供油提前角对聚甲氧基二甲醚/柴油混合燃料排放的影响

【摘 要】将聚甲氧基二甲醚（PODE）/柴油按照1：9的体积比进行混合，调整柴油机供油提前角，分别在16°CA、18°CA和20°CA时进行排放测试。结果表明，随着供油的提前，燃用PODE/柴油混合燃料的柴油在CO、HC的排放上有较好的改善作用，然而会增加NOx的排放；燃用PODE/柴油混合燃料时，颗粒物（PM）的总数量浓度和总体积浓度都有所下降，而提前供油会增加颗粒物的总数量浓度，降低总体积浓度，且PM粒径分布朝小粒径方向偏移。

【关键词】供油提前角；聚甲氧基二甲醚；排放；颗粒物

中图分类号：TK46+4 文献标志码：A 文章编号： 2095-2457（2017）32-0031-002

【Abstract】PODE / diesel was mixed in the volume ratio of 1： 9 to adjust the advance angle of diesel oil supply， and the emissions were tested at 16 ° CA， 18 ° CA and 20 ° CA respectively. The results show that diesel fuel with PODE / diesel blends can improve the emission of CO and HC with the advance of fuel supply， but it can increase the emission of NO x. When using PODE / diesel blends， particulate matter （PM） decreased both in the total concentration and in the total volume， while advance oil supply increased the total concentration of the particulate matter， decreased the total volume concentration， and the PM particle size distribution shifted toward the smaller particle size.

【Key words】Fuel supply advance angle； Polyoxymethylene dimethyl ether； Emission； Particulate matter

聚甲氧基二甲醚（Polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）十六烷值较高、含氧量较高、与柴油可任意比例互溶、无需对柴油机供油系统进行改动，还能有效降低柴油机的CO、HC和颗粒物（PM）排放，是一种较为理想的柴油含氧添加剂[1-3]。

目前，国内外对PODE/柴油混合燃料的研究主要集中在在柴油中掺混PODE的物化特性[3-5]和PODE/柴油混合燃料对柴油机燃烧特性和排放特性的影响[6-10]等方面，对实际使用过程中柴油机参数的改变对使用PODE/柴油混合燃料影响的研究较少。本文将PODE按照体积比1：9与柴油进行混合，调整柴油机供油提前角，并进行排放试验。通过试验分析不同供油提前角与PODE/柴油混合燃料排放的影响。

1 试验燃料与试验装置

1.1 试验燃料

试验所用柴油为市售国V0#柴油，PODE中PODE3、PODE4和PODE5、PODE6-8的质量比为60.2%：27.0%：9.5%：3.3%。将PODE按照体积比0：10和1：9与柴油混合，命名为P0和P10，柴油和PODE物化特性如表1所示。

1.2 试验装置和试验方法

试验用柴油机为186FA，立式单缸四冲程风冷柴油机，其他技术参数见表2。其它试验设备包括测功机、德图Testo 350XL烟气分析仪、发动机废气排放颗粒物粒径譜仪（TSI EEPS 3090）。试验装置分布如图1所示。

试验选取柴油机转速2400r/min，在不同负荷下，分别燃用P0、P10混合燃料进行排放试验。供油提前角每间隔2°CA设置一个点，即供油提前角设定为16°CA、18°CA和20°CA。记录尾气排放中的CO、HC和NOx等排放数值；并利用EEPS 3090测量排气中的颗粒粒径分布。

2 试验结果与分析

2.1 供油提前角对排气污染物排放的影响

柴油机NOx的产生条件是高温富氧，以及在高温下的反应时间，负荷越大，缸内温度越高，NOx的排放随之增加[12-13]。相同供油提前角，燃用P10混合燃料比P0的NOx排放略有增加，100%负荷工况下，燃用P10混合燃料比燃用P0的NOx排放增加了1.8%，这取决于P10混合燃料中含氧量的增加。

不同供油提前角燃用P10混合燃料的NOx排放，则随着供油提前而显著增加，100%负荷工况下，供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的NOx排放增加了19.65%和61.47%。当供油提前时，滞燃期延长，最高燃烧温度升高，NOx排放增加，如图2所示。

柴油机HC排放主要因为滞燃期内在喷雾下游形成的过稀混合气区，以及喷注核心的混合气过浓 [14]。在柴油中掺混PODE可降低HC排放，这是因为燃油中的含氧量增加改善燃烧，使燃烧更充分。其中50%负荷工况下，燃用P10混合燃料比燃用P0的HC排放降低最多，降低了10.26%。不同供油提前角燃用P10混合燃料的HC排放，随着供油提前也略有降低。这是由于供油提前，使混合气更加均匀，燃烧也更充分。其中75%负荷工况下，供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的HC排放分别降低最为明显，降低了4.26%和11.70%。

柴油机CO的生成原因是由较低的燃烧温度和较高的混合气浓度[15]。在柴油中掺混PODE和提前供油，都有利于降低CO排放，这与燃油中含氧量增加和提前供油改善燃烧有关。其中， 100%负荷工况下，燃用P10比燃用P0的CO排放降低了35.06%，而供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的CO排放仅分别降低了6.25%和9.09%。

2.2 供油提前角對PM排放的影响

100%负荷下，供油提前角对PM排放的影响如图3所示，横坐标为分级后的各级特征粒径DP，纵坐标为各级PM数量浓度，总数量浓度和总体积浓度分别记为ntotal和Vtotal，见图4。

PM数浓度和粒径随着负荷的增加而增大，相对应的总数浓度和总体积浓度也随着负荷的增大而显著增加。随着负荷增加，燃油消耗量增加，混合气浓度较高，缸内温度升高，缸内压力较大，易生成由不完全燃烧产生的碳核颗粒；且排气流速增加，核态颗粒间的碰撞、团聚更剧烈，更容易形成大颗粒，而被氧化的时间较短。燃用P10和燃用P0对比，由于含氧量的增加，PM粒径分布朝小粒径方向偏移，而燃料本身的含氧量增加，也抑制的碳核的生成。随着供油提前角的增大，PM粒径分布朝小粒径的方向偏移，PM的总数浓度略有上升，总体积浓度则随着供油提前角的增大而下降。提前供油可改善燃料，且滞燃期延长，生成的PM在缸内被氧化的时间较长，大量大颗粒被氧化成小颗粒，因此供油提前角的增大使得PM粒径分布朝小粒径方向偏移；而提前供油导致混合气浓度增加，燃烧不完全的情况更加严重，因此PM总数量浓度随着供油提前而增大。100%负荷工况下，燃用P10比燃用P0的PM总数量浓度和总体积浓度分别降低了11.47%和15.51%；而供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的PM总数量浓度分别增加了11.65%和22.93%，总体积浓度降低了5.23%和12.83%。

3 结论

（1）在柴油中掺混PODE和提前供油，有利于降低CO和HC的排放，而NOx排放则有所上升。100%负荷工况下，燃用P10混合燃料比燃用P0的CO和HC排放分别降低了35.06和10.26%，NOx排放增加了1.8%；供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的CO排放分别降低了6.25%和9.09%，HC排放分别降低了4.26%和11.70%，NOx排放分别增加了19.65%和61.47%。

（2）在柴油中掺混PODE，PM粒径分布朝小粒径方向偏移，100%负荷工况下，燃用P10比燃用P0的PM总数量浓度和总体积浓度分别降低了11.47%和15.51%；供油提前角为16°CA时，燃用P0和燃用P10的几何平均粒径分别为110.44nm、108.15nm。

（3）提前供油，PM粒径分布朝小粒径方向偏移，然而PM总数量浓度却有所上升。100%负荷工况下，供油提前角18°CA和20°CA比16°CA的PM总数量浓度分别增加了11.65%和22.93%，总体积浓度分别降低了5.23%和12.83%；燃用P10时，供油提前角为16°CA、18°CA和20°CA的几何平均粒径分别为108.15nm、99.16nm和89.14nm。提前供油对PM粒径分布的影响，较在柴油中掺混PODE对PM粒径分布的影响大。

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