柴油机的发动机排放过高，甲醇和PODE燃料能减少发动机的排放吗？

文|李伯陵

编辑 |李伯陵

前言

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。

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。

现在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。

我国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，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，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NO₂排放，虽然会造成HC、CO排放增加，但可以通过柴油机氧化催化器有效去除。

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。

CH₃(CH₂O)nCH₃通常作为柴油添加剂使用，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，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。

我们为了研究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和甲醇混合燃料。

本次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，我们采用湘仪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。

为了研究混合燃料对发动机性能的影响，我们选用甲醇和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，在相关研究资料中表明，甲醇小比例加入时可以增加预混燃烧量。

甲醇小比例加入可以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，为保证试验安全和燃油经济性，甲醇的掺混比例不宜过高。

我们在试验中，按甲醇体积比为0、10%、20%、30%，分别掺混到纯PODE中制备出PODE和甲醇混合燃料，并分别标记为M0、M10、M20、M30。

我们在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，我们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1800r/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，我们在试验开始之前，对各仪器分别进行标定，以保证测量结果的准确性。

试验中我们首先使用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，通过平均有效压力来衡量负荷的大小。

最终将BMEP为0.376MPa、0.486MPa和0.605MPa工况分别定义为低、中、高负荷3个试验工况。

在试验过程中，我们调整好燃料后，发动机先稳定运行5min，排除管路中残留燃料对试验结果产生的干扰。

在每个工况稳定运行1min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。

当发动机的转速为1800r/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。

我们可以发现，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。

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0.21MPa、0.56MPa、0.90MPa。

我们从放热率曲线对比中可以发现，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。

其中，在中低负荷时，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，故滞燃期逐渐延长。

在高负荷时，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，随着预混燃烧量增加，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1800r/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。

在中低负荷下，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，因此燃烧持续期缩短，当发动机转速为1800r/min时，甲醇体积比对NOₓ排放的影响规律如图4所示。

我们可以发现，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%。

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NO₂生成量下降。

在中低负荷工况下，较低的缸内温度使NOF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NO排放也降低。

图5为发动机转速为1800r/min且发动机燃用PODE-甲醇混合燃料时HC和CO排放的对比。

我们从图中可以发现，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，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。

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。

当柴油机负荷较高时，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和甲醇混合燃料时，CO排放较高。

当发动机转速为1800r/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。

我们从图中可见，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，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，我们从图中可以发现，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。

NO₂中NO₂比例升高，其中低负荷时，M30的NO₂排放量和NO₂/NO₂比值，与纯PODE相比增幅分别为65%和107%。

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。

甲醛的化学式为HCHO或CH₂O，作为碳氢化合物氧化的中间产物，具有致癌性，这主要来源于甲醇在缸内低温区的氧化，及进入排气管后的低温氧化。

烃类燃料的氧化路径为：RH→R→RO₂→RCHO→RCO→CO，在路径中从左往右依次为烃燃料分子、烃基、过氧烃基、醛基、酰基和一氧化碳。

我们由此可知，甲醇和PODE燃料在燃烧过程中，均会产生甲醛，因此甲醛的排放特性也值得关注。

图8为转速1800r/min时不同负荷下甲醇体积比对甲醛排放特性的影响。

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，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，以及不完全燃烧，从而导致甲醛的排放迅速增加。

随着甲醇体积比的增大，PODE和甲醇混合燃料缸内，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。

在纯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。

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，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，NO₂占比明显高于纯PODE燃烧。