柴油掺混PODE 混合燃料在小负荷工况下的排放特性研究*

王海峰 马文晓

（1-青海交通职业技术学院 青海 西宁 810003 2-长安大学）

引言

汽车的尾气排放是大气污染物排放的重要组成部分，据相关数据统计，我国汽车保有量已达2.17 亿辆。2017 年，全国汽车排放中，CO 排放2 920.3 万t，占机动车CO 排放总量的87.8%；HC 排放342.2 万t，占机动车HC 排放总量的84.1%；NOx排放532.8 万t，占机动车NOx排放总量的92.8%；颗粒物排放48.8万t，占机动车颗粒物排放总量的95.8%。而柴油车排放中，CO 排放347.5 万t，占汽车CO 排放总量的11.9%；HC 排放78.4 万t，占汽车HC 排放总量的22.9%；NOx排放363.9 万t，占汽车NOx排放总量的68.3%；PM 排放48.8 万t，占汽车PM 排放总量的99%[1]。由此可见，柴油机的NOx和PM 排放在汽车的尾气排放中占有很大比重，降低柴油机的NOx和PM排放是控制污染物排放的重点。我国将于2020 年7月1 日对城市重型柴油车实施国ⅥA 标准。相比于国Ⅴ标准，重型柴油车国Ⅵ标准对NOx和PM 有害排放物的限值分别提高了77%和67%。为满足重型柴油车国Ⅵ排放标准，必须采取相应的措施来降低柴油机尾气中的NOx及PM 排放量。

为了降低柴油机尾气排放中的颗粒物成分，采用含氧燃料与柴油混合是一种比较可行的方法。目前，相关研究主要有醇类燃料、生物柴油、二甲醚和碳酸二甲酯等新型替代燃料。这些燃料的含氧量较高，含氧燃料分子中的氧在燃烧过程中起到自供氧作用，有助于改善燃料的燃烧状况，从而改善柴油机燃烧和排放性能[2-5]。王浒等人[6]研究发现，甲醇、乙醇和正丁醇燃料可减少用于生成碳烟的碳原子量，含氧与促进混合的共同作用可显著降低醇类混合燃料的碳烟体积浓度。何邦权等人[7]使用乙醇/柴油/甲酯混合燃料的研究结果表明，在中高负荷时，随着混合燃料中含氧燃料的增加，烟度明显降低。Zannis T.C.等人[8]及Sendzikiene E.等人[9]研究发现，燃料理化性质对柴油机缸内碳烟的生成和氧化过程影响较大。燃料自身含氧对于改善燃烧和降低排放均有效果，尤其是在降低碳烟排放方面，含氧燃料的效果非常明显。从以上研究可以看出，使用柴油与含氧燃料配制成的混合燃料，可有效降低柴油机的碳烟排放。

聚甲氧基二甲醚（PODEn），化学简式为CH3O（CH2O）nCH3，是一类低相对分子质量的缩醛类聚合物，其含氧量可高达47、48（对应于PODE3 和PODE4）。相比于传统燃料纯柴油的十六烷值（50），聚甲氧基二甲醚的十六烷值达70 以上（PODE3 为78，PODE4为90），高的十六烷值提高了聚甲氧基二甲醚燃料的着火性能，使柴油机的颗粒物排放大大降低。因此，聚甲氧基二甲醚可以作为传统柴油的替代燃料[10-12]。已有研究[13]表明，柴油掺混PODEn 后，可显著降低THC、CO 和碳烟排放。冯浩杰等人[14]的研究表明，在柴油中掺混PODE3～PODE8，可显著降低HC、CO 排放和降低排气烟度。

本文将PODE 按照一定比例与柴油混合形成含氧燃料，在一台电控燃油高压共轨柴油发动机上测试了柴油、柴油与PODE 掺混燃料的燃烧及排放特性，并对超细颗粒物的数量浓度、表面积浓度及体积浓度进行了对比分析和研究。

1 试验装置与数据处理

1.1 试验设备

试验用发动机为玉柴YC6G270-30 高压共轨柴油发动机，发动机主要参数见表1。

试验中，超细颗粒物的采样使用SMPS-3938 气溶胶粒径谱仪，其主要参数见表2。

表1 发动机主要参数

表2 SMPS-3938 气溶胶粒径谱仪主要参数

1.2 试验方案

试验燃料为纯柴油及柴油/PODE 混合燃料，其中，纯柴油以D100 表示，柴油/PODE 混合燃料根据掺入体积比例不同，形成2 种混合燃料。为便于考察不同含氧量的燃料对柴油机燃烧及排放的影响，将2种不同含氧量的混合燃料与纯柴油进行对比。其中，柴油体积比占90%、PODE 体积比占10%的混合燃料记为P10，柴油体积比占80%、PODE 体积比占20%的混合燃料记为P20。D100、P10 及P20 等3 种燃料的部分理化特性见表3。

表3 试验所用燃料的部分理化特性

试验中使用的试验设备有洛阳凯迈公司生产的CW260 电涡流测功机、Kistler 公司的6052A 压电式压力传感器（用于采集发动机气缸压力信号）、kibox燃烧分析仪（用于采集缸内燃烧状态参数）、电荷放大器、德国MAHA 尾气分析仪等。试验设备及仪器的连接见图1。

图1 试验设备布置方案

2 试验结果分析

2.1 有效燃油消耗率及有效热效率

图2 为小负荷工况下3 种燃料的有效燃油消耗率曲线。

从图2 可以看出，柴油掺混PODE 之后，有效燃油消耗率升高。相比于D100，在转速为1 000 r/min时，P10 和P20 的有效燃油消耗率分别最多升高了9.3%和24%；在转速为1 500 r/min 时，P10 和P20 的有效燃油消耗率分别最多升高了22.5%和32.5%；在转速为2 000 r/min 时，P10 和P20 的有效燃油消耗率分别最多升高了7.0%和24%。

图2 有效燃油消耗率

这是因为燃料的有效燃油消耗率受到燃料热值的影响，燃料的热值越高，有效燃油消耗率越低。试验测得PODE 的热值为24.75 MJ/kg，与柴油形成混合燃料后，P10 的热值为41.06 MJ/kg，P20 的热值为39.19 MJ/kg。与柴油42.87 MJ/kg 的热值相比，分别下降了4.4%及9.9%，因此，在相同负荷下，燃用混合燃料时，要输出相同的功率，有效燃油消耗率必然升高。

在小负荷工况下，3 种燃料的有效热效率曲线如图3 所示。

图3 有效热效率

由图3 可以看出，在小负荷工况下，P10、P20 的有效热效率略高于纯柴油。在转速为1 000 r/min 时，P10 和P20 的有效热效率升高比在转速为1 500 r/min及2 000 r/min 时要多。在转速为1 000 r/min 时，D100 的热效率最低，P10 的热效率最高。在转速为1 500 r/min、BMEP 为0.08 MPa 及转速为1 500 r/min、BMEP 为0.16 MPa 工况，D100 的热效率最低，P10的热效率高于P20。当BMEP ＞0.16 MPa 时，P20 的热效率高于P10，D100 的热效率最低。在转速为2 000 r/min、BMEP 为0.08 MPa 工况，D100 的热效率最高，P20 的热效率略低于P10。当BMEP ＞0.08 MPa时，P20 的热效率最高，D100 的热效率最低。

这是因为，随着燃料中含氧量的增加，在燃烧时，含氧燃料可以自己提供氧气，所带的羟基及HO2活性自由基加快了燃烧速度，使燃烧更加充分，提高了缸内温度。因此，随着燃料中含氧量的增加，P10、P20 的有效热效率升高。

2.2 排放特性

2.2.1 CO 排放分析

图4 为小负荷工况下3 种燃料的CO 排放曲线。

图4 CO 排放特性

从图4可以看出，P10、P20 的CO排放低于D100。这是因为，燃料完全燃烧时生成CO2，当供氧不足时，部分燃料不能完全燃烧，生成CO。由于PODE 的含氧量高，与柴油形成混合燃料后，燃料的富氧特性增加了燃烧过程中活性氧的浓度，产生的活性自由基提高了扩散燃烧强度，使燃烧更加充分，提高了缸内温度[15]，燃料完全燃烧，CO 进一步燃烧生成CO2，因而CO 降低。

2.2.2 HC 排放分析

图5 为小负荷工况下3 种燃料的HC 排放曲线。

图5 HC 排放特性

由图5 可知，含氧燃料的HC 排放低于纯柴油D100。随含氧量的增加，HC 排放随之降低。P20 的HC 排放低于P10。

这是因为，柴油机的HC 排放主要和可燃混合气的过量空气系数及可燃混合气所在区域有关。当可燃混合气过浓或过稀，燃料燃烧不完全时，HC 生成较多。但是因为PODE 的高挥发性有利于减少混合燃料燃烧过程的过浓区域[16]，提高了燃料的燃烧性能，缸内局部相对稀薄的燃烧区域减小，燃料在气缸内壁的淬熄效应降低，从而使HC 排放降低。

2.2.3 碳烟排放分析

图6 为小负荷工况下3 种燃料的碳烟排放曲线。

碳烟排放的评价指标有多种，本文采用烟度值K 来进行评价。由图6 可以看出，3 种燃料中，D100的碳烟排放最高，其次为P10，P20 的碳烟排放最低。与纯柴油相比，混合燃料的碳烟排放最多降低了57%。

图6 碳烟排放特性

这是因为，试验中，测得P10 的沸点为198.25 ℃，粘度为3.61；P20 的沸点为196.59 ℃，粘度为3.01。将柴油和PODE 掺混后，混合燃料的沸点及粘度降低，改善了混合燃料的蒸发及雾化特性，使得可燃混合气更加均匀。相比于纯柴油几乎不含氧，P10 的含氧量为6%，P20 的含氧量为11.68%。含氧的混合燃料在燃烧过程中提高了扩散燃烧速度，可燃混合气不均匀程度得以降低，使混合燃料的燃烧状况得到明显改善，因此试验测得的碳烟排放降低。

化学反应动力学计算表明[17]，PODE 中，以C-O键存在的碳原子难以参与任何生成小分子自由基的反应，从而减少了混合燃料燃烧过程中碳烟前驱物质PAHs 的生成数量。并且，PODE 在燃烧初期生成大量具有氧化作用的OH 基团[18]，它可以直接与乙烯发生氧化反应，减少乙炔的生成，从而抑制了PAHs的形成以及碳烟的环化生长。同时，具有强氧化性的OH 基团易于与已生成的碳烟表面的碳原子进行氧化反应[19]，进一步降低了碳烟排放。

2.2.4 NOx排放分析

图7 为小负荷工况下3 种燃料的NOx排放对比框图。

图7 NOx排放特性

由图7 可以看出，含氧燃料P10、P20 的NOx排放略高于D100。当转速由1000r/min 升高时，3 种燃料的NOx排放都下降。在NOx排放中，随着负荷的增加，NO 的排放比例增加，NO2的排放比例下降。这是因为，柴油机在燃烧过程中所生成的NOx中，主要是NO，只有少量的NO2。根据NOx的生成机理可知，从NO 生成NO2的化学反应为：NO+HO2→NO2+OH。除非在火焰中生成的NO2通过较冷的气体混合而冻结，否则，NO2又会通过反应NO2+O →NO+O2转化成NO。

当燃烧温度升高，氧浓度增大，燃烧时间足够，NO 的生成量就会增加。由燃料的理化特性可知，P10 的含氧量为6%，P20 的含氧量为11.68%，因此，P10 及P20 在燃烧时自含氧改善了燃烧状况，使燃烧温度升高，NO 的排放量增大。另一方面，柴油的十六烷值为50，P10 的十六烷值为54，P20 的十六烷值为56，十六烷值的增加，改善了燃料的着火特性，也使得NO 排放增加。

3 超细颗粒物排放

柴油机尾气排放中的超细颗粒物是大气中细颗粒物的主要来源。按照超细颗粒物的物理形成机制可以分为3 种模态：成核态颗粒物（NCMP、D ＜50 nm）、埃根模态颗粒物（AKMP、50 nm ＜D ＜100 nm）、凝聚态颗粒物（ACMP、100 nm ＜D ＜220 nm）。本文试验所用粒径扫描仪的量程为2.5～1 000 nm。由于在220～1 000 nm 的颗粒物数量极少，因此采集2.5～220 nm的颗粒物，将0～220 nm 定义为超细颗粒物（UFPs）。

3.1 数量浓度

图8 为小负荷工况下3 种燃料的超细颗粒物数量浓度曲线图。

图8 超细颗粒物数量浓度

从图8 可以看出 在转速为1 000 r/min 时，D100和P20 的超细颗粒物数量浓度先随负荷增加而升高，随后随负荷的增加而下降；在转速为1 500 r/min时，P10 和P20 的超细颗粒物数量浓度随负荷增加而下降；在转速为2 000 r/min 时，3 种燃料的超细颗粒物数量浓度先随负荷增加而下降，下降到一个最低点之后，随负荷增加而上升。从图8 还可以看出，混合燃料的超细颗粒物数量浓度低于纯柴油。且随着混合燃料中氧含量的增加，超细颗粒物数量浓度随之降低。相比于纯柴油，混合燃料的超细颗粒物数量浓度最多降低了65.5%。

3.2 表面积浓度

图9 为小负荷工况下3 种燃料的超细颗粒物表面积浓度曲线图。

从图9 可以看出，3 种燃料的超细颗粒物表面积浓度都随负荷的增加而上升。含氧燃料的超细颗粒物表面积浓度低于纯柴油。随着含氧量的增加，超细颗粒物表面积浓度降低。相比于纯柴油，含氧燃料的超细颗粒物表面积浓度最多降低了65.8%。

3.3 体积浓度

图10 为小负荷工况下3 种燃料的超细颗粒物体积浓度曲线图。

图9 超细颗粒物表面积浓度

从图10 可以看出，3 种燃料的超细颗粒物体积浓度随负荷的增加而升高；随着燃料中氧含量的增加，超细颗粒物的体积浓度随之降低，最多降低了72.5%。

图10 超细颗粒物体积浓度

对比图8、图9、图10 可以看出，在同一工况下，混合燃料的超细颗粒物排放数量明显低于柴油，且PODE 掺混比例越高，超细颗粒物排放数量越少。这是由于PODE 流动性好且初馏点较低，导致混合燃料粘度低、蒸发性好，因此混合燃料的雾化质量较好，燃烧完善。此外，由于PODE 自含氧，增加了C-O，且对燃烧有一定的促进作用，也大大降低了超细颗粒物的排放。

4 结论

1）柴油与PODE 形成混合燃料后，在小负荷工况下，与纯柴油相比，随着氧含量的增加，混合燃料的有效燃油消耗率升高，有效热效率升高。

2）柴油与PODE 形成混合燃料后，在小负荷工况下，与纯柴油相比，混合燃料的CO 及HC 排放均降低。

3）柴油与PODE 形成混合燃料后，在小负荷工况下，碳烟排放明显降低。与纯柴油相比，混合燃料的碳烟排放最多降低了57%。

4）柴油与PODE 形成混合燃料后，在小负荷工况下，与纯柴油相比，混合燃料的NOx排放升高。且NOx排放量随氧含量的增加而增加。与纯柴油相比，混合燃料的NOx排放最多升高了59.3%。

5）柴油与PODE 形成混合燃料后，在小负荷工况下，超细颗粒物的排放明显降低。与纯柴油相比，混合燃料的超细颗粒物排放最多降低了72.5%。