聚甲氧基二甲醚-柴油混合燃料对柴油机燃烧与排放的影响

冯浩杰， 孙　平， 刘军恒， 刘少康， 王玉梅

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)



聚甲氧基二甲醚-柴油混合燃料对柴油机燃烧与排放的影响

冯浩杰， 孙平， 刘军恒， 刘少康， 王玉梅

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

摘要：在柴油中掺混体积分数为5%、10%和15%的聚甲氧基二甲醚(PODE3-8)得到PODE3-8-柴油混合燃料，利用热重分析仪在氧气气氛下对这些混合燃料样品进行热分析，考察其挥发和氧化特性，计算热分析参数；在柴油机上考察它们的燃烧与排放性能，并与柴油对比。结果表明，随掺混比的增加，3种PODE3-8-柴油混合燃料的起始质量损失温度相对于柴油降低了3.4℃、5.6℃和7.0℃，起始燃烧温度降低了6.4℃、11.8℃和17.2℃，热稳定性降低，同时综合燃烧特性指数提高。在额定工况下，与燃用柴油相比，柴油机燃用PODE3-8-柴油混合燃料时，滞燃期缩短，缸内最高压力略有提高；在预混燃烧阶段放热率峰值有所降低，在扩散燃烧阶段放热率峰值提高；比油耗相对于柴油分别增加0.8%、3.2%和8.5%，但有效热效率提高2.8%、4.2%和3.1%；CO排放分别降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放分别降低了19.2%、26.8%和21.7%，排气烟度分别降低了25.2%、30.8% 和32.1%，NOx排放基本不变。

关键词：聚甲氧基二甲醚； 热重分析； 燃烧； 排放

柴油机相对于汽油机具有热效率高、油耗低、耐久可靠性好等优点，因而广泛应用于交通运输、工程机械等领域。然而柴油机的颗粒物和NOx排放相对较高，难以满足日益严格的排放法规要求。目前，解决该问题的主要技术措施有，采用新型燃烧方式(如均质压燃技术)，加装尾气后处理系统(如选择性催化还原技术、柴油颗粒捕集器技术)以及使用含氧燃料[1-2]。

以甲醇、乙醇、二甲醚、碳酸二甲酯和生物柴油为代表的多种含氧燃料，由于燃料分子中的氧在燃烧过程中起到自供氧作用，从而改善柴油机燃烧和排放性能[3-5]。其中，醚类燃料因具有较高的含氧量，以及优越的着火性能，且可以与柴油以任意比例互溶，因此适合作为柴油燃料。聚甲氧基二甲醚(PODEn)作为新型含氧燃料，化学简式CH3O(CH2O)nCH3(n为聚合度)，是一类低相对分子质量的缩醛类聚合物。n分别为0、1和2时，对应于二甲醚(DME)、甲缩醛(DMM)和二聚甲醛。DME在常压下为气态，在柴油中添加DME不仅增加其蒸气压，降低其黏度，而且互溶性较差，其他两种化合物也存在沸点和闪点较低问题，作为替代燃料使用时需要对发动机的供油和燃烧系统进行优化。当n>8时，对应的低聚甲醛存在低温下结晶现象，而n在3～8范围的 PODEn适宜作为柴油添加剂。PODE3-8具有与柴油互溶稳定、含氧量高(≥47%)、十六烷值高(≥78)等优点，可有效改善柴油机的燃烧与排放性能，具有较好的应用前景[6-10]。2013年，山东辰信新能源有限公司和中国科学院兰州化学物理研究所合作的万吨级PODEn生产设备投产，为PODEn的推广使用提供可能。笔者选用PODE3-8作为含氧燃料，配制不同掺混比例的混合燃油；通过热重实验，研究混合燃油的蒸发和氧化特性，并在柴油机上进行台架实验，探讨其对柴油机燃烧过程以及经济性和排放性的影响。

1　实验部分

1.1实验燃料

所用柴油为国Ⅳ柴油，PODE3-8由淄博臻安商贸提供。配制体积分数分别为5%、10%和15%的PODE3-8-柴油混合燃料，分别记为P5、P10和P15。各比例混合燃料互溶稳定，在常温下静置30 d，没有产生分层现象。各混合燃料的理化性质列于表1。

表1　5种燃料的理化性质

1.2实验设备与实验方法

1.2.1热重实验

采用METTLER公司TGA/DSC1型热重分析仪对混合燃料进行热重实验。样品量10 mg，O2流量50 mL/min；升温区间40～400℃，升温速率12℃/min。由实验数据获取TG-DTG曲线，计算其热分析参数，分析燃料的蒸发和氧化特性。

1.2.2发动机实验

实验用发动机为 186FA单缸四冲程风冷柴油机，其他实验设备包括杭州中成测试设备有限公司的CWF7.5测功机和MCS-960油耗仪、奥地利AVL公司的AVL 415S滤纸烟度计、日本Horiba公司的MEXA-7200D尾气分析系统和奥地利Dewetron公司的M0391E燃烧分析仪。

以柴油机标定功率转速3000 r/min下平均有效压力(BMEP)分别为0.115 MPa、0.230 MPa、0.345 MPa和0.460 MPa作为实验工况，对应的负荷率分别为25%、50%、75%和100%，分别燃用柴油、P5、P10和P15，记录发动机转速、扭矩、油耗和尾气排放等数据。在100%负荷时，连续采集200个循环的发动机燃烧缸内压力随曲轴转角的变化并计算平均值，得到瞬时放热率等燃烧特性参数。

验证实验结果的不确定性不超过5%，每个实验工况均重复运行3次，并根据Kline 和 McClintock[11]建立的方法计算标准差。计算结果表明，在置信度为95%时，燃烧缸内压力、比油耗、滤纸烟度和气体排放的标准差分别为3.1%、1.5%、1.7%和1.8%。

2　结果与讨论

2.1热重实验结果与分析

图1是4种燃油样品在O2氛围下的TG-DTG曲线，根据实验结果计算得到热分析参数列于表2。TG-DTG曲线中，质量损失占总质量的1%所对应的温度称为起始质量损失温度(Ts)；TG曲线上最大质量损失率点的切线与TG曲线基线延长线的交点所对应的温度称为起始燃烧温度(Te)，Ts和Te的大小反映了燃料的热稳定性[12]。同时，Te值的大小也反应了样品着火的难易程度。从图1可见，柴油的Ts和Te分别为59℃和112.4℃，而P5、P10和P15燃料的Ts降低了3.4℃、5.6℃和7.0℃，Te值降低了6.4℃、11.8℃和17.2℃。与柴油相比，混合燃料的Ts和Te温度向低温区偏移，热稳定性降低。这是由于PODE3-8的馏程温度和沸点较柴油低，混合燃料的黏度下降，因此混合燃料的挥发性能优于柴油。由于混合燃料的十六烷值提高，Te值相对减小，着火性能改善。

图1　4种燃油在O2氛围下的TG和DTG曲线Fig.1　TG and DTG curves in O2 atmosphere of the four test fuels (a) TG; (b) DTG 表2　4种燃油热分析参数 Table 2　The thermogravimetric analysis parameters of the four test fuels

FuelTs/℃Th/℃Te/℃S×1013Diesel59.0236.0112.40.887P555.6234.6106.00.953P1053.4232.0100.61.080P1552.0229.095.21.210

Th—The final mass loss temperature；S—The composite combustion index

质量损失率峰值反应油品挥发和氧化速率的剧烈程度。由DTG曲线可知，燃油的峰值温度随掺混比例的增加逐渐向低温区域偏移，同时质量损失率峰值也有所降低。40～142℃区间内，混合燃料的质量损失率均高于柴油，燃油的蒸发和氧化燃烧性能提高。由于混合燃料前期蒸发质量损失燃油量较大，导致峰值时剩余的燃油量较少，燃烧剧烈程度降低，DTG峰值均小于柴油。

综合燃烧特性指数(S)是反映燃料着火和燃尽的综合指标[13]，S值越大，燃料的燃烧特性越好。S值的计算见式(1)。

(1)

根据表2结果，混合燃料的S随PODE3-8掺混比例的增加而增大，燃料的燃烧特性得到改善。TG曲线和DTG曲线向低温区偏移，也说明混合燃料更易挥发和氧化燃烧。

2.2发动机实验结果与分析

2.2.1燃烧过程分析

图2为柴油机在转速为3000r/min全负荷下分别燃用4种燃料的缸内压力和放热率随发动机曲轴转角的变化。从缸内压力曲线看到，与柴油相比，柴油机燃用混合燃油时，滞燃期缩短，燃烧始点提前，同时最高爆发压力增大。在放热率曲线中，柴油机燃用P5混合燃料，预混燃烧放热率峰值略有上升，随掺混比例的进一步增大，预混燃烧放热率峰值明显降低；在扩散燃烧阶段，柴油机燃用混合燃料时，燃烧放热率峰值均高于柴油，燃烧状况明显改善。

图2　柴油机燃用4种燃油的缸内压力和放热率随发动机曲轴转角的变化Fig.2　Incylinder pressure and heat release rate of the four test fuels vs crank angle of diesel engine (a) Incylinder pressure; (b) Heat release rate Speed of 3000 r/min; BEMP=0.46 MPa

缸内压力对比曲线表明，随PODE3-8掺混比例的增大，滞燃期缩短。由于十六烷值是影响滞燃期的关键因素，混合燃料十六烷值随PODE3-8掺混比例增加而增大(见表1)，滞燃期缩短。燃烧始点的提前，使预混燃烧过程更接近于上止点，最高燃烧压力略有上升[14-16]。

燃烧放热率曲线表明，燃油燃烧分为预混燃烧和扩散燃烧两个阶段。在预混燃烧阶段，当柴油机燃用P5燃油时，虽然滞燃期略有缩短，但混合燃料的蒸发以及自含氧特性对燃烧速率的提高，使燃烧放热率峰值与柴油相近；随PODE3-8掺混比例的增大，滞燃期进一步缩短，滞燃期内形成的可燃混合气量减少，同时可燃混合气的热值降低，P10和P15燃油在预混燃烧阶段的放热率峰值显著降低。在扩散燃烧阶段，由于扩散燃烧燃油量的增加，且在柴油中掺混PODE3-8有利于改善混合气的均匀性，提高扩散燃烧速率，改善扩散燃烧状况，因此燃烧放热率峰值均高于柴油。由于P15燃油的热值较低，燃烧放热率低于P10燃油，改善幅度降低[17]。

2.2.2经济性分析

图3为柴油机稳定转速为3000 r/min分别燃用4种燃料的比油耗和有效热效率随平均有效压力(BMEP)的变化。从图3可以看到，柴油机燃用混合燃油时比油耗增大，有效热效率有不同程度的提高。由于混合燃料的热值降低，因此相同工况下的比油耗增加。全负荷时，柴油机燃用P5、P10和P15混合燃料时的比油耗分别增加0.8%、3.2%和8.5%。

图3　柴油机燃用4种燃油的比油耗(BSFC)和 有效热效率随平均有效压力(BMEP)的变化Fig.3　BSFC and effective thermal efficiency of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

将PODE3-8按体积分数5%和10%掺混到柴油中，可提高柴油机有效热效率。燃料内氧在燃烧过程中起到自供氧的作用，因而可以改善过浓混合气区域缺氧的状况，使燃烧更加充分[18]。PODE3-8的沸点和黏度也低于柴油，更有利于蒸发雾化，降低油气混合的不均匀性。全负荷工况下，柴油机燃用P5和P10混合燃料时的有效热效率分别提高2.8%和4.2%。但对于P15燃油，由于燃油的低热值较低，单位体积燃料燃烧放出的热量较少，使缸内温度下降，燃烧效率降低；且P15燃油的蒸发量较大，可能会造成油束外围形成过稀的混合气，从而影响有效热效率。

2.2.3排放特性分析

图4为柴油机稳定在转速3000 r/min下分别燃用4种燃料的NOx和排气烟度随平均有效压力(BMEP)的变化。总体而言，燃用混合燃油的NOx排放与燃用柴油的相差不大，但可有效降低排气烟度。

图4　柴油机燃用4种燃油的NOx排放和 排气烟度随平均有效压力(BMEP)的变化Fig.4　NOx and smoke emissions of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

根据Zeldovich机理，NOx排放取决于最高燃烧温度、高温下的滞留时间以及燃烧过程中的氧浓度[19-20]。当燃用P5燃油时，其放热率峰值相对于柴油略有增加，最高燃烧温度提高。同时，PODE3-8的自含氧特性增加了燃烧过程中的氧浓度，因此NOx排放增加。在全负荷时，NOx排放增加3.4%。当掺混比例继续增加，由于P10和P15燃油热值的降低，相同功率下供油量增加，燃烧持续期增大，且燃烧放热率峰值低于柴油(见图2)，因此最高燃烧温度降低，抑制了热力型NOx的生成。如图4所示，当燃用P10燃料时，全负荷下的NOx排放与柴油相当；该工况下，燃用P15混合燃油的NOx排放相对于柴油降低2.4%。

在柴油中掺混PODE3-8可有效降低柴油机的排气烟度。额定工况下，与燃用柴油相比，燃用P5、P10和P15燃料时的排气烟度显著降低，分别降低25.2%、30.8% 和32.1%。在柴油机中，由于油气混合的不均匀性，因而在局部高温缺氧的条件下生成碳烟，其中扩散燃烧过程是碳烟生成的主要时期。PODE3-8可以改善过浓混合气区域缺氧的状况。同时，混合燃料沸点和黏度降低，有利于燃油的蒸发和雾化。因此，在柴油中掺混PODE3-8有利于促进混合气的形成以及改善燃烧状况，降低柴油机碳烟排放。

根据化学反应动力学计算表明，燃料中较大的碳氢基经β裂变反应生成小分子不饱和碳氢化合物，这些小分子不饱和碳氢化合物在高温条件下极易反应生成碳烟。PODE3-8中的碳原子以C—O键的状态存在，难以参加任何生成小分子不饱和碳氢组分的反应，因此减少了碳烟先驱物的生成数量；且PODE3-8在燃烧初期生成大量具有氧化作用的OH基团，它可以直接与乙烯发生氧化反应(见式(2))，减少乙炔的生成，从而抑制多环芳香烃的形成[21]。

(2)

图5为柴油机稳定在转速3000 r/min分别燃用4种燃料的HC和CO排放随平均有效压力(BMEP)的变化。从图5可见，与柴油相比，燃用混合燃料的HC排放和CO排放均有不同程度的降低；在额定工况下，燃用P5、P10和P15的CO排放分别降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放降低了19.2%、21.7%和26.8%。

图5　柴油机燃用4种燃油的HC和CO排放 随平均有效压力(BMEP)的变化Fig.5　HC and CO emissions of the four test fuels vs BMEP of diesel engine Speed of 3000 r/min

CO是燃油不完全燃烧所致，其生成量受缸内燃烧温度和混合气中氧浓度大小的影响[22]。如上所述，PODE3-8内氧可有效改善其混合燃料的燃烧状况，同时蒸发性能的提高有利于提高油气混合的均匀性，降低由于不完全燃烧生成的CO排放。混合燃料燃烧速率加快，滞燃期缩短减弱了由于过度蒸发导致的油束外围形成过稀混合气，从而改善柴油机HC排放[23]。此外，由于PODE3-8的热值较柴油降低，过大的掺混比可能会导致柴油机燃烧过程放热峰值减小，燃气温度下降。因此燃烧室淬熄层变厚，由于淬熄层内燃油蒸气不发生燃烧，使HC 排放有增多的趋势[24]。

3　结　论

(1)在柴油中掺混PODE3-8时，混合燃油样品的起始质量损失温度和起始燃烧温度降低，燃油的热稳定性降低，综合燃烧特性指数提高。

(2)柴油机燃用PODE3-8-柴油混合燃料时，滞燃期缩短，燃烧更接近于上止点，缸内最高压力提高。柴油机燃用小比例PODE3-8的混合燃料时，预混燃烧放热率峰值与柴油相近；燃用较大比例PODE3-8的混合燃料时，预混燃烧放热率峰值显著降低。在扩散燃烧阶段，混合燃料的放热率峰值均高于柴油，扩散燃烧状况改善。

(3)在额定工况下，相对于柴油，柴油机燃用P5、P10和P15混合燃料时的比油耗分别增加0.8%、3.2%和8.5%，然而有效热效率提高2.8%、4.2%和3.1%。

(4)在柴油中掺混PODE3-8可显著降低HC、CO和排气烟度；在额定工况下，燃用P5、P10和P15的CO排放降低了11.8%、14.0%和18.8%，HC排放降低了19.2%、26.8%和21.7%，排气烟度分别降低25.2%、30.8% 和32.1%。柴油机燃用混合燃料的NOx排放与柴油相近。

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收稿日期：2015-06-17

基金项目：江苏省高校自然科学研究项目(14KJA470001)基金资助

文章编号：1001-8719(2016)04-0816-07

中图分类号：TK421+.5

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.04.023

Effect of PODE3-8-Diesel Blended Fuel on Combustion and Emissions of Diesel Engine

FENG Haojie, SUN Ping, LIU Junheng, LIU Shaokang, WANG Yumei

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract：PODE3-8-diesel blended fuels with 5%, 10% and 15% volume fraction of PODE3-8, respectively, were prepared, and their volatility, oxidation characteristic and thermal parameters were studied and calculated by using thermogravimetric analyzer under O2 atmosphere. The combustion and emission characteristics of the diesel engine fueled with these blended fuels were investigated and compared to diesel fuel. Results showed that compared with diesel fuel, initial mass loss temperatures of the blended fuels with the increase of PODE3-8ratio were decreased by 3.4℃, 5.6℃ and 7℃, and initial combustion temperatures were decreased by 6.4℃, 11.8℃ and 17.2℃, respectively. The thermal stability decreased and the composite combustion index increased. At the rated conditions, compared to combustion of diesel fuel, the ignition delay period shortened, the peak heat release rate in premixed combustion section decreased, the highest cylinder pressure and the peak heat release rate in diffusion combustion section increased as combustion of the blended fuels. As compared with diesel fuel, brake specific fuel consumptions of the three blended fuels were increased by 0.8%, 3.2% and 8.5%, but the effective thermal efficiency were increased 2.8%, 4.2% and 3.1%, respectively. CO emissions were decreased by 11.8%, 14.0% and 18.8%, HC emissions were decreased by 19.2%, 26.8% and 21.7%, and smoke emissions were decreased by 25.2%, 30.8% and 32.1% in turn by PODE3-8volume fraction when fueled with the three blended fuels, while NOx emissions changed little.

Key words：PODE3-8； thermogravimetric analysis； combustion； emission

通讯联系人： 冯浩杰，男，硕士研究生，主要研究方向为发动机替代燃料与排放控制；E-mail:1248788014@qq.com