含氧宽馏分燃料在压燃式发动机上的燃烧和排放特性∗

李博文，刘浩业，王 志，王建昕

含氧宽馏分燃料在压燃式发动机上的燃烧和排放特性∗

李博文，刘浩业，王 志，王建昕

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

宽馏分燃料由于其优异的理化特性，可改善压燃式发动机的燃烧和排放特性。但由于其着火性较差，易出现燃烧效率低、冷起动困难等问题。为改善汽柴油混合宽馏分燃料的着火性，同时提高燃料的含氧量以进一步降低颗粒物排放，将高十六烷值、高含氧量的聚甲醛二甲醚(PODE)与传统柴油和汽油进行掺混，配制成含氧宽馏分燃料(GDP燃料)，并在轻型车用四缸柴油机上对其进行试验研究。结果表明，用GDP燃料可使燃烧效率明显提高，有效热效率比原机高1%～4%，同时降低中小负荷NOx和碳烟的排放，使总颗粒物的质量和数量排放大幅度下降。

宽馏分燃料；聚甲醛二甲醚；燃烧与排放；颗粒物

前言

目前，汽油和柴油是汽车发动机中最常用的两种燃料。其中，汽油的十六烷值较低，采用火花点火火焰传播的燃烧模式，热效率较低；而柴油挥发性较差，采用扩散燃烧的燃烧模式，颗粒物排放较高。宽馏分燃料[1]，即馏程范围从汽油初馏点到柴油终馏点的内燃机燃料，可融合柴油和汽油两种燃料的优点，这种燃料与柴油相比有较高的挥发性，而与汽油相比有较高的十六烷值。

现阶段将汽油和柴油进行混合是获得宽馏分燃料的简易实用途径[2]。现有的汽柴油混合宽馏分燃料的研究结果表明，这种燃料可在较宽的负荷范围内稳定运行，并在不影响热效率和NOx排放的情况下降低碳烟排放[3-9]。同时，综合考虑各种发动机参数指标，汽油掺混比为50%时效果较好[7-8]。

然而，由于大量汽油成分的导入使宽馏分燃料的着火性明显低于柴油，导致发动机的燃烧效率下降，CO和THC排放恶化，循环波动加剧[3，8]。同时，为保证压燃式发动机的冷起动性能，燃料的着火性也不能过低。因此，须在宽馏分燃料中添加其他成分以改善燃料的着火性，同时若此成分具有较好的挥发性和较高的含氧量，则可避免由于着火性提高、滞燃期缩短造成的碳烟排放升高现象。

常见的几种含氧燃料种类及其着火性和含氧量对比如图1所示，聚甲醛二甲醚(PODE)是一种比较理想的含氧添加成分，它是指分子式为CH3O(CH2O)nCH3的醚类聚合物，其中n表示聚合度，即分子中甲氧基的个数，它的理化特性如表1所示。由表可见，PODE的十六烷值很高，甚至高于柴油，含氧量也较高，接近50%。但当聚合度n＝2时，燃料的闪点过低，安全性较差[10]；而当n≥5时，燃料的凝点较高，在室温下使用会影响流动性，所以PODE3-4更适合作为燃料使用。由文献[11]～文献[13]可知，通过生物质燃料制得PODE3-5，并将该燃料应用于柴油机，可以实现PM的近零排放，且未出现NOx和PM的tradeoff现象。由文献[14]和文献[15]可知，通过煤基燃料制得的PODE3-4比较适合作为压燃燃料使用，并将其与柴油和汽油进行掺混形成三组分燃料，来与汽柴油宽馏分燃料(GD)和纯柴油进行对比。单缸发动机试验结果表明，三组分燃料的滞燃期明显比GD燃料短，且可在极低碳烟排放的情况下降低NOx排放。由文献[16]可知，将PODE与柴油的混合燃料应用于多缸重型柴油机中，结果也表明了混合燃料在保持极低碳烟排放的同时有效降低了NOx的排放。

图1 几种常见含氧燃料的性质

基于上述思路，本文中将这种燃料与汽油和柴油进行掺混形成三组分含氧宽馏分燃料(GDP燃料)，以期改善宽馏分燃料的着火特性并进一步降低碳烟排放。同时考虑产业化应用，在一台轻型车用四缸柴油机上进行试验，并对燃烧和排放结果进行分析。

1 试验方法与试验燃料

1.1 试验设备

本文中使用一台四缸轻型车用柴油机，发动机具体参数如表2所示。

表2 发动机参数

台架试验系统简图如图2所示。其中，涡轮增压系统和中冷废气再循环系统(EGR)均沿用原机系统，增压中冷器使用外接循环冷却水。使用AVL GH14P缸压传感器采集缸压，缸压信号以第一缸为准，使用AVL Indicom621型燃烧分析仪分析缸压信号和放热率，分析数据由连续100个循环平均得到。使用AVL CEBII型排放分析仪测量NOx，CO和THC 3种常规气体排放物。使用AVL 439型不透光烟度计测量碳烟排放，使用AVL 472部分流颗粒物采集系统测量颗粒物质量(PM)，采用DMS 500微粒分析仪测量颗粒物数量(PN)。将AVL 472采集到的颗粒物进行萃取和称重分析得到可溶性有机物(SOF)和碳烟两种成分的质量排放。其中，SOF组分用二氯甲烷萃取，萃取的时间超过12h，而由于试验中采用的是含硫量极低的燃料，所以剩余成分基本上全是碳烟。燃烧效率ηc通过CO和THC排放值来计算[17]：

式中：mCO，mTHC和 mf分别为排气中的 CO，THC 和发动机消耗燃料的质量，kg/h；HuCO，HuTHC和 Huf分别为CO，THC和燃料的低热值，MJ/kg。

1.2 试验燃料

图2 多缸机台架示意图

本文中用来配置宽馏分燃料的基础燃料是北京市售0#柴油和92#汽油，以及由山东玉皇公司生产的PODE燃料，各成分的比例为 PODE2∶PODE3∶PODE4＝2.5% ∶88.9% ∶8.5%，剩余其他成分约占0.1%。试验中所采用的GDP燃料的各组分体积比为柴油∶汽油∶PODE＝35%∶35%∶30%。 各基础燃料与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献[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燃料的蒸馏特性曲线如图3所示。由图表可见，GDP燃料的十六烷值非常接近国IV柴油十六烷值下限(49[19])，高于 GD燃料(约为35.8[16])。而GDP燃料的挥发性优于柴油和GD燃料，燃料含氧量也远高于柴油，有利于降低碳烟排放。但GDP燃料的热值低于柴油，这导致在相同的负荷下喷入气缸内的燃料量有所上升。

1.3 试验工况

本文中，通过对不同工况点进行喷油时刻的扫略，并综合考虑排放和热效率两个指标选取最佳喷射时刻，在此喷射时刻下研究GDP燃料的颗粒物组成成分和与原柴油机的对比。

表3 基础燃料和混合燃料理化特性

图3 各燃料蒸馏特性曲线

试验过程中，发动机的转速固定在1 600r/min，共选取从小到大5个不同的负荷工况点，有效平均压力(BMEP)分别为 0.26，0.48，0.69，1.00 和1.33MPa。每个工况点控制策略的选择参考原柴油机同工况下的控制策略。其中，5个工况点的EGR率分别为44%，47%，27%，0和0。在2个小负荷工况点(BMEP为0.26和0.48MPa)采用单喷策略，而在3个中高负荷工况点(BMEP为0.69，1.00和1.33MPa)由于单喷时压升率过高而采用双喷策略，第一次喷射比例不大于20%，具体比例通过前期预试验选定，两次喷射的间隔固定为20°CA，主要筛选条件是最大压升率、热效率和NOx与碳烟排放。在进行喷油时刻对排放影响的试验中，需保证最大压升率小于1.0 MPa/(°)。

2 试验结果分析

2.1 喷油时刻对发动机性能的影响

图4 BMEP＝0.26MPa工况点喷油时刻变化的试验结果

图6 BMEP＝0.69MPa工况点喷油时刻变化的试验结果

图4 ～图8分别为5种不同负荷工况点4个指标随喷油时刻而变化的试验结果。由图可见，小负荷工况点喷射时刻越早，燃烧效率和有效热效率越高；而中高负荷工况点，随着喷射时刻的进一步提前，有效热效率略有下降。这主要是因为小负荷工况缸内温度较低，滞燃期较长，燃烧发生在上止点之后，所以喷射时刻越早，燃烧就越靠近上止点，燃烧效率和有效热效率也就越高。而在中高负荷工况点，由于采用两次喷射，喷射过早会使第一次喷射的燃料燃烧效率下降，导致整体热效率下降。同时可以看出，GDP燃料在中高负荷工况点时的燃烧效率总体略高于原柴油机。其原因主要是燃料着火性能的提高和自含氧性使得燃烧更加充分。而在小负荷工况(BMEP＝0.26MPa)下，由于采用了较大的EGR率，出现缸内温度偏低，滞燃期增长，混合时间过长导致混合气过稀，燃烧效率偏低的现象。但在喷射时刻较早时，其燃烧效率还是能达到接近原柴油机的水平。相比之下，汽柴油混合燃料在各负荷工况点均出现不完全燃烧产物高、燃烧效率低于柴油等问题[16，20]，这在使用了高EGR率的工况下尤其明显[14]。由此说明，本文中采用PODE提高宽馏分燃料着火性能的方法是有效的。

图7 BMEP＝1.00MPa工况点喷油时刻变化的试验结果

从结果还可看出，在所有工况点，NOx排放都随喷射时刻(后3组工况点为第二次喷射时刻)的提前而上升。在负荷较小的2个工况点，碳烟排放(不透光度)也随喷射时刻的提前而略有上升，但总体维持在较低的水平；而在中高负荷，碳烟排放随喷射时刻的变化不明显，一直维持在极低值。

在每个工况点综合考虑排放和热效率两个指标，得到每个工况的最优喷射时刻，选取的原则是尽量使每种排放和有效热效率达到最优，同时要使各项指标尽量优于原柴油机。因此在 BMEP＝0.26MPa工况点，喷射时刻选取上止点前7°CA，因为在此喷射时刻，有效热效率高于原柴油机，NOx和不透光度低于原柴油机，选取其他点则不能同时满足NOx排放和有效热效率均优于原柴油机的要求；在BMEP＝0.48MPa工况点，喷射时刻选取上止点前7°CA，因为在此喷射时刻，NOx排放低于0.4g/(kW.h)，此数值为欧VI重型柴油机排放法规限值，而有效热效率比最高热效率点只低约0.5%；在BMEP＝0.69MPa工况点，第二次喷射时刻选取上止点后2°CA，因为在此喷射时刻，有效热效率比最高热效率点只低约0.5%，而NOx则远低于最高热效率点；在BMEP＝1.00MPa工况点，第二次喷射时刻选取上止点后1°CA，同样因为在此喷射时刻，有效热效率比最高热效率点低不超过1%，而NOx远低于最高热效率点；在BMEP＝1.33MPa工况点，第二次喷射时刻选取上止点前1°CA，因为在此喷射时刻，NOx排放比最低点只高约1g/(kW.h)，而有效热效率高1%以上，综合考虑两个指标，选择此喷射时刻为最优点。而经过优化后，负荷在BMEP＝0.48MPa和以上的4个工况点，有效热效率约比原柴油机高1～4个百分点。

2.2 颗粒物质量排放及粒径分布对比

图9为优化后柴油和GDP两种燃料在不同负荷工况点的颗粒物质量排放(PM)和各成分排放对比。由图可见，使用GDP燃料后，PM排放明显比原柴油机低，降幅为13%～81%，在中小负荷尤其明显，这种趋势也与颗粒物中的碳烟组分变化趋势相同。这是因为在中小负荷，原柴油机为了降低NOx排放而使用了较高的EGR率，导致柴油燃烧情况恶化，此情况在BMEP＝0.69MPa工况点尤为明显，所以此工况下的原机碳烟排放明显偏高。而在小负荷工况，由于EGR率超过40%而出现低温燃烧现象，碳烟排放反而偏低。由于GDP燃料的挥发性较好、含氧量较高，即使EGR率略高于原机，也可较好地控制颗粒物尤其是其中碳烟组分的排放。

图9 不同负荷下PM排放对比

由图同时可见，燃用GDP燃料时所有工况点的碳烟排放都比燃用柴油时明显降低，这是PM排放降低的主要原因。同时，大多数工况点的SOF排放也比原柴油机低。这是因为随着负荷的增大和增压度的提高，燃料挥发性的增加导致的过度混合现象不明显，而含氧量的增加则会加强燃料的燃烧过程，降低不完全燃烧产物的生成。但在小负荷工况点(BMEP＝0.26MPa)，由于GDP燃料的挥发性优于柴油，易出现过度混合导致混合气偏稀，着火性的提高尚不能完全消除燃烧不完全问题，使SOF略高于柴油。

图10为优化后两种燃料在不同负荷工况点的颗粒物数量和粒径分布对比。由图可见，GDP燃料在所有工况点的凝聚态颗粒物数量均低于原柴油机排放，此部分颗粒物的主要组成成分是碳烟，这与前面的分析吻合。而在中高负荷工况点，核态颗粒物的排放也低于原柴油机。但在小负荷工况点，GDP燃料的核态颗粒物数量较多，而此部分颗粒物的主要组成成分就是颗粒物排放中的SOF成分，这也与前面的分析吻合。

3 结论

为改善宽馏分燃料着火性差导致燃烧不完全的问题，本文中将PODE与汽油和柴油进行掺混形成高着火性、高含氧量的GDP燃料，主要结果如下。

(1)在压燃式发动机中使用GDP燃料，燃烧效率接近甚至超过原柴油机，高于GD燃料，这种现象在小负荷、高EGR率工况尤其明显。

(2)在中小负荷工况点，使用GDP燃料可以同时降低NOx和碳烟排放，并保持有效热效率高于原柴油机。其中，在负荷为BMEP＝0.48MPa及以上工况点时有效热效率比原柴油机高1～4个百分点。

图10 各工况点颗粒物数量和粒径分布的对比

(3)在柴油机中使用GDP燃料，可使颗粒物排放尤其是碳烟组分大幅降低，降幅为13%～81%，此现象在中小负荷尤其明显。同时，使用GDP燃料在小负荷会带来颗粒物中的SOF组分排放升高的问题。

(4)除小负荷工况点外，其余各工况点使用GDP燃料后的PN也远低于柴油，而在小负荷工况点主要是核态颗粒物数量升高导致PN高于原柴油机。

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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

∗国家重点基础研究发展(973计划)项目(2013CB228404)资助。

原稿收到日期为2016年11月30日，修改稿收到日期为2017年1月9日。

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