李博文，劉浩業(yè)，王 志，王建昕

含氧寬餾分燃料在壓燃式發(fā)動機(jī)上的燃燒和排放特性?

李博文，劉浩業(yè)，王 志，王建昕

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

寬餾分燃料由于其優(yōu)異的理化特性，可改善壓燃式發(fā)動機(jī)的燃燒和排放特性。但由于其著火性較差，易出現(xiàn)燃燒效率低、冷起動困難等問題。為改善汽柴油混合寬餾分燃料的著火性，同時(shí)提高燃料的含氧量以進(jìn)一步降低顆粒物排放，將高十六烷值、高含氧量的聚甲醛二甲醚(PODE)與傳統(tǒng)柴油和汽油進(jìn)行摻混，配制成含氧寬餾分燃料(GDP燃料)，并在輕型車用四缸柴油機(jī)上對其進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，用GDP燃料可使燃燒效率明顯提高，有效熱效率比原機(jī)高1%～4%，同時(shí)降低中小負(fù)荷NOx和碳煙的排放，使總顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量排放大幅度下降。

寬餾分燃料；聚甲醛二甲醚；燃燒與排放；顆粒物

前言

目前，汽油和柴油是汽車發(fā)動機(jī)中最常用的兩種燃料。其中，汽油的十六烷值較低，采用火花點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑サ娜紵Ｊ?，熱效率較低；而柴油揮發(fā)性較差，采用擴(kuò)散燃燒的燃燒模式，顆粒物排放較高。寬餾分燃料[1]，即餾程范圍從汽油初餾點(diǎn)到柴油終餾點(diǎn)的內(nèi)燃機(jī)燃料，可融合柴油和汽油兩種燃料的優(yōu)點(diǎn)，這種燃料與柴油相比有較高的揮發(fā)性，而與汽油相比有較高的十六烷值。

現(xiàn)階段將汽油和柴油進(jìn)行混合是獲得寬餾分燃料的簡易實(shí)用途徑[2]。現(xiàn)有的汽柴油混合寬餾分燃料的研究結(jié)果表明，這種燃料可在較寬的負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并在不影響熱效率和NOx排放的情況下降低碳煙排放[3-9]。同時(shí)，綜合考慮各種發(fā)動機(jī)參數(shù)指標(biāo)，汽油摻混比為50%時(shí)效果較好[7-8]。

然而，由于大量汽油成分的導(dǎo)入使寬餾分燃料的著火性明顯低于柴油，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的燃燒效率下降，CO和THC排放惡化，循環(huán)波動加劇[3，8]。同時(shí)，為保證壓燃式發(fā)動機(jī)的冷起動性能，燃料的著火性也不能過低。因此，須在寬餾分燃料中添加其他成分以改善燃料的著火性，同時(shí)若此成分具有較好的揮發(fā)性和較高的含氧量，則可避免由于著火性提高、滯燃期縮短造成的碳煙排放升高現(xiàn)象。

常見的幾種含氧燃料種類及其著火性和含氧量對比如圖1所示，聚甲醛二甲醚(PODE)是一種比較理想的含氧添加成分，它是指分子式為CH3O(CH2O)nCH3的醚類聚合物，其中n表示聚合度，即分子中甲氧基的個(gè)數(shù)，它的理化特性如表1所示。由表可見，PODE的十六烷值很高，甚至高于柴油，含氧量也較高，接近50%。但當(dāng)聚合度n＝2時(shí)，燃料的閃點(diǎn)過低，安全性較差[10]；而當(dāng)n≥5時(shí)，燃料的凝點(diǎn)較高，在室溫下使用會影響流動性，所以PODE3-4更適合作為燃料使用。由文獻(xiàn)[11]～文獻(xiàn)[13]可知，通過生物質(zhì)燃料制得PODE3-5，并將該燃料應(yīng)用于柴油機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)PM的近零排放，且未出現(xiàn)NOx和PM的tradeoff現(xiàn)象。由文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]可知，通過煤基燃料制得的PODE3-4比較適合作為壓燃燃料使用，并將其與柴油和汽油進(jìn)行摻混形成三組分燃料，來與汽柴油寬餾分燃料(GD)和純柴油進(jìn)行對比。單缸發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，三組分燃料的滯燃期明顯比GD燃料短，且可在極低碳煙排放的情況下降低NOx排放。由文獻(xiàn)[16]可知，將PODE與柴油的混合燃料應(yīng)用于多缸重型柴油機(jī)中，結(jié)果也表明了混合燃料在保持極低碳煙排放的同時(shí)有效降低了NOx的排放。

圖1 幾種常見含氧燃料的性質(zhì)

基于上述思路，本文中將這種燃料與汽油和柴油進(jìn)行摻混形成三組分含氧寬餾分燃料(GDP燃料)，以期改善寬餾分燃料的著火特性并進(jìn)一步降低碳煙排放。同時(shí)考慮產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在一臺輕型車用四缸柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，并對燃燒和排放結(jié)果進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)燃料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文中使用一臺四缸輕型車用柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)具體參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動機(jī)參數(shù)

臺架試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖如圖2所示。其中，渦輪增壓系統(tǒng)和中冷廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)均沿用原機(jī)系統(tǒng)，增壓中冷器使用外接循環(huán)冷卻水。使用AVL GH14P缸壓傳感器采集缸壓，缸壓信號以第一缸為準(zhǔn)，使用AVL Indicom621型燃燒分析儀分析缸壓信號和放熱率，分析數(shù)據(jù)由連續(xù)100個(gè)循環(huán)平均得到。使用AVL CEBII型排放分析儀測量NOx，CO和THC 3種常規(guī)氣體排放物。使用AVL 439型不透光煙度計(jì)測量碳煙排放，使用AVL 472部分流顆粒物采集系統(tǒng)測量顆粒物質(zhì)量(PM)，采用DMS 500微粒分析儀測量顆粒物數(shù)量(PN)。將AVL 472采集到的顆粒物進(jìn)行萃取和稱重分析得到可溶性有機(jī)物(SOF)和碳煙兩種成分的質(zhì)量排放。其中，SOF組分用二氯甲烷萃取，萃取的時(shí)間超過12h，而由于試驗(yàn)中采用的是含硫量極低的燃料，所以剩余成分基本上全是碳煙。燃燒效率ηc通過CO和THC排放值來計(jì)算[17]：

式中：mCO，mTHC和 mf分別為排氣中的 CO，THC 和發(fā)動機(jī)消耗燃料的質(zhì)量，kg/h；HuCO，HuTHC和 Huf分別為CO，THC和燃料的低熱值，MJ/kg。

1.2 試驗(yàn)燃料

圖2 多缸機(jī)臺架示意圖

本文中用來配置寬餾分燃料的基礎(chǔ)燃料是北京市售0#柴油和92#汽油，以及由山東玉皇公司生產(chǎn)的PODE燃料，各成分的比例為 PODE2∶PODE3∶PODE4＝2.5% ∶88.9% ∶8.5%，剩余其他成分約占0.1%。試驗(yàn)中所采用的GDP燃料的各組分體積比為柴油∶汽油∶PODE＝35%∶35%∶30%。 各基礎(chǔ)燃料與GDP燃料的理化特性如表3所示，表中GDP燃料的十六烷值采用文獻(xiàn)[18]中的式(6)和式(7)推算得到。GDP燃料、柴油、汽油和柴汽油各半的GD燃料的蒸餾特性曲線如圖3所示。由圖表可見，GDP燃料的十六烷值非常接近國IV柴油十六烷值下限(49[19])，高于 GD燃料(約為35.8[16])。而GDP燃料的揮發(fā)性優(yōu)于柴油和GD燃料，燃料含氧量也遠(yuǎn)高于柴油，有利于降低碳煙排放。但GDP燃料的熱值低于柴油，這導(dǎo)致在相同的負(fù)荷下噴入氣缸內(nèi)的燃料量有所上升。

1.3 試驗(yàn)工況

本文中，通過對不同工況點(diǎn)進(jìn)行噴油時(shí)刻的掃略，并綜合考慮排放和熱效率兩個(gè)指標(biāo)選取最佳噴射時(shí)刻，在此噴射時(shí)刻下研究GDP燃料的顆粒物組成成分和與原柴油機(jī)的對比。

表3 基礎(chǔ)燃料和混合燃料理化特性

圖3 各燃料蒸餾特性曲線

試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速固定在1 600r/min，共選取從小到大5個(gè)不同的負(fù)荷工況點(diǎn)，有效平均壓力(BMEP)分別為 0.26，0.48，0.69，1.00 和1.33MPa。每個(gè)工況點(diǎn)控制策略的選擇參考原柴油機(jī)同工況下的控制策略。其中，5個(gè)工況點(diǎn)的EGR率分別為44%，47%，27%，0和0。在2個(gè)小負(fù)荷工況點(diǎn)(BMEP為0.26和0.48MPa)采用單噴策略，而在3個(gè)中高負(fù)荷工況點(diǎn)(BMEP為0.69，1.00和1.33MPa)由于單噴時(shí)壓升率過高而采用雙噴策略，第一次噴射比例不大于20%，具體比例通過前期預(yù)試驗(yàn)選定，兩次噴射的間隔固定為20°CA，主要篩選條件是最大壓升率、熱效率和NOx與碳煙排放。在進(jìn)行噴油時(shí)刻對排放影響的試驗(yàn)中，需保證最大壓升率小于1.0 MPa/(°)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴油時(shí)刻對發(fā)動機(jī)性能的影響

圖4 BMEP＝0.26MPa工況點(diǎn)噴油時(shí)刻變化的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 BMEP＝0.69MPa工況點(diǎn)噴油時(shí)刻變化的試驗(yàn)結(jié)果

圖4 ～圖8分別為5種不同負(fù)荷工況點(diǎn)4個(gè)指標(biāo)隨噴油時(shí)刻而變化的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見，小負(fù)荷工況點(diǎn)噴射時(shí)刻越早，燃燒效率和有效熱效率越高；而中高負(fù)荷工況點(diǎn)，隨著噴射時(shí)刻的進(jìn)一步提前，有效熱效率略有下降。這主要是因?yàn)樾∝?fù)荷工況缸內(nèi)溫度較低，滯燃期較長，燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)之后，所以噴射時(shí)刻越早，燃燒就越靠近上止點(diǎn)，燃燒效率和有效熱效率也就越高。而在中高負(fù)荷工況點(diǎn)，由于采用兩次噴射，噴射過早會使第一次噴射的燃料燃燒效率下降，導(dǎo)致整體熱效率下降。同時(shí)可以看出，GDP燃料在中高負(fù)荷工況點(diǎn)時(shí)的燃燒效率總體略高于原柴油機(jī)。其原因主要是燃料著火性能的提高和自含氧性使得燃燒更加充分。而在小負(fù)荷工況(BMEP＝0.26MPa)下，由于采用了較大的EGR率，出現(xiàn)缸內(nèi)溫度偏低，滯燃期增長，混合時(shí)間過長導(dǎo)致混合氣過稀，燃燒效率偏低的現(xiàn)象。但在噴射時(shí)刻較早時(shí)，其燃燒效率還是能達(dá)到接近原柴油機(jī)的水平。相比之下，汽柴油混合燃料在各負(fù)荷工況點(diǎn)均出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)物高、燃燒效率低于柴油等問題[16，20]，這在使用了高EGR率的工況下尤其明顯[14]。由此說明，本文中采用PODE提高寬餾分燃料著火性能的方法是有效的。

圖7 BMEP＝1.00MPa工況點(diǎn)噴油時(shí)刻變化的試驗(yàn)結(jié)果

從結(jié)果還可看出，在所有工況點(diǎn)，NOx排放都隨噴射時(shí)刻(后3組工況點(diǎn)為第二次噴射時(shí)刻)的提前而上升。在負(fù)荷較小的2個(gè)工況點(diǎn)，碳煙排放(不透光度)也隨噴射時(shí)刻的提前而略有上升，但總體維持在較低的水平；而在中高負(fù)荷，碳煙排放隨噴射時(shí)刻的變化不明顯，一直維持在極低值。

在每個(gè)工況點(diǎn)綜合考慮排放和熱效率兩個(gè)指標(biāo)，得到每個(gè)工況的最優(yōu)噴射時(shí)刻，選取的原則是盡量使每種排放和有效熱效率達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)要使各項(xiàng)指標(biāo)盡量優(yōu)于原柴油機(jī)。因此在 BMEP＝0.26MPa工況點(diǎn)，噴射時(shí)刻選取上止點(diǎn)前7°CA，因?yàn)樵诖藝娚鋾r(shí)刻，有效熱效率高于原柴油機(jī)，NOx和不透光度低于原柴油機(jī)，選取其他點(diǎn)則不能同時(shí)滿足NOx排放和有效熱效率均優(yōu)于原柴油機(jī)的要求；在BMEP＝0.48MPa工況點(diǎn)，噴射時(shí)刻選取上止點(diǎn)前7°CA，因?yàn)樵诖藝娚鋾r(shí)刻，NOx排放低于0.4g/(kW.h)，此數(shù)值為歐VI重型柴油機(jī)排放法規(guī)限值，而有效熱效率比最高熱效率點(diǎn)只低約0.5%；在BMEP＝0.69MPa工況點(diǎn)，第二次噴射時(shí)刻選取上止點(diǎn)后2°CA，因?yàn)樵诖藝娚鋾r(shí)刻，有效熱效率比最高熱效率點(diǎn)只低約0.5%，而NOx則遠(yuǎn)低于最高熱效率點(diǎn)；在BMEP＝1.00MPa工況點(diǎn)，第二次噴射時(shí)刻選取上止點(diǎn)后1°CA，同樣因?yàn)樵诖藝娚鋾r(shí)刻，有效熱效率比最高熱效率點(diǎn)低不超過1%，而NOx遠(yuǎn)低于最高熱效率點(diǎn)；在BMEP＝1.33MPa工況點(diǎn)，第二次噴射時(shí)刻選取上止點(diǎn)前1°CA，因?yàn)樵诖藝娚鋾r(shí)刻，NOx排放比最低點(diǎn)只高約1g/(kW.h)，而有效熱效率高1%以上，綜合考慮兩個(gè)指標(biāo)，選擇此噴射時(shí)刻為最優(yōu)點(diǎn)。而經(jīng)過優(yōu)化后，負(fù)荷在BMEP＝0.48MPa和以上的4個(gè)工況點(diǎn)，有效熱效率約比原柴油機(jī)高1～4個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 顆粒物質(zhì)量排放及粒徑分布對比

圖9為優(yōu)化后柴油和GDP兩種燃料在不同負(fù)荷工況點(diǎn)的顆粒物質(zhì)量排放(PM)和各成分排放對比。由圖可見，使用GDP燃料后，PM排放明顯比原柴油機(jī)低，降幅為13%～81%，在中小負(fù)荷尤其明顯，這種趨勢也與顆粒物中的碳煙組分變化趨勢相同。這是因?yàn)樵谥行∝?fù)荷，原柴油機(jī)為了降低NOx排放而使用了較高的EGR率，導(dǎo)致柴油燃燒情況惡化，此情況在BMEP＝0.69MPa工況點(diǎn)尤為明顯，所以此工況下的原機(jī)碳煙排放明顯偏高。而在小負(fù)荷工況，由于EGR率超過40%而出現(xiàn)低溫燃燒現(xiàn)象，碳煙排放反而偏低。由于GDP燃料的揮發(fā)性較好、含氧量較高，即使EGR率略高于原機(jī)，也可較好地控制顆粒物尤其是其中碳煙組分的排放。

圖9 不同負(fù)荷下PM排放對比

由圖同時(shí)可見，燃用GDP燃料時(shí)所有工況點(diǎn)的碳煙排放都比燃用柴油時(shí)明顯降低，這是PM排放降低的主要原因。同時(shí)，大多數(shù)工況點(diǎn)的SOF排放也比原柴油機(jī)低。這是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增大和增壓度的提高，燃料揮發(fā)性的增加導(dǎo)致的過度混合現(xiàn)象不明顯，而含氧量的增加則會加強(qiáng)燃料的燃燒過程，降低不完全燃燒產(chǎn)物的生成。但在小負(fù)荷工況點(diǎn)(BMEP＝0.26MPa)，由于GDP燃料的揮發(fā)性優(yōu)于柴油，易出現(xiàn)過度混合導(dǎo)致混合氣偏稀，著火性的提高尚不能完全消除燃燒不完全問題，使SOF略高于柴油。

圖10為優(yōu)化后兩種燃料在不同負(fù)荷工況點(diǎn)的顆粒物數(shù)量和粒徑分布對比。由圖可見，GDP燃料在所有工況點(diǎn)的凝聚態(tài)顆粒物數(shù)量均低于原柴油機(jī)排放，此部分顆粒物的主要組成成分是碳煙，這與前面的分析吻合。而在中高負(fù)荷工況點(diǎn)，核態(tài)顆粒物的排放也低于原柴油機(jī)。但在小負(fù)荷工況點(diǎn)，GDP燃料的核態(tài)顆粒物數(shù)量較多，而此部分顆粒物的主要組成成分就是顆粒物排放中的SOF成分，這也與前面的分析吻合。

3 結(jié)論

為改善寬餾分燃料著火性差導(dǎo)致燃燒不完全的問題，本文中將PODE與汽油和柴油進(jìn)行摻混形成高著火性、高含氧量的GDP燃料，主要結(jié)果如下。

(1)在壓燃式發(fā)動機(jī)中使用GDP燃料，燃燒效率接近甚至超過原柴油機(jī)，高于GD燃料，這種現(xiàn)象在小負(fù)荷、高EGR率工況尤其明顯。

(2)在中小負(fù)荷工況點(diǎn)，使用GDP燃料可以同時(shí)降低NOx和碳煙排放，并保持有效熱效率高于原柴油機(jī)。其中，在負(fù)荷為BMEP＝0.48MPa及以上工況點(diǎn)時(shí)有效熱效率比原柴油機(jī)高1～4個(gè)百分點(diǎn)。

圖10 各工況點(diǎn)顆粒物數(shù)量和粒徑分布的對比

(3)在柴油機(jī)中使用GDP燃料，可使顆粒物排放尤其是碳煙組分大幅降低，降幅為13%～81%，此現(xiàn)象在中小負(fù)荷尤其明顯。同時(shí)，使用GDP燃料在小負(fù)荷會帶來顆粒物中的SOF組分排放升高的問題。

(4)除小負(fù)荷工況點(diǎn)外，其余各工況點(diǎn)使用GDP燃料后的PN也遠(yuǎn)低于柴油，而在小負(fù)荷工況點(diǎn)主要是核態(tài)顆粒物數(shù)量升高導(dǎo)致PN高于原柴油機(jī)。

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Combustion and Emission Characteristics of Compression-ignition Engines Fuelled with Oxygenated Wide Distillation Fuel

Li Bowen，Liu Haoye，Wang Zhi＆ Wang Jianxin

Tsinghua University， State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy， Beijing 100084

Wide distillation fuel(WDF)can improve the combustion and emission characteristics of compression-ignition engines due to its better physical and chemical properties than diesel，but because of its poor ignitability，leading to the problems of low combustion efficiency and cold start difficulty.To improve the ignitability and increase the oxygen content of WDF for further reducing particle emission，a WDF containing oxygen is formulated by blending Polyoxymethylene dimethyl ethers(PODE)， which has high cetane number and oxygen content， with gasoline and diesel fuel to form a three-component fuel， abbreviated as GDP， which is then tested on a four-cylinder diesel engine for light vehicles.The results show that fueling GDP fuel can apparently enhance combustion efficiency， with an effective thermal efficiency increases by 1～4 percentage points while the emissions of NOxand soot lower at medium and low loads，resulting in significant fall of total particle mass and number emissions.

wide distillation fuel；PODE； combustion and emission； particles

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.11.003

?國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB228404)資助。

原稿收到日期為2016年11月30日，修改稿收到日期為2017年1月9日。

王志，副教授，E-mail：wangzhi＠ tsinghua.edu.cn。