柴油升級(jí)對(duì)排放的影響,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)對(duì)汽車有影響嗎

文|李伯陵

編輯 |李伯陵

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)汽車保有量逐年增長(zhǎng)，給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成污染。

目前，中國(guó)的排放法規(guī)已升級(jí)到國(guó)六階段，收緊了排放物限值，這對(duì)尾氣凈化提出了更加嚴(yán)苛的要求。

現(xiàn)在降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放的方法，主要有新型燃燒方式、清潔替代燃料及尾氣后處理技術(shù)。

我國(guó)考慮到中國(guó)富煤少氣的能源結(jié)構(gòu)，煤基燃料成為了中國(guó)清潔替代燃料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，煤基燃料主要包含甲醇、二甲醚、聚甲氧基二甲醚及煤合成柴油。

其中甲醇和PODE，因?yàn)楹趿枯^高的特點(diǎn)，應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中可有效改善缸內(nèi)燃燒，從而降低排放，成為諸多學(xué)者研究的對(duì)象。

甲醇作為最簡(jiǎn)單的飽和一元醇，分子中只含一個(gè)碳原子，含氧量高達(dá)50%，其辛烷值較高的特性有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

甲醇的汽化潛熱較高，它的加入會(huì)使得缸內(nèi)溫度降低，從而有助于降低NO?排放，雖然會(huì)造成HC、CO排放增加，但可以通過(guò)柴油機(jī)氧化催化器有效去除。

PODE分子式為CH?(CH?O)nCH?，當(dāng)聚合度n為2~4時(shí)，物理性質(zhì)與柴油相當(dāng)，PODE具有高十六烷值、高含氧量的特點(diǎn)，且不含C—C鍵。

CH?(CH?O)nCH?通常作為柴油添加劑使用，目前，PODE主要由廉價(jià)的工業(yè)級(jí)原料甲醇、甲醛及甲縮醛合成，經(jīng)過(guò)分離提純后，濃度可達(dá)95%以上，成本較為低廉。

現(xiàn)階段甲醇和PODE燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用，以雙燃料燃燒方式為主，大多需要與柴油配合使用，而使用中完全脫離柴油的研究鮮有報(bào)道。

PODE因與柴油的著火性質(zhì)相似，它可以直接應(yīng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，這為PODE和甲醇燃料的摻混使用創(chuàng)造了可能。

根據(jù)相似相溶原理，甲醇與PODE可以互溶，且甲醇的十六烷值低，PODE的十六烷值比柴油高。

這兩種燃料混合制備出燃油的十六烷值，與柴油相當(dāng)，可滿足柴油機(jī)的正常工作條件，因此將這兩種燃料通過(guò)摻混的方法，應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中具備可行性。

我們?yōu)榱搜芯縋ODE-甲醇混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒和排放特性的影響，將甲醇按體積比為0、10%、20%、30%，摻混到純PODE中，制備出4種不同甲醇比例的PODE和甲醇混合燃料。

本次試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，圖1為試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖，我們采用湘儀CAC250型電力測(cè)功機(jī)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩恒定，從而獲得需要的試驗(yàn)工況。

為了研究混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，我們選用甲醇和PODE為基礎(chǔ)燃油，兩種燃料及柴油的物性參數(shù)如表2所示。

甲醇和PODE均屬于有機(jī)物，依據(jù)相似相溶原理，它們可以按任意比例混合，在相關(guān)研究資料中表明，甲醇小比例加入時(shí)可以增加預(yù)混燃燒量。

甲醇小比例加入可以改善缸內(nèi)燃燒和排放，但當(dāng)甲醇比例過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定甚至失火，為保證試驗(yàn)安全和燃油經(jīng)濟(jì)性，甲醇的摻混比例不宜過(guò)高。

我們?cè)谠囼?yàn)中，按甲醇體積比為0、10%、20%、30%，分別摻混到純PODE中制備出PODE和甲醇混合燃料，并分別標(biāo)記為M0、M10、M20、M30。

我們?cè)谠囼?yàn)中僅改變了燃料的性質(zhì)，并未調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將制好的燃料直接添加入油箱中，我們采用原機(jī)的供油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選取為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1800r/min，分別燃用M0、M10、M20、M30，測(cè)量并分析甲醇比例，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響，我們?cè)谠囼?yàn)開(kāi)始之前，對(duì)各儀器分別進(jìn)行標(biāo)定，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)中我們首先使用M30進(jìn)行轉(zhuǎn)矩標(biāo)定，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的負(fù)荷確定試驗(yàn)工況點(diǎn)，通過(guò)平均有效壓力來(lái)衡量負(fù)荷的大小。

最終將BMEP為0.376MPa、0.486MPa和0.605MPa工況分別定義為低、中、高負(fù)荷3個(gè)試驗(yàn)工況。

在試驗(yàn)過(guò)程中，我們調(diào)整好燃料后，發(fā)動(dòng)機(jī)先穩(wěn)定運(yùn)行5min，排除管路中殘留燃料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的干擾。

在每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行1min后，記錄數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)記錄3次并取平均值，以減小試驗(yàn)誤差。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí)，不同負(fù)荷缸內(nèi)壓力和放熱率曲線，隨著甲醇體積比的變化規(guī)律，如圖2所示。

我們可以發(fā)現(xiàn)，各負(fù)荷缸內(nèi)壓力曲線均呈雙峰分布，隨著甲醇體積比增加，燃燒壓力逐漸降低，低負(fù)荷時(shí)尤為顯著。

這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻在中低負(fù)荷工況下較遲，燃料進(jìn)入氣缸后先與缸內(nèi)充量混合形成混合氣，隨后才進(jìn)入燃燒階段，因此缸壓曲線第一個(gè)峰為壓縮峰，第二個(gè)峰為燃燒峰，燃燒過(guò)程發(fā)生在上止點(diǎn)后。

與純PODE相比，低負(fù)荷時(shí)燃用M10、M20、M30燃料的燃燒壓力峰值，分別降低了0.21MPa、0.56MPa、0.90MPa。

我們從放熱率曲線對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，甲醇的加入，使得各負(fù)荷下放熱率始點(diǎn)推遲，滯燃期逐漸延長(zhǎng)。

其中，在中低負(fù)荷時(shí)，甲醇體積比的增加，使放熱率峰值先增加后減小，與燃用純PODE相比，低負(fù)荷下燃用M30的放熱率峰值，降幅為46.1%。

中負(fù)荷下燃用M20的放熱率峰值增幅為17.2%；高負(fù)荷下甲醇的加入，使得放熱率峰值逐漸升高，這是由于PODE的十六烷值較高，而甲醇的則較低，因此甲醇的加入，會(huì)使得混合燃料的十六烷值逐漸降低。

而滯燃期在很大程度上取決于燃料的十六烷值，且甲醇對(duì)燃料著火具有抑制作用，故滯燃期逐漸延長(zhǎng)。

在高負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度較高，燃燒反應(yīng)過(guò)程受甲醇的影響較小，滯燃期延長(zhǎng)使得燃料有充足的時(shí)間形成均質(zhì)混合氣。

燃燒過(guò)程中，隨著預(yù)混燃燒量增加，使放熱率曲線峰值逐漸增加，中低負(fù)荷下，當(dāng)甲醇體積比較小時(shí)，甲醇的加入使放熱率峰值略有升高。

當(dāng)甲醇體積比進(jìn)一步增加時(shí)，更多的甲醇進(jìn)入氣缸使缸內(nèi)溫度大幅下降，化學(xué)反應(yīng)速率變慢，且不完全燃燒比例增加，使放熱率明顯下降。

圖3為1800r/min時(shí)不同負(fù)荷下混合燃料對(duì)燃燒持續(xù)期和燃燒重心(CA50)的影響規(guī)律。

當(dāng)甲醇體積比小于20%時(shí)，各負(fù)荷下混合燃料的燃燒持續(xù)期均縮短，這是由于甲醇添加使得混合燃料十六烷值降低，滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)形成更加均勻的混合氣，預(yù)混燃燒速率增加。

當(dāng)甲醇體積比達(dá)到30%時(shí)，混合燃料十六烷值進(jìn)一步降低，著火性能明顯降低，燃燒始點(diǎn)推遲。

在中低負(fù)荷下，因甲醇體積比的升高，缸內(nèi)溫度進(jìn)一步惡化，燃燒緩慢，這些因素共同導(dǎo)致了燃燒持續(xù)期的延長(zhǎng)和CA50相位推遲。

高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度較高且甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，加速了燃燒進(jìn)程，因此燃燒持續(xù)期縮短，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí)，甲醇體積比對(duì)NO?排放的影響規(guī)律如圖4所示。

我們可以發(fā)現(xiàn)，PODE摻燒甲醇能降低NO?排放，且在高負(fù)荷工況下下降趨勢(shì)最為明顯，與純PODE相比，M30的NOx排放下降了28.1%。

高負(fù)荷工況下缸內(nèi)溫度較高，甲醇的大量摻燒，會(huì)使得缸內(nèi)溫度急速降低，NO?排放量明顯下降。

當(dāng)甲醇體積比達(dá)到30%時(shí)，雖然滯燃期的延長(zhǎng)使得預(yù)混燃燒量增加，預(yù)混燃燒過(guò)程中的放熱量增多，但放熱過(guò)程集中在上止點(diǎn)后，且CA50滯后，燃燒條件較差，因而NO?生成量下降。

在中低負(fù)荷工況下，較低的缸內(nèi)溫度使NOF排放量較低，甲醇的汽化吸熱使得缸內(nèi)溫度進(jìn)一步惡化，燃燒反應(yīng)過(guò)程滯后且緩慢，因而NO排放也降低。

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min且發(fā)動(dòng)機(jī)燃用PODE-甲醇混合燃料時(shí)HC和CO排放的對(duì)比。

我們從圖中可以發(fā)現(xiàn)，燃用純PODE時(shí)，HC和CO排放量均較小，而隨甲醇比例的增加，HC和CO排放量呈上升趨勢(shì)。

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的HC和CO排放，來(lái)自于燃燒過(guò)程，燃料的不完全燃燒，是HC和CO生成的主要原因。

PODE燃料十六烷值高，著火性能好且自身含氧量較高，這些有利因素優(yōu)化了缸內(nèi)燃燒，緩解了局部缺氧的狀況，故HC和CO排放量較低。

隨著甲醇的摻混，混合燃料十六烷值下降，滯燃期延長(zhǎng)使燃燒滯后，且甲醇的汽化吸熱使得缸內(nèi)溫度下降，燃燒過(guò)程惡化，因此HC和CO排放增加。

在低負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)基本是在過(guò)量空氣系數(shù)，大于1.5的稀混合氣下工作，氧氣相對(duì)充足，燃燒充分，CO排放少。

當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，缸內(nèi)混合氣局部較濃，造成了缸內(nèi)局部缺氧的情況，燃料中C原子不能完全氧化成CO?，轉(zhuǎn)化成不完全氧化產(chǎn)物CO，這使得燃用PODE和甲醇混合燃料時(shí)，CO排放較高。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí)，不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)濾紙煙度的影響規(guī)律如圖6所示。

我們從圖中可見(jiàn)，隨著甲醇體積比的增加，各負(fù)荷下濾紙煙度，均呈先減小后增大的趨勢(shì)，且負(fù)荷越大，煙度越小。

這是由于甲醇的運(yùn)動(dòng)黏度較小，添加到PODE中，會(huì)使混合燃料黏度降低，且甲醇的揮發(fā)性較好，混合燃料在氣缸中更容易蒸發(fā)霧化，有利于燃料與空氣的混合，降低空燃比的不均勻性。

當(dāng)甲醇體積比較小時(shí)，混合燃料十六烷值的降低使得滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)混合氣混合更加均勻。

局部過(guò)濃區(qū)域減少，碳煙的排放降低，當(dāng)甲醇體積比增加到30%時(shí)，甲醇的汽化吸熱使得缸內(nèi)溫度大幅下降，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，碳煙生成量增加，煙度升高。

圖7展示了不同工況下甲醇體積比對(duì)排氣中NO?及其在NO?中占比的影響，我們從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著混合燃料中甲醇比例的升高，各負(fù)荷下排氣中NO?濃度逐漸增加。

NO?中NO?比例升高，其中低負(fù)荷時(shí)，M30的NO?排放量和NO?/NO?比值，與純PODE相比增幅分別為65%和107%。

甲醇的加入，使得缸內(nèi)溫度降低，為NO向NO?的轉(zhuǎn)化提供了低溫條件，故NO?/NO?比值均隨著甲醇體積比增大而升高。

甲醛的化學(xué)式為HCHO或CH?O，作為碳?xì)浠衔镅趸闹虚g產(chǎn)物，具有致癌性，這主要來(lái)源于甲醇在缸內(nèi)低溫區(qū)的氧化，及進(jìn)入排氣管后的低溫氧化。

烴類燃料的氧化路徑為：RH→R→RO?→RCHO→RCO→CO，在路徑中從左往右依次為烴燃料分子、烴基、過(guò)氧烴基、醛基、酰基和一氧化碳。

我們由此可知，甲醇和PODE燃料在燃燒過(guò)程中，均會(huì)產(chǎn)生甲醛，因此甲醛的排放特性也值得關(guān)注。

圖8為轉(zhuǎn)速1800r/min時(shí)不同負(fù)荷下甲醇體積比對(duì)甲醛排放特性的影響。

隨著甲醇的加入，甲醇較高汽化潛熱的性質(zhì)，使得缸內(nèi)低溫區(qū)域增加，為甲醇和PODE的不完全燃燒提供了條件，且未燃甲醇進(jìn)入排氣管后，會(huì)降低排氣溫度，加速了甲醇的低溫氧化，故甲醇的摻燒導(dǎo)致甲醛排放有所上升。

在高負(fù)荷時(shí)，由于較高的缸內(nèi)燃燒溫度及排氣溫度，甲醇的影響較小，因而隨著混合燃料中，甲醇體積比上升，甲醛排放只少量增加。

在中低負(fù)荷工況，缸內(nèi)溫度和排氣溫度較低，甲醇的加入，使得缸內(nèi)燃燒進(jìn)一步惡化，加劇了甲醇的低溫氧化，以及不完全燃燒，從而導(dǎo)致甲醛的排放迅速增加。

隨著甲醇體積比的增大，PODE和甲醇混合燃料缸內(nèi)，燃燒壓力逐漸降低，各負(fù)荷下，放熱率始點(diǎn)均推遲，中低負(fù)荷時(shí)放熱率峰值，先增大后減小，而高負(fù)荷時(shí)放熱率峰值，逐漸升高。

在純PODE中摻混甲醇，使中低負(fù)荷的燃燒持續(xù)期，呈現(xiàn)先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)，甲醇體積比20%時(shí)為拐點(diǎn)，高負(fù)荷的燃燒持續(xù)期將縮短，摻燒甲醇，使各負(fù)荷下CA50推遲。

純PODE中摻混甲醇，可以降低NO?排放，在高負(fù)荷工況下M30的NO?排放，較純PODE降低28.1%。

隨甲醇體積比的增加，各負(fù)荷下混合燃料的HC和CO排放量，均呈上升趨勢(shì)，而濾紙煙度先減小后增大，摻燒甲醇使尾氣中，甲醛排放量逐漸上升，在低負(fù)荷工況下上升趨勢(shì)更明顯。

混合燃料燃燒NO?排放中，NO?占比明顯高于純PODE燃燒。