柴油升級對排放的影響,柴油發動機升級對汽車有影響嗎
文|李伯陵
編輯 |李伯陵
隨著經濟的發展，中國汽車保有量逐年增長，給人們帶來便利的同時也對環境造成污染。
目前，中國的排放法規已升級到國六階段，收緊了排放物限值，這對尾氣凈化提出了更加嚴苛的要求。
現在降低發動機排放的方法，主要有新型燃燒方式、清潔替代燃料及尾氣后處理技術。
我國考慮到中國富煤少氣的能源結構，煤基燃料成為了中國清潔替代燃料領域的研究熱點，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，因為含氧量較高的特點，應用到發動機中可有效改善缸內燃燒，從而降低排放，成為諸多學者研究的對象。
甲醇作為最簡單的飽和一元醇，分子中只含一個碳原子，含氧量高達50%，其辛烷值較高的特性有助于提高發動機的壓縮比，提升發動機的性能。
甲醇的汽化潛熱較高，它的加入會使得缸內溫度降低，從而有助于降低NO?排放，雖然會造成HC、CO排放增加，但可以通過柴油機氧化催化器有效去除。
PODE分子式為CH?(CH?O)nCH?，當聚合度n為2~4時，物理性質與柴油相當，PODE具有高十六烷值、高含氧量的特點，且不含C—C鍵。
CH?(CH?O)nCH?通常作為柴油添加劑使用，目前，PODE主要由廉價的工業級原料甲醇、甲醛及甲縮醛合成，經過分離提純后，濃度可達95%以上，成本較為低廉。
現階段甲醇和PODE燃料在柴油機上的應用，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道。
PODE因與柴油的著火性質相似，它可以直接應用于壓燃式發動機，這為PODE和甲醇燃料的摻混使用創造了可能。
根據相似相溶原理，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，可滿足柴油機的正常工作條件，因此將這兩種燃料通過摻混的方法，應用到發動機中具備可行性。
我們為了研究PODE-甲醇混合燃料對發動機缸內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。
本次試驗樣機主要技術參數如表1所示，圖1為試驗測試系統示意圖，我們采用湘儀CAC250型電力測功機，控制發動機的轉速和轉矩恒定，從而獲得需要的試驗工況。
為了研究混合燃料對發動機性能的影響，我們選用甲醇和PODE為基礎燃油，兩種燃料及柴油的物性參數如表2所示。
甲醇和PODE均屬于有機物，依據相似相溶原理，它們可以按任意比例混合，在相關研究資料中表明，甲醇小比例加入時可以增加預混燃燒量。
甲醇小比例加入可以改善缸內燃燒和排放，但當甲醇比例過高時，會導致發動機運行不穩定甚至失火，為保證試驗安全和燃油經濟性，甲醇的摻混比例不宜過高。
我們在試驗中，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，并分別標記為M0、M10、M20、M30。
我們在試驗中僅改變了燃料的性質，并未調整發動機的結構參數，將制好的燃料直接添加入油箱中，我們采用原機的供油系統和控制系統，進行試驗。
發動機試驗轉速選取為最大轉矩轉速1800r/min，分別燃用M0、M10、M20、M30，測量并分析甲醇比例，對發動機燃燒和排放特性的影響，我們在試驗開始之前，對各儀器分別進行標定，以保證測量結果的準確性。
試驗中我們首先使用M30進行轉矩標定，根據發動機所能達到的負荷確定試驗工況點，通過平均有效壓力來衡量負荷的大小。
最終將BMEP為0.376MPa、0.486MPa和0.605MPa工況分別定義為低、中、高負荷3個試驗工況。
在試驗過程中，我們調整好燃料后，發動機先穩定運行5min，排除管路中殘留燃料對試驗結果產生的干擾。
在每個工況穩定運行1min后，記錄數據，每組試驗結果重復記錄3次并取平均值，以減小試驗誤差。
當發動機的轉速為1800r/min時，不同負荷缸內壓力和放熱率曲線，隨著甲醇體積比的變化規律，如圖2所示。
我們可以發現，各負荷缸內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，低負荷時尤為顯著。
這是由于發動機噴油時刻在中低負荷工況下較遲，燃料進入氣缸后先與缸內充量混合形成混合氣，隨后才進入燃燒階段，因此缸壓曲線第一個峰為壓縮峰，第二個峰為燃燒峰，燃燒過程發生在上止點后。
與純PODE相比，低負荷時燃用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比中可以發現，甲醇的加入，使得各負荷下放熱率始點推遲，滯燃期逐漸延長。
其中，在中低負荷時，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，低負荷下燃用M30的放熱率峰值，降幅為46.1%。
中負荷下燃用M20的放熱率峰值增幅為17.2%；高負荷下甲醇的加入，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，且甲醇對燃料著火具有抑制作用，故滯燃期逐漸延長。
在高負荷時，缸內溫度較高，燃燒反應過程受甲醇的影響較小，滯燃期延長使得燃料有充足的時間形成均質混合氣。
燃燒過程中，隨著預混燃燒量增加，使放熱率曲線峰值逐漸增加，中低負荷下，當甲醇體積比較小時，甲醇的加入使放熱率峰值略有升高。
當甲醇體積比進一步增加時，更多的甲醇進入氣缸使缸內溫度大幅下降，化學反應速率變慢，且不完全燃燒比例增加，使放熱率明顯下降。
圖3為1800r/min時不同負荷下混合燃料對燃燒持續期和燃燒重心(CA50)的影響規律。
當甲醇體積比小于20%時，各負荷下混合燃料的燃燒持續期均縮短，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，缸內形成更加均勻的混合氣，預混燃燒速率增加。
當甲醇體積比達到30%時，混合燃料十六烷值進一步降低，著火性能明顯降低，燃燒始點推遲。
在中低負荷下，因甲醇體積比的升高，缸內溫度進一步惡化，燃燒緩慢，這些因素共同導致了燃燒持續期的延長和CA50相位推遲。
高負荷下缸內溫度較高且甲醇的火焰傳播速度較快，加速了燃燒進程，因此燃燒持續期縮短，當發動機轉速為1800r/min時，甲醇體積比對NO?排放的影響規律如圖4所示。
我們可以發現，PODE摻燒甲醇能降低NO?排放，且在高負荷工況下下降趨勢最為明顯，與純PODE相比，M30的NOx排放下降了28.1%。
高負荷工況下缸內溫度較高，甲醇的大量摻燒，會使得缸內溫度急速降低，NO?排放量明顯下降。
當甲醇體積比達到30%時，雖然滯燃期的延長使得預混燃燒量增加，預混燃燒過程中的放熱量增多，但放熱過程集中在上止點后，且CA50滯后，燃燒條件較差，因而NO?生成量下降。
在中低負荷工況下，較低的缸內溫度使NOF排放量較低，甲醇的汽化吸熱使得缸內溫度進一步惡化，燃燒反應過程滯后且緩慢，因而NO排放也降低。
圖5為發動機轉速為1800r/min且發動機燃用PODE-甲醇混合燃料時HC和CO排放的對比。
我們從圖中可以發現，燃用純PODE時，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。
壓燃式發動機的HC和CO排放，來自于燃燒過程，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，這些有利因素優化了缸內燃燒，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，滯燃期延長使燃燒滯后，且甲醇的汽化吸熱使得缸內溫度下降，燃燒過程惡化，因此HC和CO排放增加。
在低負荷時，柴油機基本是在過量空氣系數，大于1.5的稀混合氣下工作，氧氣相對充足，燃燒充分，CO排放少。
當柴油機負荷較高時，缸內混合氣局部較濃，造成了缸內局部缺氧的情況，燃料中C原子不能完全氧化成CO?，轉化成不完全氧化產物CO，這使得燃用PODE和甲醇混合燃料時，CO排放較高。
當發動機轉速為1800r/min時，不同負荷下甲醇體積比對濾紙煙度的影響規律如圖6所示。
我們從圖中可見，隨著甲醇體積比的增加，各負荷下濾紙煙度，均呈先減小后增大的趨勢，且負荷越大，煙度越小。
這是由于甲醇的運動黏度較小，添加到PODE中，會使混合燃料黏度降低，且甲醇的揮發性較好，混合燃料在氣缸中更容易蒸發霧化，有利于燃料與空氣的混合，降低空燃比的不均勻性。
當甲醇體積比較小時，混合燃料十六烷值的降低使得滯燃期延長，缸內混合氣混合更加均勻。
局部過濃區域減少，碳煙的排放降低，當甲醇體積比增加到30%時，甲醇的汽化吸熱使得缸內溫度大幅下降，導致缸內燃燒惡化，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排氣中NO?及其在NO?中占比的影響，我們從圖中可以發現，隨著混合燃料中甲醇比例的升高，各負荷下排氣中NO?濃度逐漸增加。
NO?中NO?比例升高，其中低負荷時，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，使得缸內溫度降低，為NO向NO?的轉化提供了低溫條件，故NO?/NO?比值均隨著甲醇體積比增大而升高。
甲醛的化學式為HCHO或CH?O，作為碳氫化合物氧化的中間產物，具有致癌性，這主要來源于甲醇在缸內低溫區的氧化，及進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燃料在燃燒過程中，均會產生甲醛，因此甲醛的排放特性也值得關注。
圖8為轉速1800r/min時不同負荷下甲醇體積比對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，使得缸內低溫區域增加，為甲醇和PODE的不完全燃燒提供了條件，且未燃甲醇進入排氣管后，會降低排氣溫度，加速了甲醇的低溫氧化，故甲醇的摻燒導致甲醛排放有所上升。
在高負荷時，由于較高的缸內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。
在中低負荷工況，缸內溫度和排氣溫度較低，甲醇的加入，使得缸內燃燒進一步惡化，加劇了甲醇的低溫氧化，以及不完全燃燒，從而導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，燃燒壓力逐漸降低，各負荷下，放熱率始點均推遲，中低負荷時放熱率峰值，先增大后減小，而高負荷時放熱率峰值，逐漸升高。
在純PODE中摻混甲醇，使中低負荷的燃燒持續期，呈現先縮短后延長的趨勢，甲醇體積比20%時為拐點，高負荷的燃燒持續期將縮短，摻燒甲醇，使各負荷下CA50推遲。
純PODE中摻混甲醇，可以降低NO?排放，在高負荷工況下M30的NO?排放，較純PODE降低28.1%。
隨甲醇體積比的增加，各負荷下混合燃料的HC和CO排放量，均呈上升趨勢，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，在低負荷工況下上升趨勢更明顯。
混合燃料燃燒NO?排放中，NO?占比明顯高于純PODE燃燒。
