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汽油与聚甲醛二甲基醚共混柴油对某共轨柴油机燃烧与排放的影响
摘要：为了减少柴油机的碳烟排放，在柴油(D80P20和D80G20)中掺入20%的聚甲醛二甲基醚(PODE)或汽油(按体积计)，并进行了混合燃料与柴油燃烧和排放的对比试验研究。与柴油相比，D80P20和D80G20在大多数情况下缩短了燃烧持续时间，提高了制动热效率(BTE)，增加了NOx排放，降低了超细颗粒物(UFPs)的碳烟排放和浓度(NCs)。在低负荷和部分负荷下，强预混燃烧和增强空气夹带有助于D80G20产生最高的BTE和NOx排放。在中、高负荷下，强扩散燃烧可使D80P20的BTE和NOx排放量最高，碳烟和UFPs排放量最低。为了平衡氮氧化物和碳烟颗粒的排放，柴油中同时添加了10%的PODE和汽油。D80G10P10的BTE和NOx排放始终排在第二位。在四种燃料中，BMEP从0.16 MPa到0.48 MPa排放的碳烟和UFPs最低。与原喷油正时柴油相比，D80G10P10适当的延迟可以同时降低整个负荷范围内的NOx、碳烟和UFPs排放。
关键词：共轨柴油机；汽油；聚甲醛二甲基醚；燃烧；喷射；超细粒子
- 介绍
全球能源需求持续增长，因为人类活动的每个方面，如交通、工业、住宅和商业活动，都需要来自能源[1]的支持。2016年全球一次能源消费仅增长1%，增长严重依赖化石燃料[2]。运输部门是石油的主要消费者。此外，汽车是空气污染物的主要来源。据报道，截至2016年，我国机动车排放污染物总量达4472.5万吨，其中CO排放34.193吨，HC排放4.22吨，NOx排放5.778吨，PM排放[4]排放0.534吨。柴油车的氮氧化物排放量占总排放量的近70%，颗粒物排放量占总排放量的90%以上，仅占总排放量的10.2%。排放规定已变得越来越严格，欧盟6国将重型柴油车的PM限制在0.01 g/kWh, NOx限制在0.4 g/kWh。
许多研究证实，含氧燃料添加剂可以有效减少碳烟排放。随着含氧燃料的使用，碳烟颗粒形成半岛由于乙炔和多环芳烃[5]等气相物质的减少而缩小。另一种观点认为，含氧添加剂与柴油燃料的混合提供了生成二氧化碳所需的氧气，而不是生成富碳颗粒，这反过来又大大减少了颗粒物[6]的排放。Park等人对三丙二醇甲醚、癸酸甲酯和二甲醚进行了模拟，研究了燃料性能对燃烧和碳烟排放的影响。结果表明，随着氧含量的增加和C-C键[7]的减少，碳烟前体的形成逐渐减少。燃料分子结构对碳烟的形成有重要影响。醇类、酯类(主要是称为生物柴油的甲酯)和醚类是柴油常用的混合燃料。低碳链醇含氧量高，能有效减少碳烟或颗粒物的排放。但它们与柴油不溶，表面活性剂是形成稳定、均匀、透明的柴油/乙醇微乳共混物[9]所必不可少的。双燃料模式是一种有效的方式，可以同时实现对NOx和碳烟排放的[10]的减排。然而，制动热效率的双燃料引擎减少，HC和CO排放增加[11]。当使用生物柴油混合燃料时，由于碳烟前体形成[12]受到抑制，碳烟排放有所减少。生物柴油排烟量的减少是由生物柴油的性能决定的，生物柴油的性能完全取决于原料的化学成分。这也证实了生物柴油中R -(C=O)O-R基团对碳烟前体形成的抑制作用不如R-OH羟基在醇中的[13]。生物柴油氧化稳定性差，挥发性低，粘度高，凝点高，这些都限制了生物柴油在柴油机[14]上的高效使用。
具有CH3结构的CH3-O -（CH2O）n-CH3(n: 1-8)没有C -C由于低粘度和倾点、低蒸馏温度、高氧含量和高十六烷值[15]，C键是一种很有前途的柴油混合物。其中，pode3 -5是柴油添加剂中性能最好的。Li等人使用高压共轨系统研究了添加PODE对喷雾和雾化的影响。在柴油中加入PODE后，由于PODE的挥发性比柴油[16]高，雾滴数量在12e20mm范围内趋于均匀分布，喷雾和雾化质量明显提高。混合PODE可以缩短燃烧时间，提高制动热效率，显著降低碳烟颗粒、HC和CO排放[17]。Liu等人研究了生物柴油/PODE共混物(B85P15)的燃烧和排放。高负荷时，B85P15的扩散燃烧放热速率明显提高，燃烧持续时间为5oCA比柴油[18]短。B85P15产生的碳烟排放量最低(lt;0.01 g/kWh)，燃烧效率最高。与柴油相比，满载时P10、P20和P30(10%、20%和30% PODE by vol.)不仅减少了27.6%、41.5%和47.6%的碳烟排放，
命名法
Dp 气动直径;k 比热比;p 缸内压力;V 瞬时缸容积;m 装药质量;cv 定容比热;k 碳烟颗粒光吸收系数;n 每通道浓度;V 每通道体积浓度;Qpremixed-diesel 柴油在预混燃烧扩散阶段的热释放;Qdiffusion-diesel 柴油在扩散燃烧阶段释放的热量;Qpremixed-fuel 混合燃料在预 混燃烧扩散阶段的燃油热释放的热量;Qdiffusion-fuel 发布阶段的混合燃料的扩散燃烧释放的热量
缩写词
MT百万吨;CN十六烷数字颇得聚甲醛二甲基醚;UFPs 超细粒子;BMEP 制动平均有效压力;ID 点火延迟;CD 燃烧持续时间;CA 曲柄角;NGMD 数量几何平均直径;VGMD 体积几何平均直径;D100 使用纯柴油;D80G20 使用80%柴油和20%汽油混合燃料;D80P20 使用80%柴油和20%PODE混合燃料;D80G10P10 使用80%,柴油和10%汽油、10%PODE的混合燃料;SOC开始燃烧的燃烧曲线端嗯热释放率;PHRR放热率峰值;PCT燃烧温度峰值;TDC上死点;ATDC后上死点;BTDC之前上死点;RIPC预混气体的相对强度;RIDC扩散燃烧的相对强度符合燃油喷射定时工厂检验计划燃油喷射压力数控数量浓度;VC体积浓度;NCMP成核模式粒子;AKMP Aitken模式粒子;ACMP积累模式粒子
还减少了15.97%、32.28%和43.79%的细颗粒物和超细颗粒物浓度。虽然碳烟排放可以显著减少，NOx随着PODE[20]的加入，排放量增加。
对燃料进行充氧是向柴油发动机的富燃料核心提供氧气的重要途径，以减少碳烟颗粒，并增强缸内装药气体的氧气夹带是另一种途径。在静止状态下，高压直喷柴油喷射器上的火焰在喷油器下游位置稳定。从喷射器到稳定位置的距离称为火焰上升长度[22]。在点火长度上游的空气和燃料预混料被认为在点火位置[22]的下游立即发生反应。柴油喷雾火焰上升长度目前被认为是混合控制燃烧过程中油烟形成趋势的一个指标，并受燃料反应活性[23]的影响。实验结果表明，高辛烷值汽油类组分的掺混时间越长，其发光强度越低，碳烟越少。柴油/汽油共混物中汽油比例的增加导致液体喷雾长度呈近似线性的下降趋势，而火焰上升长度呈非线性的上升趋势。随着汽油比增加到20%、40%和60%，与柴油相比，火焰上升长度分别增加了36%、68%和142%，碳烟颗粒浓度明显降低。在柴油中加入汽油改善了空气-燃料的混合，在更宽的汽缸面积上产生更均匀的混合物。增加的挥发性阻止了富燃料区域[27]的形成。随着汽油比的增大，点火延迟时间延长。与柴油相比，柴油/汽油混合燃料的碳烟颗粒排放显著降低了90%以上，但由于点火延迟时间长、燃烧速度快、局部温度较高等原因，氮氧化物排放增加。GD30(70%柴油和30%汽油)的成核模式(Dplt;50 nm)和积累模式(50 nm lt; Dplt; 1000 nm)的峰数浓度均小于柴油[30]。到颗粒的空气动力直径。研究明确表明，柴油/汽油共混降低了碳烟颗粒和超细颗粒排放，增加了氮氧化物排放。
如前所述，柴油中的PODE和汽油都可以减少碳烟或颗粒物的排放，同时增加NOx的排放。利用含氧燃料减少碳烟排放的途径是抑制碳烟前体的形成，或通过羟基自由基等活性自由基将前体直接氧化成CO。使用高挥发性汽油类燃料的途径是增强空气夹带，增加火焰上升长度。PODE不仅具有较高的分子内氧含量，而且具有比柴油更高的挥发性，具有减少碳烟排放的两种途径。汽油不含氧，但挥发性比PODE高，说明掺混汽油对提高空气夹带性效果最好。另外，PODE的十六烷值比柴油高，而汽油的可燃性比柴油差。汽油掺混强化了预混燃烧，削弱了扩散燃烧，而PODE则相反。因此，在柴油中掺入PODE或汽油对着火延迟、燃烧过程和排放有不同的影响。汽油与PODE相结合可能是减少碳烟排放、平衡碳烟与NOx平衡关系的一种理想而有效的途径。Liu等人将35%的汽油、35%的柴油和30%的PODE3-4(GDP)按体积混合，研究了GDP燃料[27]的燃烧和排放。国内生产总值燃料的热效率和碳烟排放均达到了预期的结果。首先，PODE和汽油对燃烧过程和排放结果的不同影响尚不清楚。其次，混合PODE或汽油不是越多越好。与P20相比，虽然P30的碳烟排放和NOx排放均有所下降，但P30的制动热效率有所下降，HC排放有所增加。同样，高汽油比具有爆震倾向，燃烧稳定性下降。
综上所述，PODE和汽油均选择20%的混合比，考察其对着火延迟、燃烧过程、NOx和碳烟颗粒排放以及超细颗粒的不同影响。为了平衡NOx与碳烟颗粒排放之间的平衡关系，以10%的体积将PODE与汽油同时掺混在柴油中，并对喷油时机、喷油压力等喷油参数进行了研究。
- 实验设置和数据处理
2.1仪器的实验设置和校准
在一台增压六缸共轨柴油机上进行了试验研究。图1为试验系统原理图。表1列出了测试引擎的规格。表2给出了仪器的量程和精度。
发动机转矩和转速由CW260涡流测功机(CAMA)自动控制。静态扭矩是校准几个10公斤的重量和1米长的手臂的力量。测速装置的精度为1%。负载传感器的精度为0.2%，负载指示器的精度为0.1%。通过式(1)计算转矩测量的精度，结果为0.22%。共轨喷射系统由博世公司生产，喷射参数由ECU (ECTEK)控制。
缸内压力测量系统包括一个压电式6052A传感器、一个5019B电荷放大器和一个KIBOX燃烧分析仪。通过电荷放大器放大信号，然后传送到燃烧分析仪。采用分辨率为0.1o的磁电机曲轴位置传感器记录曲轴转角位置。曲柄角(CA)。在每个操作中，将200个连续循环的缸内压力信号保存并取平均值。校准系统由6907B型校准器、6904型压力发生器和7061BK型基准传感器组成。6907B型是微处理器控制的校准器，具有一个双通道电荷放大器和集成数据采集。6904型压力发生器产生的连续压力可达700bar, 7061BK型参考传感器的压力范围可达250bar。6585A型校准适配器用于将6052A型压电传感器安装在扭矩为25Nm的压力发生器上。5019B型电荷放大器由5395A型精密电荷校准仪进行校准，该校准仪由可编程的精密电压源和参考电容器组成，并有显示电荷放大器输出电压的显示器。KIBOX燃烧分析仪采用16位数据采集，转换精度高。缸内压力测量的精度由6052A压力传感器和5019B电荷放大器的精度组成。对于压力传感器，6052A的线性度小于0.4%，灵敏度漂移小于1%，热冲击小于0.2% (0.5 bar / 250bar)。6052A传感器的精度由式(2)计算，结果为1.1%。5019B电荷放大器的精度为1%。通过式(3)计算压力测量的精度，结果为1.5%。
试验燃料的流量由7351CST (AVL)流量计测量，其精确度为plusmn;0.12% FS。氮氧化物和碳烟排放由MAHA MET6测定。X和UFPs粒子由SMPS3936空气动力粒子sizer光谱仪(TSI)测定。摩诃MET6.X在实验前使用校准气体进行了校准，包括使用剩余N2的3230ppm NO和使用剩余N2的350ppm no2和430 nm光路的晶片。利用聚苯乙烯乳胶(PSL)粒子发生器对SMPS3936进行了标定。
测量的不确定度由参考文献[31]中的方法确定。在每一次操作中，发动机转速固定在1400 rpm，每5 s记录一次实际转速。对扭矩测量的不确定度也进行了类似的处理。在每次操作中，缸内压力平均为200个连续循环。选择最大缸内压力来确定不确定度。对于排放，稳态测试重复三次，结果发现在95%的置信水平内彼此一致。测量范围、精度和不确定度见表2。
2.2实验条件
实验在具有良好绝热性能的发动机试验台专用房间进行。大气压力保持在0.97巴，大气温度变化从23?ct25 ?C。当冷却剂温度稳定后，运行并预热20分钟。当更换测试燃料时，通过将回油管放入另一个油箱来清理燃料管线。发动机运转10分钟，以确保先前的燃料可能存在于燃料管路、过滤器和钢轨中。发动机转速固定在1400转/分，发动机负荷由制动平均有效压力(BMEP)表示。在实际测量中，柴油机在1400 rpm时的最大BMEP为1.45 MPa。低负载由0.16 MPa BMEP (100 Nm扭矩),部分负荷包括0.32 MPa(200海里)和0.48 MPa(300海里),介质加载包含0.64 MPa(400海里),0.81 MPa(500海里)和0.97 MPa(600海里),和1.13 MPa(700海里)和1.29 MPa(800海里)代表高发动机负载。在每种情况下，所有测试燃料的喷射时间和喷射压力都保持不变。表3列出了各种负载下的注入参数。BMEP分别为0.16 MPa、0.81 MPa和1.29 MPa、2oCA, 10 oCA, 14 oCA和18 oCA选择CA - BTDC来研究喷油正时对试验燃料燃烧和排放的影响。发动机稳定运行3分钟。将废气稀释100倍，然后送入SMPS。如果测试时间设置为2min，则对应的测量范围为2.5e220 nm，其中包括超细颗粒(Dplt; 100 nm).
2.3
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