油車大量增加，導(dǎo)致化石能源的消耗越來(lái)越大，環(huán)境污染問(wèn)題也日益凸顯[1-2]。為了減少對(duì)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(yīng)用研究受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[3-4]。目前，生物柴油、二甲醚(DME)等含氧燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)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(guān)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(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)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(yōu)勢(shì)[6]。但柴油的黏度高，蒸發(fā)霧化性能比汽油差，缸內(nèi)噴射形成的混合氣均勻性較差，因而導(dǎo)致燃燒時(shí)形成大量的炭煙顆粒物。而汽油具有黏度低及蒸發(fā)霧化性能好的特點(diǎn)，在缸內(nèi)噴射時(shí)易形成較均勻的混合氣。因此，在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中使用汽油燃料能夠有效減少炭煙顆粒的形成，進(jìn)而改善車輛的排放性能。但汽油黏度低、潤(rùn)滑性能較差，且十六烷值低，難以在發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，在提高汽油燃料潤(rùn)滑性能的同時(shí)改善壓縮著火性能，從而實(shí)現(xiàn)汽油在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓縮燃燒。

近年來(lái)，對(duì)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(fù)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(nèi)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(diǎn)火(GCI)發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)汽油和柴油摻混燃料燃燒和排放特性的影響，結(jié)果表明，在負(fù)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(wěn)定性，使得發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，HC和CO排放降低。Liu等[15]討論了PODE3-6混合比對(duì)炭煙排放、顆粒粒徑分布和顆粒氧化特性的影響，結(jié)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(shù)總量濃度。J.Burger[16]對(duì)PODEn的研究表明，當(dāng)n=3或n=4時(shí)，PODEn具有較低的蒸氣壓力，能夠避免燃油系統(tǒng)的堵塞。

雖然針對(duì)PODEn已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但針對(duì)其與汽油混合燃料在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的非常規(guī)排放研究較少。因此，本研究通過(guò)在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下的燃燒和排放(常規(guī)排放和非常規(guī)排放)特性，為PODE3-4-汽油混合燃料的發(fā)展提供了參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備是一臺(tái)經(jīng)過(guò)改裝的4缸四沖程高壓水冷共軌壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)配有電控直噴高壓共軌系統(tǒng)(德國(guó)博世)，機(jī)器型號(hào)為YC4FA115-40，其參數(shù)見(jiàn)表1。圖1示出試驗(yàn)臺(tái)架的原理和結(jié)構(gòu)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

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

1.2 試驗(yàn)燃料

在本試驗(yàn)中，混合燃料以汽油為基礎(chǔ)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(jiǎn)稱為PODE)的理化性能見(jiàn)表2?；旌先剂系睦砘再|(zhì)通過(guò)Kay混合法則[7]進(jìn)行估算，如式(1)所示，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 PODE3-4與汽油的理化特性對(duì)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(shù)；xi為第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；φi為第i種物質(zhì)的特性參數(shù)；n為組分的數(shù)目。

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)測(cè)試在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min、負(fù)荷分別為0.13，0.38，0.63，0.88，1.13 MPa下進(jìn)行，廢氣再循環(huán)(EGR)閥門(mén)關(guān)閉。燃油噴射正時(shí)設(shè)為上止點(diǎn)前12.5°。機(jī)油和冷卻液分別控制在(85±1)℃和(87±2)℃，進(jìn)氣溫度控制在(25±0.5)℃。為保證結(jié)果的可靠性，缸內(nèi)壓力重復(fù)測(cè)試10次，排放數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)試5次，并取平均值作為報(bào)告值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)更換燃料時(shí)，先連續(xù)工作至少15 min。

2 試驗(yàn)結(jié)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(fù)荷工況下，隨著PODE摻混比的增加，缸內(nèi)壓力和放熱率峰值逐漸升高。一方面是因?yàn)镻ODE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(shí)還可以看到，在小負(fù)荷工況下，氣缸內(nèi)燃料著火時(shí)刻較大負(fù)荷(如圖2c和圖2d)時(shí)推后。這主要是由于小負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)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(shí)刻推遲。

在大負(fù)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(diǎn)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(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)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(yù)混燃燒比例變小，擴(kuò)散燃燒比例增大，從而導(dǎo)致放熱率最高峰值下降。

圖2 不同負(fù)荷下燃燒不同燃料的缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率

2.2 滯燃期和燃燒持續(xù)期

3種燃料在不同負(fù)荷下的滯燃期(定義為噴油時(shí)刻到CA10對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)見(jiàn)圖3a。隨著負(fù)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?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷上升會(huì)帶來(lái)缸內(nèi)溫度與壓力的上升，較高的溫度和壓力有利于燃料的蒸發(fā)和霧化，使得燃料更快地達(dá)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(xiàn)縮短趨勢(shì)。

圖3b示出3種燃料的燃燒持續(xù)期隨負(fù)荷的變化。從圖3b可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷大于0.38 MPa時(shí)，3種燃料的燃燒持續(xù)期都隨負(fù)荷的增長(zhǎng)而延長(zhǎng)，同時(shí)PODE摻混比例高的燃料燃燒持續(xù)期更長(zhǎng)。這主要是由于隨著負(fù)荷的增大，噴入缸內(nèi)的燃油量增加，噴油時(shí)間增長(zhǎng)，因而燃燒持續(xù)期也會(huì)增加；另外PODE摻混比例越高，噴油量也越多，噴射時(shí)間也越長(zhǎng)，因而燃燒持續(xù)期也越長(zhǎng)。同時(shí)還可以觀察到，當(dāng)負(fù)荷低于0.38 MPa時(shí)，燃燒持續(xù)期卻隨負(fù)荷的增大而縮短。這主要是因?yàn)樵谛∝?fù)荷下，缸內(nèi)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(xù)時(shí)間長(zhǎng)；但隨著負(fù)荷的增大，混合氣濃度提升，缸內(nèi)溫度上升，使得燃燒條件改善，燃燒速度增大，造成燃燒持續(xù)期變短。

圖3 滯燃期和燃燒持續(xù)期隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化

2.3 有效燃油消耗率與有效熱效率

圖4a示出發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率的變化規(guī)律。由圖4a可知，有效燃油消耗率隨負(fù)荷及PODE摻混比例增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但小負(fù)荷工況下，GP30的燃油消耗高于GP20，這是因?yàn)榈拓?fù)荷工況下，缸內(nèi)溫度較低，不利于GP30的蒸發(fā)霧化。負(fù)荷較大時(shí)，缸內(nèi)溫度與壓力逐漸升高，促進(jìn)了可燃混合氣混合過(guò)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(huán)境，使燃燒更加充分，燃油消耗逐漸降低。

圖4b示出發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率隨負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖4b可以看出，隨著負(fù)荷的增大，3種燃料的有效熱效率不斷升高；同時(shí)，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(fù)荷的增大，缸內(nèi)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(shí)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(fù)荷對(duì)有效燃油消耗率與有效熱效率的影響

3 常規(guī)排放

3.1 CO排放

圖5示出試驗(yàn)燃料的CO排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化規(guī)律?？梢钥闯鲭S著負(fù)荷的增大，CO排放呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，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(fù)荷增大，缸內(nèi)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(fù)荷時(shí)，噴油量很大，造成局部區(qū)域混合氣過(guò)濃，從而使CO排放有所增加。同時(shí)還可以看出，隨著PODE摻混比例增大，CO排放降低。這主要是因?yàn)镻ODE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(fù)荷的變化規(guī)律。從圖6可以看出，HC排放隨著負(fù)荷的增加均呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)；同時(shí)，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(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度、壓力升高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更加充分；同時(shí)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(dǎo)致HC排放降低[19]。

圖6 HC排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律曲線

3.3 NOx排放

圖7示出3種燃料在不同負(fù)荷下的NOx排放量變化曲線。高溫、富氧和較長(zhǎng)的反應(yīng)持續(xù)時(shí)間是NOx產(chǎn)生的主要因素，圖中NOx排放隨著負(fù)荷的上升而提升，正是因?yàn)楦變?nèi)溫度隨著負(fù)荷的提升而提升，為NOx的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。摻混PODE后NOx排放總體上沒(méi)有太大變化，中小負(fù)荷下略微上升，高負(fù)荷下略微下降。這是因?yàn)橹行∝?fù)荷下缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)較大，氧含量比較充足，PODE接近50%的含氧量為NOx創(chuàng)造了富氧的產(chǎn)生環(huán)境；而高負(fù)荷下缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)小，PODE的加入僅在一定程度上彌補(bǔ)了缸內(nèi)氧含量的不足，無(wú)法形成富氧環(huán)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(huì)出現(xiàn)下降，雖然此時(shí)持續(xù)燃燒期較長(zhǎng)，NOx的產(chǎn)生仍會(huì)減少。

圖7 負(fù)荷對(duì)試驗(yàn)燃料NOx排放的影響

3.4 Soot排放

圖8示出3種試驗(yàn)燃料的Soot排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖8可以看到，在相同負(fù)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(shí)的炭煙排放相對(duì)于GP10下降57%。這是因?yàn)镻ODE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(shí)還可以看到，隨著負(fù)荷的增大，Soot排放不斷升高。這主要是負(fù)荷增大時(shí)，缸內(nèi)燃料噴射量增加，較高的燃料噴射量同樣會(huì)導(dǎo)致混合氣局部過(guò)濃區(qū)域增大，燃燒不完全，造成Soot排放增加。

圖8 負(fù)荷對(duì)試驗(yàn)燃料Soot排放的影響

4 非常規(guī)排放

有氧燃料燃燒時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生醛酮類化合物(甲醛、乙醛、丙醛等)，以及揮發(fā)性有機(jī)物如芳烴類、苯類等，上述物質(zhì)具有強(qiáng)烈的致癌性，會(huì)對(duì)人體健康及動(dòng)植物的成長(zhǎng)產(chǎn)生極大危害[21-22]，故需要加以關(guān)注。

4.1 苯排放

圖9 3種燃料在不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下的苯排放

4.2 甲醛排放

圖10示出混合燃料在不同負(fù)荷下甲醛的排放變化曲線。由圖10可以看出，隨著負(fù)荷的增大，甲醛排放呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。同時(shí)，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(duì)甲醛排放有重要影響。由圖可10以得知，在0.13～0.63 MPa時(shí)，低溫下甲醛氧化受阻。隨著負(fù)荷的增大，雖然噴油量增大，但其較高的燃燒溫度可以促進(jìn)甲醛氧化，使其排放降低。在負(fù)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(shí)，由于PODE的摻混提高了混合燃料中的含氧量，促進(jìn)了燃燒過(guò)程，較高的燃燒溫度與排氣溫度促進(jìn)了甲醛的氧化，直接導(dǎo)致排放下降[24-25]。

圖10 3種燃料在不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下的甲醛排放

5 結(jié)論

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

b)隨著負(fù)荷的增加，3種燃料的滯燃期基本呈下降趨勢(shì)，在1.13 MPa達(dá)到最低，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)“V”形變化規(guī)律；

c)PODE摻混比的增加使得燃油消耗率產(chǎn)生下降趨勢(shì)，有效熱效率逐漸上升；

d)汽油-PODE混合燃料可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于GP10下降57%，同時(shí)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(dá)到最小，相較于0.13 MPa時(shí)的最高值下降了62%。