汽油掺混PODE3-4对发动机燃烧和排放的影响

胡际涛，肖合林，胡秀青，郭风云

(1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

随着世界经济的发展，燃油车大量增加，导致化石能源的消耗越来越大，环境污染问题也日益凸显[1-2]。为了减少对化石能源的依赖和降低污染物排放，可再生能源和清洁燃料的应用研究受到越来越广泛的关注[3-4]。目前，生物柴油、二甲醚(DME)等含氧燃料在柴油机上的应用已经普遍，而聚甲氧基二甲醚(PODEn)作为一种新兴燃料，由于其良好的减排特性和燃烧性能，受到了广泛关注。相较于柴油，聚甲氧基二甲醚不仅具有较高的十六烷值与含氧量和较好的挥发性，还不包含碳碳分子和硫元素，其与汽油还具有较好的互溶性[5]。

压燃式发动机可以采用较高的压缩比，在改善燃烧热效率和提高功率方面具有较大的优势[6]。但柴油的黏度高，蒸发雾化性能比汽油差，缸内喷射形成的混合气均匀性较差，因而导致燃烧时形成大量的炭烟颗粒物。而汽油具有黏度低及蒸发雾化性能好的特点，在缸内喷射时易形成较均匀的混合气。因此，在压燃式发动机中使用汽油燃料能够有效减少炭烟颗粒的形成，进而改善车辆的排放性能。但汽油黏度低、润滑性能较差，且十六烷值低，难以在发动机中压缩燃烧。为此，在汽油中掺混部分PODEn，利用其黏度和十六烷值比汽油高的特点，在提高汽油燃料润滑性能的同时改善压缩着火性能，从而实现汽油在压燃式发动机上的压缩燃烧。

近年来，对可替代性燃料添加剂PODEn的研究逐步增多[7-11]。Wang等[12]研究了PODE3与汽油在高负荷下的燃烧特性，表明PODE3可以在不影响压力升高率(PRR)和最大缸内压力(pmax)的情况下获得更低的排放和更高的指示热效率(ITE)。Liu等[13]研究了汽油压缩点火(GCI)发动机燃烧与排放特性，表明PODE3-6与汽油共混可以显著降低炭烟排放。Liu等[14]研究了PODE3-4对汽油和柴油掺混燃料燃烧和排放特性的影响，结果表明，在负荷为0.22 MPa工况下，加入PODE3-4增加了汽油和柴油掺混燃料燃烧的稳定性，使得发动机热效率提高，HC和CO排放降低。Liu等[15]讨论了PODE3-6混合比对炭烟排放、颗粒粒径分布和颗粒氧化特性的影响，结果表明，在柴油中加入PODE3-6可以有效降低炭烟排放和颗粒数总量浓度。J.Burger[16]对PODEn的研究表明，当n=3或n=4时，PODEn具有较低的蒸气压力，能够避免燃油系统的堵塞。

虽然针对PODEn已经进行了大量的研究，但针对其与汽油混合燃料在压燃式发动机上的非常规排放研究较少。因此，本研究通过在压燃式发动机上使用不同掺混比例(10%，20%和30%)的PODE3-4-汽油混合燃料，研究了其在不同发动机负荷下的燃烧和排放(常规排放和非常规排放)特性，为PODE3-4-汽油混合燃料的发展提供了参考。

1 试验设备和方案

1.1 试验设备

试验所用设备是一台经过改装的4缸四冲程高压水冷共轨压燃式发动机，该发动机配有电控直喷高压共轨系统(德国博世)，机器型号为YC4FA115-40，其参数见表1。图1示出试验台架的原理和结构。

图1 试验装置示意图

表1 柴油机主要技术参数

常规气体污染物，如CO、HC和NOx，由AVL DIGAS 4000气体分析仪测量，NOx、CO、HC的测量精度分别为1×10-6、0.01%、1×10-6；非常规气体排放采用FL9707气相色谱仪进行测量；烟度则是采用不透光烟度计NHT-6来进行检测，其测量精度为0.01 m-1。

1.2 试验燃料

在本试验中，混合燃料以汽油为基础燃料，分别掺混10%、20%和30%的PODE3-4配制而成，分别记为GP10、GP20与GP30。本研究中汽油和PODE3-4(以下简称为PODE)的理化性能见表2。混合燃料的理化性质通过Kay混合法则[7]进行估算，如式(1)所示，结果见表3。

表2 PODE3-4与汽油的理化特性对比

表3 混合燃料的理化特性

(1)

式中：φ为混合燃料的特性参数；xi为第i种物质的质量分数；φi为第i种物质的特性参数；n为组分的数目。

1.3 试验步骤

试验测试在发动机转速1 800 r/min、负荷分别为0.13，0.38，0.63，0.88，1.13 MPa下进行，废气再循环(EGR)阀门关闭。燃油喷射正时设为上止点前12.5°。机油和冷却液分别控制在(85±1)℃和(87±2)℃，进气温度控制在(25±0.5)℃。为保证结果的可靠性，缸内压力重复测试10次，排放数据重复测试5次，并取平均值作为报告值。当发动机更换燃料时，先连续工作至少15 min。

2 试验结果分析

2.1 气缸压力和放热率

从图2a和图2b可以看出，在小负荷工况下，随着PODE掺混比的增加，缸内压力和放热率峰值逐渐升高。一方面是因为PODE的掺混使混合燃料的十六烷值升高，燃油活性增加，另一方面较高的含氧量改善了燃料的燃烧速度，使燃烧更加充分。同时还可以看到，在小负荷工况下，气缸内燃料着火时刻较大负荷(如图2c和图2d)时推后。这主要是由于小负荷时缸内温度低及混合气浓度比较稀，残留废气影响变大，使得燃烧时刻推迟。

在大负荷(图2d，图2e)工况下，随着PODE掺混比的增大，混合燃料的燃烧始点逐渐提前，但燃烧放热率(HRR)峰值却随着掺混比例的升高而有所下降。这主要是由于大负荷时，缸内温度较高，燃烧条件变好，随着PODE掺混比例的升高，燃料着火延迟期缩短，因而使预混燃烧比例变小，扩散燃烧比例增大，从而导致放热率最高峰值下降。

图2 不同负荷下燃烧不同燃料的缸内压力和燃烧放热率

2.2 滞燃期和燃烧持续期

3种燃料在不同负荷下的滞燃期(定义为喷油时刻到CA10对应的曲轴转角)见图3a。随着负荷的不断增加，滞燃期不断缩短；随着燃料中PODE掺混比例的增加，滞燃期也不断缩短。这主要是因为发动机负荷上升会带来缸内温度与压力的上升，较高的温度和压力有利于燃料的蒸发和雾化，使得燃料更快地达到燃烧的温度边界，滞燃期缩短；随着PODE掺混比的增大，一方面喷雾锥角增大，雾化效果提升[18]，另一方面混合燃料的十六烷值增大，着火性能得到改善，在两者的影响下，滞燃期呈现缩短趋势。

图3b示出3种燃料的燃烧持续期随负荷的变化。从图3b可以发现，负荷大于0.38 MPa时，3种燃料的燃烧持续期都随负荷的增长而延长，同时PODE掺混比例高的燃料燃烧持续期更长。这主要是由于随着负荷的增大，喷入缸内的燃油量增加，喷油时间增长，因而燃烧持续期也会增加；另外PODE掺混比例越高，喷油量也越多，喷射时间也越长，因而燃烧持续期也越长。同时还可以观察到，当负荷低于0.38 MPa时，燃烧持续期却随负荷的增大而缩短。这主要是因为在小负荷下，缸内温度低，混合气浓度低，加之残余废气影响，使燃烧条件恶劣，因而燃烧速度慢、燃烧持续时间长；但随着负荷的增大，混合气浓度提升，缸内温度上升，使得燃烧条件改善，燃烧速度增大，造成燃烧持续期变短。

图3 滞燃期和燃烧持续期随发动机负荷的变化

2.3 有效燃油消耗率与有效热效率

图4a示出发动机有效燃油消耗率的变化规律。由图4a可知，有效燃油消耗率随负荷及PODE掺混比例增大呈现下降趋势。但小负荷工况下，GP30的燃油消耗高于GP20，这是因为低负荷工况下，缸内温度较低，不利于GP30的蒸发雾化。负荷较大时，缸内温度与压力逐渐升高，促进了可燃混合气混合过程，另外PODE掺混比例的上升提高了燃料的十六烷值与含氧量，改善了燃烧环境，使燃烧更加充分，燃油消耗逐渐降低。

图4b示出发动机有效热效率随负荷的变化规律。从图4b可以看出，随着负荷的增大，3种燃料的有效热效率不断升高；同时，随着燃料中PODE掺混比例的升高，热效率也不断提高。这主要是随着负荷的增大，缸内的燃烧温度和压力升高，燃烧更加充分。随着PODE掺混比例的升高，燃料的自燃性能改善，同时燃料中含氧量增大，使燃烧更加充分，从而热效率更高。

图4 负荷对有效燃油消耗率与有效热效率的影响

3 常规排放

3.1 CO排放

图5示出试验燃料的CO排放随发动机负荷的变化规律。可以看出随着负荷的增大，CO排放呈现不断下降的趋势，但在平均有效压力为1.13 MPa的工况下，CO排放量又有增加。主要原因是随着负荷增大，缸内燃烧温度升高，燃烧更加充分，因而CO排放不断下降；但在最高负荷时，喷油量很大，造成局部区域混合气过浓，从而使CO排放有所增加。同时还可以看出，随着PODE掺混比例增大，CO排放降低。这主要是因为PODE的加入增大了混合燃料的含氧量，使得燃料的燃烧更加充分，CO逐渐降低。

3.2 HC排放

图6示出HC排放随负荷的变化规律。从图6可以看出，HC排放随着负荷的增加均呈现出不断降低的趋势；同时，随着PODE掺混比的增大，HC排放也不断下降。主要是由于随着负荷增大，缸内温度、压力升高，发动机燃烧更加充分；同时掺混比例越大，3种燃料的自燃性能越好，加之高含氧量有助于燃烧与HC氧化，从而导致HC排放降低[19]。

图6 HC排放随负荷的变化规律曲线

3.3 NOx排放

图7示出3种燃料在不同负荷下的NOx排放量变化曲线。高温、富氧和较长的反应持续时间是NOx产生的主要因素，图中NOx排放随着负荷的上升而提升，正是因为缸内温度随着负荷的提升而提升，为NOx的产生创造了条件。掺混PODE后NOx排放总体上没有太大变化，中小负荷下略微上升，高负荷下略微下降。这是因为中小负荷下缸内过量空气系数较大，氧含量比较充足，PODE接近50%的含氧量为NOx创造了富氧的产生环境；而高负荷下缸内过量空气系数小，PODE的加入仅在一定程度上弥补了缸内氧含量的不足，无法形成富氧环境，且掺混PODE使滞燃期缩短又削弱了燃料的雾化性能，集中放热温度会出现下降，虽然此时持续燃烧期较长，NOx的产生仍会减少。

图7 负荷对试验燃料NOx排放的影响

3.4 Soot排放

图8示出3种试验燃料的Soot排放随负荷的变化规律。从图8可以看到，在相同负荷工况下，烟度随PODE掺混比的增加而下降，在1.13 MPa下，燃用GP30时的炭烟排放相对于GP10下降57%。这是因为PODE的掺混提高了混合燃料的氧含量，燃烧后期有利于炭烟颗粒的氧化[20]。同时还可以看到，随着负荷的增大，Soot排放不断升高。这主要是负荷增大时，缸内燃料喷射量增加，较高的燃料喷射量同样会导致混合气局部过浓区域增大，燃烧不完全，造成Soot排放增加。

图8 负荷对试验燃料Soot排放的影响

4 非常规排放

有氧燃料燃烧时，通常会产生醛酮类化合物(甲醛、乙醛、丙醛等)，以及挥发性有机物如芳烃类、苯类等，上述物质具有强烈的致癌性，会对人体健康及动植物的成长产生极大危害[21-22]，故需要加以关注。

4.1 苯排放

图9 3种燃料在不同发动机负荷下的苯排放

4.2 甲醛排放

图10示出混合燃料在不同负荷下甲醛的排放变化曲线。由图10可以看出，随着负荷的增大，甲醛排放呈现出先升高后下降的趋势。同时，随着PODE掺混比例的升高，甲醛排放不断下降。高温不利于甲醛的生成，因此燃烧与排气温度对甲醛排放有重要影响。由图可10以得知，在0.13～0.63 MPa时，低温下甲醛氧化受阻。随着负荷的增大，虽然喷油量增大，但其较高的燃烧温度可以促进甲醛氧化，使其排放降低。在负荷为1.13 MPa的工况下，排放稍有上升，与上述苯排放升高原因类似。同时，由于PODE的掺混提高了混合燃料中的含氧量，促进了燃烧过程，较高的燃烧温度与排气温度促进了甲醛的氧化，直接导致排放下降[24-25]。

图10 3种燃料在不同发动机负荷下的甲醛排放

5 结论

a)在小负荷工况下，燃烧开始时刻较大负荷工况推迟，随掺混比增加，缸压和放热率升高；大负荷工况下，随掺混比增加，放热率峰值略微降低；

b)随着负荷的增加，3种燃料的滞燃期基本呈下降趋势，在1.13 MPa达到最低，燃烧持续期呈现“V”形变化规律；

c)PODE掺混比的增加使得燃油消耗率产生下降趋势，有效热效率逐渐上升；

d)汽油-PODE混合燃料可有效降低发动机的Soot排放，且随着PODE掺混比的增大，其降低幅度变大，GP30的Soot排放相对于GP10下降57%，同时CO和HC排放量逐渐下降，NOx排放量变化不大；

e)PODE掺混比的增加可有效降低苯和甲醛的排放，在0.88 MPa下，GP30的苯排放达到最小，相较于0.13 MPa时的最高值下降了62%。