聚甲氧基二甲醚-甲醇混合燃料的燃烧与排放特性研究

刘军恒，杨 军，周海磊，孙 平，嵇 乾，赵 廉

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院，镇江 212013; 2.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261061)

0 概述

随着经济的发展，中国汽车保有量逐年增长，给人们带来便利的同时也对环境造成污染。汽车发动机尾气中主要包括氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、颗粒物(particulate matter, PM)等有害物质，会对人体健康产生不利影响[1]，因此需要对汽车尾气排放物进行限制。目前，中国的排放法规已升级到国六阶段，收紧了排放物限值，这对尾气净化提出了更加严苛的要求。

降低发动机排放的方法主要有新型燃烧方式、清洁替代燃料及尾气后处理技术。考虑到中国富煤少气的能源结构，煤基燃料成为了中国清洁替代燃料领域的研究热点[2-3]。煤基燃料主要包含甲醇、二甲醚、聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers, PODE)及煤合成(Fischer-Tropsch)柴油，其中甲醇和PODE因为含氧量较高的特点，应用到发动机中可有效改善缸内燃烧从而降低排放[4-5]，成为诸多学者研究的对象。甲醇作为最简单的饱和一元醇，分子中只含一个碳原子，含氧量高达50%，其辛烷值较高的特性有助于提高发动机的压缩比，提升发动机的性能。甲醇的汽化潜热较高，它的加入会使得缸内温度降低，从而有助于降低NOx排放[6]，虽然会造成HC、CO排放增加[7]，但可以通过柴油机氧化催化器(diesel oxidation converter, DOC)有效去除。PODE分子式为CH3(CH2O)nCH3，当聚合度n为2～4时，物理性质与柴油相当。PODE具有高十六烷值、高含氧量的特点，且不含C—C键，通常作为柴油添加剂使用[8]。目前，PODE主要由廉价的工业级原料甲醇、甲醛及甲缩醛合成，经过分离提纯后浓度可达95%以上，成本较为低廉。

现阶段甲醇和PODE燃料在柴油机上的应用以双燃料燃烧方式为主[9-10]，大多需要与柴油配合使用，而使用中完全脱离柴油的研究鲜有报道。PODE因与柴油的着火性质相似，它可以直接应用于压燃式发动机，这为PODE和甲醇燃料的掺混使用创造了可能。根据相似相溶原理，甲醇与PODE可以互溶，且甲醇的十六烷值低，PODE的十六烷值比柴油高，这两种燃料混合制备出燃油的十六烷值与柴油相当，可满足柴油机的正常工作条件，因此将这两种燃料通过掺混的方法应用到发动机中具备可行性。

为了研究PODE-甲醇混合燃料对发动机缸内燃烧和排放特性的影响，将甲醇按体积比为0、10%、20%、30%掺混到纯PODE中制备出4种不同甲醇比例的PODE-甲醇混合燃料。在一台4缸电控共轨发动机上进行了台架试验，利用燃烧分析仪和排放测量设备定量地分析了甲醇比例对燃烧过程、常规排放物及非常规排放物的影响规律，从而为煤基替代燃料在发动机上的应用奠定基础。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

试验样机主要技术参数如表1所示。图1为试验测试系统示意图，采用湘仪CAC250型电力测功机控制发动机的转速和转矩恒定，从而获得需要的试验工况。缸内压力由KISTLER 6052C型缸压传感器测量，每个工况采集200个循环的压力信号计算平均值并经KISTLER 5011型电荷放大器放大，由AVL燃烧分析仪进行分析计算。排气烟度采用AVL 415S滤纸式烟度计测量，常规气体排放采用HORIBA MEXA-7200D型排气分析测量，非常规排放甲醛和NO2采用AVL SESAM i60FT傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared, FTIR)测量。

表1 试验用柴油机主要技术参数

图1 发动机测试系统示意图

1.2 试验燃油

为研究混合燃料对发动机性能的影响，选用甲醇和PODE为基础燃油，两种燃料及柴油的物性参数如表2所示。甲醇和PODE均属于有机物，依据相似相溶原理，它们可以按任意比例混合。文献[11]中研究表明，甲醇小比例加入时可以增加预混燃烧量，改善缸内燃烧和排放，但当甲醇比例过高时会导致发动机运行不稳定甚至失火[12]。为保证试验安全和燃油经济性，甲醇的掺混比例不宜过高。试验中按甲醇体积比为0、10%、20%、30%分别掺混到纯PODE中制备出PODE-甲醇混合燃料，并分别标记为M0、M10、M20、M30。

表2 试验燃料物性参数

1.3 试验方案

试验中仅改变了燃料的性质，并未调整发动机的结构参数，将制好的燃料直接添加入油箱中，采用原机的供油系统和控制系统进行试验。发动机试验转速选取为最大转矩转速1 800 r/min，分别燃用M0、M10、M20、M30，测量并分析甲醇比例对发动机燃烧和排放特性的影响。试验开始之前，对各仪器分别进行标定以保证测量结果的准确性。试验中首先燃用M30进行转矩标定，根据发动机所能达到的负荷确定试验工况点，通过平均有效压力(brake mean effective pressure, BMEP)来衡量负荷的大小，最终将BMEP为0.376 MPa、0.486 MPa和0.605 MPa工况分别定义为低、中、高负荷3个试验工况。试验过程中，调整燃料后发动机先稳定运行5 min，排除管路中残留燃料对试验结果产生的干扰。每个工况稳定运行1 min后记录数据，每组试验结果重复记录3次并取平均值，以减小试验误差。

2 试验结果及分析

2.1 甲醇体积比对燃烧特性的影响

当发动机的转速为1 800 r/min时，不同负荷缸内压力和放热率曲线随着甲醇体积比的变化规律如图2所示。可以发现，各负荷缸内压力曲线均呈双峰分布，随着甲醇体积比增加，燃烧压力逐渐降低，低负荷时尤为显著。这是由于发动机喷油时刻在中低负荷工况下较迟，燃料进入气缸后先与缸内充量混合形成混合气，随后才进入燃烧阶段，因此缸压曲线第一个峰为压缩峰，第二个峰为燃烧峰，燃烧过程发生在上止点后(after top dead center, ATDC)。甲醇作为汽化潜热较大的燃料，进入气缸后汽化吸热会造成缸内温度下降。根据阿雷尼乌斯公式可知，温度对化学反应的影响较大[13]，缸内温度的降低使燃烧速率受到限制，故缸内压力较燃用纯PODE时低。随着混合燃料中甲醇体积比的增加，甲醇的降温效果逐渐增大，缸内温度逐渐降低，缸内压力也随之降低。与纯PODE相比，低负荷时燃用M10、M20、M30燃料的燃烧压力峰值分别降低了0.21 MPa、0.56 MPa、0.90 MPa。

图2 不同负荷下甲醇体积比对缸内压力和放热率的影响

从放热率曲线对比可以发现，甲醇的加入使得各负荷下放热率始点推迟，滞燃期逐渐延长。中低负荷时甲醇体积比的增加使放热率峰值先增加后减小，与燃用纯PODE相比，低负荷下燃用M30的放热率峰值降幅为46.1%，中负荷下燃用M20的放热率峰值增幅为17.2%；高负荷下甲醇的加入使得放热率峰值逐渐升高。这是由于PODE的十六烷值较高，而甲醇的则较低，因此甲醇的加入会使得混合燃料的十六烷值逐渐降低，而滞燃期在很大程度上取决于燃料的十六烷值，且甲醇对燃料着火具有抑制作用[14]，故滞燃期逐渐延长。高负荷时缸内温度较高，燃烧反应过程受甲醇的影响较小，滞燃期延长使得燃料有充足的时间形成均质混合气，燃烧过程中预混燃烧量增加，使放热率曲线峰值逐渐增加。中低负荷下，当甲醇体积比较小时，甲醇的加入使放热率峰值略有升高，当甲醇体积比进一步增加时，更多的甲醇进入气缸使缸内温度大幅下降，化学反应速率变慢，且不完全燃烧比例增加，使放热率明显下降。

图3为1 800 r/min时不同负荷下混合燃料对燃烧持续期和燃烧重心(CA50)的影响规律。当甲醇体积比小于20%时，各负荷下混合燃料的燃烧持续期均缩短。这是由于甲醇添加使得混合燃料十六烷值降低，滞燃期延长，缸内形成更加均匀的混合气，预混燃烧速率增加。当甲醇体积比达到30%时，混合燃料十六烷值进一步降低，着火性能明显降低，燃烧始点推迟，中低负荷下因甲醇体积比的升高缸内温度进一步恶化，燃烧缓慢，这些因素共同导致了燃烧持续期的延长和CA50相位推迟。高负荷下缸内温度较高且甲醇的火焰传播速度较快，加速了燃烧进程[15]，因此燃烧持续期缩短。甲醇的汽化吸热降低了缸内温度，CA50在缸内温度较低的低负荷工况下推迟，而在缸内温度较高的中高负荷工况下因预混燃烧量的增加而提前。

图3 不同负荷下甲醇体积比对燃烧持续期和CA50的影响

2.2 甲醇比例对常规排放的影响

当发动机转速为1 800 r/min时，甲醇体积比对NOx排放的影响规律如图4所示。可以发现PODE掺烧甲醇能降低NOx排放，且在高负荷工况下下降趋势最为明显，与纯PODE相比，M30的NOx排放下降了28.1%。

图4 不同负荷下甲醇体积比对NOx排放的影响

影响NOx生成的因素主要有：高温、富氧和高温持续时间。由于甲醇的含氧量与PODE的大致相同，因此甲醇体积比的变化对混合燃料含氧量的影响不大。甲醇作为汽化潜热较大的燃料，进入气缸后会降低缸内温度，抑制了NOx的生成[16]。高负荷工况下缸内温度较高，甲醇的大量掺烧会使得缸内温度急速降低，NOx排放量明显下降。当甲醇体积比达到30%时，虽然滞燃期的延长使得预混燃烧量增加，预混燃烧过程中的放热量增多，但放热过程集中在上止点后且CA50滞后，燃烧条件较差，因而NOx生成量下降。在中低负荷工况下，较低的缸内温度使NOx排放量较低，甲醇的汽化吸热使得缸内温度进一步恶化，燃烧反应过程滞后且缓慢，因而NOx排放也降低。

图5为发动机转速为1 800 r/min且发动机燃用PODE-甲醇混合燃料时HC和CO排放的对比。从图中可以发现，燃用纯PODE时HC和CO排放量均较小，而随甲醇比例的增加，HC和CO排放量呈上升趋势。压燃式发动机的HC和CO排放来自于燃烧过程，燃料的不完全燃烧是HC和CO生成的主要原因。PODE燃料十六烷值高，着火性能好且自身含氧量较高，这些有利因素优化了缸内燃烧，缓解了局部缺氧的状况[17]，故HC和CO排放量较低。随着甲醇的掺混，混合燃料十六烷值下降，滞燃期延长使燃烧滞后，且甲醇的汽化吸热使得缸内温度下降，燃烧过程恶化，因此HC和CO排放增加。掺烧甲醇对不同负荷下HC和CO排放的影响程度不同，其中HC排放在中低负荷下随甲醇比例的变化显著，M30的HC排放在低负荷下超过3 000×10-6；而CO排放在中高负荷下增幅较大，与纯PODE相比，M30的CO排放均增加了10倍以上。这是由于当混合燃料中甲醇比例较大时，缸内温度降幅较大，过低的缸内温度使得未能充分燃烧的燃油量变多，HC排放迅速增加，在缸内温度较低的中低负荷下尤其明显。在低负荷时，柴油机基本是在过量空气系数大于1.5的稀混合气下工作，氧气相对充足，燃烧充分，CO排放少。当负荷较高时，缸内混合气局部较浓，造成了缸内局部缺氧的情况，燃料中C原子不能完全氧化成CO2，转化成不完全氧化产物CO，这使得燃用PODE-甲醇混合燃料时CO排放较高。

图5 不同负荷下甲醇体积比对HC和CO排放的影响

当发动机转速为1 800 r/min时，不同负荷下甲醇体积比对滤纸烟度的影响规律如图6所示。从图中可见，随着甲醇体积比的增加，各负荷下滤纸烟度均呈先减小后增大的趋势，且负荷越大，烟度越小。这是由于甲醇的运动黏度较小，添加到PODE中会使混合燃料黏度降低，且甲醇的挥发性较好，混合燃料在气缸中更容易蒸发雾化[18]，有利于燃料与空气的混合，降低空燃比的不均匀性。当甲醇体积比较小时，混合燃料十六烷值的降低使得滞燃期延长，缸内混合气混合更加均匀，局部过浓区域减少，碳烟的排放降低。当甲醇体积比增加到30%时，甲醇的汽化吸热使得缸内温度大幅下降，导致缸内燃烧恶化，碳烟生成量增加，烟度升高。

图6 不同负荷下甲醇体积比对滤纸烟度的影响

2.3 甲醇体积比对非常规排放的影响

图7展示了不同工况下甲醇体积比对排气中NO2及其在NOx中占比的影响。从图中可以发现，随着混合燃料中甲醇比例的升高，各负荷下排气中NO2浓度逐渐增加，NOx中NO2比例(记为NO2/NOx比)升高，其中低负荷时M30的NO2排放量和NO2/NOx比值与纯PODE相比增幅分别为65%和107%。NOx的主要成分是NO和NO2，当甲醇加入后，甲醇氧化过程中生成的HO2具有强氧化性，使NO转化为NO2[19]。中低负荷工况下，缸内温度较高负荷时低，甲醇的氧化过程中生成更多HO2[20]，加速了NO的氧化，有更多的NO转化为NO2，且甲醇的加入导致NOx总浓度下降，故NO2/NOx比值较高负荷工况高。此外，甲醇的加入使得缸内温度降低，为NO向NO2的转化提供了低温条件，故NO2/NOx比值均随着甲醇体积比增大而升高。

图7 不同负荷下甲醇体积比对NO2排放及NO2/NOx比的影响

图8 不同负荷下甲醇体积比对甲醛排放的影响

随着甲醇的加入，甲醇较高汽化潜热的性质使得缸内低温区域增加，为甲醇和PODE的不完全燃烧提供了条件，且未燃甲醇进入排气管后会降低排气温度，加速了甲醇的低温氧化[21]，故甲醇的掺烧导致甲醛排放有所上升。在高负荷时由于较高的缸内燃烧温度及排气温度，甲醇的影响较小，因而随着混合燃料中甲醇体积比上升，甲醛排放只少量增加。在中低负荷工况，缸内温度和排气温度较低，甲醇的加入使得缸内燃烧进一步恶化，加剧了甲醇的低温氧化和不完全燃烧，从而导致甲醛的排放迅速增加。

3 结论

(1)随着甲醇体积比的增大，PODE-甲醇混合燃料缸内燃烧压力逐渐降低；各负荷下放热率始点均推迟，中低负荷时放热率峰值先增大后减小，而高负荷时放热率峰值逐渐升高。

(2)纯PODE中掺混甲醇使中低负荷的燃烧持续期呈现先缩短后延长的趋势，甲醇体积比20%时为拐点，高负荷的燃烧持续期将缩短；掺烧甲醇使各负荷下CA50推迟。

(3)纯PODE中掺混甲醇可以降低NOx排放，在高负荷工况下M30的NOx排放较纯PODE降低28.1%。随甲醇体积比的增加，各负荷下混合燃料的HC和CO排放量均呈上升趋势，而滤纸烟度先减小后增大。

(4)掺烧甲醇使尾气中甲醛排放量逐渐上升，在低负荷工况下上升趋势更明显；混合燃料燃烧NOx排放中的NO2占比明显高于纯PODE燃烧。