柴油机的效率高、可靠性好, 因而被广泛应用于车辆、船舶、工程机械、农用机械、发电机组等, 但在柴油机排放物中存在NOx与碳烟此消彼长的关系.为了应对各国日益严格的排放法规, 柴油机高效清洁燃烧技术越来越受到重视.新型燃烧方式, 如均质压燃(HCCI)、低温燃烧(LTC)、双燃料燃烧模式(RCCI)等, 以及燃油喷射及预喷策略、增压技术及废气再循环(EGR)技术、应用可替代燃料及燃料理化特性等被广泛关注, 成为实现高效清洁燃烧的重要途径(陈征等, 2006；黄豪中等, 2014；徐敏等, 2014；侯树梅等, 2016；马俊生等, 2018).采用预喷策略可使压力升高及燃烧噪声降低, 同时在一定程度上降低NOx排放.对于可替代燃料, 首先要在物理化学性质上与柴油相当甚至更优, 如可以与柴油互溶, 十六烷值相对较高；同时替代燃料的原材料应丰富, 生产制备容易且无污染, 成本较低.含氧燃料作为可替代掺混燃料已经被研究了近半个多世纪, 其中, 醇类燃料、醚类燃料和酯类燃料被广泛研究.

乙醇作为典型的醇类燃料, 以柴油/乙醇和汽油/乙醇掺混燃料的方式被广泛研究.乙醇无毒, 挥发性高, 含氧量高, 可以有效减少碳烟排放, 且乙醇属于可再生生物质能源.但乙醇与柴油的互溶性不稳定, 同时乙醇的十六烷值较低, 使其在柴油中的掺混应用变得困难.国内外一些学者通过在柴油/乙醇掺混燃料中添加助溶剂来改善柴油/乙醇混合燃料的稳定性, 其中运用比较多的助溶剂是表面活性剂和生物柴油.例如, Koganti等(2004)在一台三缸直喷柴油机上研究了掺混5%体积比的乙醇到柴油中对排放的影响, 其中, 乳化剂作为助溶剂, 试验结果表明, 掺混乙醇使CO和颗粒物排放降低, 但NOx排放会稍升高.Jha等(2009)在新柴油机和在用多年的柴油机上分别研究了不同体积比例的生物柴油/乙醇/柴油掺混燃料对NOx排放的影响, 结果表明, 新柴油机的NOx排放降低, 但相同条件下在用多年的柴油机NOx排放升高.Hulwan等(2011)通过在三缸直喷柴油机上研究了柴油/乙醇/生物柴油对发动机性能的影响, 结果表明, 热效率有轻微改善, 在大负荷下烟度下降.

聚甲氧基二甲醚(PODE)作为一种典型的醚类燃料, 具有十六烷值高、自燃性良好及含氧量高等特性, 是一种极具潜力的内燃机代用燃料.王其平等(2018)在一台重型柴油机上研究了柴油/PODE掺混燃料对低温燃烧及排放的影响, 结果表明, PODE可有效减小缸内的燃烧不均匀程度, 缩短燃烧持续期, 提高热效率.Liu等(2015; 2017)在一台轻型柴油机上研究了在柴油中掺混10%~30%体积比的PODE对燃烧和排放的影响, 结果表明, 掺混PODE使碳烟排放明显降低, 同时HC排放也降低, 考虑到NOx排放和碳烟排放, 掺混20%体积比的PODE最佳.Huang等(2018)研究了正丁醇/柴油/PODE掺混燃料对柴油机燃烧和排放的改善效果, 结果表明, 掺混PODE使CO排放降低.此外, Jin等(2019)研究发现, PODE可以助溶大豆油与甲醇或乙醇的混合燃料, 但有关PODE作为柴油-乙醇的助溶剂的研究报道则很少.

喷油参数作为重要的控制策略, 被国内外学者积极研究探索, 目前已成为调控不同燃料燃烧特性的重要手段.谭丕强等(2004)在一台四缸直喷柴油机上研究了喷油时刻对排放的影响, 结果表明, 提前喷油时刻可使碳烟排放降低, 但NOx排放会升高.陈征等(2007)在一台单缸柴油机上研究了喷油时刻对甲醇热氛围燃烧的影响, 结果表明, 较早的在缸内直喷甲醇易导致爆震或失火, 燃烧过程较难控制, 不同甲醇浓度下的喷油时刻对柴油机性能和排放的影响也不同.陈晖等(2019)在一台四缸柴油机上研究了喷油时刻对PODE掺混燃料燃烧的影响, 结果表明, 喷油时刻的推迟使纯柴油的碳烟排放明显减少, 但对掺混20%和30%体积比的PODE掺混燃料的碳烟排放影响较小.王庆新等(2017)在一台四缸柴油机上研究了喷油正时对柴油/汽油/正丁醇混合燃料燃烧的影响, 结果表明, 推迟喷油能大幅度抵消掺混汽油或正丁醇引起的最大压力升高率升高的趋势.Huang等(2017)在柴油机上研究了喷油压力对正丁醇/PODE/柴油混合燃料燃烧的影响, 结果表明, 增大喷油压力使压升率、NOx排放增大, CO、HC和碳烟排放降低.胡斌等(2017)研究了含水乙醇与柴油混合对柴油机性能的影响, 结果表明, 在柴油机上应用含水乙醇/柴油燃料, 理想的喷油压力边界范围会缩窄, 低喷油压力易使燃烧恶化, 高喷油压力易导致工作粗暴.

综上, 乙醇和PODE作为柴油的替代燃料, 在降低排放及改善效率方面具有较高的研究价值, 同时PODE既可作为掺混燃料, 又可作为乙醇/柴油掺混燃料的助溶剂.基于此, 本文创新性地提出将乙醇/PODE/柴油作为一种新型的掺混燃料, 同时耦合喷油参数, 探究不同掺混比例下的乙醇/PODE/柴油混合燃料在不同喷油参数下对燃烧和排放特性的影响, 以期为乙醇和PODE燃料在柴油机上的应用提供参考.

(Test device and research method)

试验在一台进气增压中冷高压共轨六缸直喷柴油机上进行, 发动机具体参数如表 1所示, 图 1为发动机台架示意图.缸内燃烧压力由安装在第六缸的压力传感器(Kistler 6125C, Kistler, 瑞士)、电荷放大器及数据采集系统测量, 放热率通过缸内燃烧压力计算得到.常规气体排放由排放仪(HORIBA MEXA-7100, 日本)测量, HC排放通过加热氢火焰离子法测量, CO排放通过不分光红外分析法测量, NOx排放通过化学发光分析法测量.碳烟排放通过滤纸式烟度计(AVL 415S, 奥地利)测量, 碳烟比排放换算公式为(AVL, 2007)：

式中, E为碳烟的比排放(g · kW-1 · h-1)；FSN为实际测量的烟度值；mair和mfuel分别为实际进气流量和每小时油耗量(kg · h-1)；Pe为发动机有效输出功率(kW).

试验燃油采用国五阶段柴油, 同时分别掺混不同比例的乙醇与PODE, 柴油、乙醇和PODE的性质如表 2所示(Liu et al., 2016；Jin et al., 2019), 其中, 无水乙醇的纯度高于99.7%.由于乙醇与柴油不能完全互溶, PODE不仅可以促进柴油与乙醇完全互溶, 而且可以提高掺混燃料的十六烷值.图 2为柴油、乙醇、PODE在20 ℃下的互溶三元相图.为了确保掺混燃料的互溶性及改善混合燃料的十六烷值, 每种掺混燃料中PODE的掺混体积比例固定为20%, 乙醇的掺混体积比分别为5%、10%、15%, 分别记为DP20、DPE5、DPE10、DPE15, 此外, 纯柴油记为D100.表 3所示为4种混合燃料(DP20、DPE5、DPE10、DPE15)的理化特性(Yanowitz et al., 2014).

由于乙醇和PODE的低热值较柴油小, 为了客观地反映D100、DP20、DPE5、DPE10、DPE15之间的燃油经济性, 采用当量有效燃油消耗率来衡量不同掺混燃料之间的经济性, 计算公式如下所示：

式中, BSFCeq为当量燃油消耗率(g · kW-1 · h-1)；mb为每小时燃油油耗量(kg · h-1)；ρP、ρE和ρD分别为PODE、乙醇和柴油的密度(kg · m-3)；LHVP、LHVE和LHVD分别为PODE、乙醇和柴油的低热值(MJ · kg-1)；φP、φE和φD分别为PODE、乙醇和柴油的体积掺混比例；Pb为发动机有效功率(kW).

试验选用稳态试验循环(WHSC)下的典型工况点进行研究, 转速为1137 r · min-1, 转矩为735 N · m, 该测试点是重型柴油机使用频繁的工况之一.试验采用的喷油策略为满足国VI排放条件的原机脉谱图, 并在该工况点下采用预喷策略, 喷油压力为900 bar, 预喷油量为2.5 mg · cycle-1, 主喷与预喷时刻间隔角为8.5℃A, 主喷和预喷定时分别为-3和-11.5℃A ATDC, 试验中主喷时刻分别为-9、-7、-5、-3、-1℃A ATDC, 喷油压力分别为600、700、800、900、1000、1100 bar, 研究喷油参数对不同燃料燃烧及排放的影响规律.

试验首先将发动机热机, 使冷却水温度达到85 ℃, 机油温度达到95 ℃, 然后将转速与转矩调到1137 r · min-1与735 N · m, 同时环境温度高于20 ℃.每个测试点下, 发动机运行3 min, 确保控制及测量参数稳定, 然后记录缸内燃烧压力、性能及排放测量数据.

图 3为D100、DP20、DPE15在3个不同主喷时刻下的缸内燃烧压力与放热率, 选择较原机喷油推迟的原因是考虑进一步降低NOx排放.图中数据表明, 3种不同燃料的缸内燃烧压力峰值均随主喷时刻提前而增大.这是由于主喷时刻提前, 滞燃期延长, 燃料与空气的混合时间增长, 混合更均匀, 预混燃烧比例增大, 燃烧更充分, 导致缸内燃烧压力峰值增大.

对于D100的放热率曲线, 主喷时刻提前, 放热率峰值增大, 但增大幅度较小, 燃烧始点提前而且更靠近上止点, 使燃烧等容度增强.DP20、DPE15的缸内燃烧压力规律与D100相似, 放热率峰值及燃烧始点的变化规律与D100基本相似, 但DP20、DPE15的放热率曲线均出现了双峰放热现象.双峰放热的第一个峰值为滞燃期内做好燃前准备的混合气预混燃烧所致.乙醇和PODE低热值较低, 使得DP20和DPE15在预混燃烧阶段的放热率峰值低于D100, 因此, 完成预混燃烧后的缸内温度水平也相对较低。D100在较高缸内温度下快速蒸发混合, 进行扩散燃烧, 而DP20和DPE15需待缸内温度继续升高, 才可使蒸发混合速度有明显的加快, 使放热再次加速.由于DPE15更小的低热值及乙醇的汽化潜热高, 使得DPE15的双峰放热更明显.扩散燃烧放热速率取决于油气相互扩散混合速度, 由于乙醇的挥发性好, 所以可看到DPE15的第二个放热率峰值与第一个峰值相差不大, 而DP20的第二个放热率峰值略低于第一个放热率峰值.且随主喷时刻推迟, 滞燃期缩短, 预混燃烧比例减小, 峰值压力及缸内温度水平降低, 使得扩散燃烧开始较晚且扩散燃烧比例增大, 从而有更明显的双峰放热现象.

图 4所示为D100、DP20、DPE5、DPE10、DPE15在主喷时刻为上止点前1℃A时的缸内燃烧压力与放热率曲线.从图中可以看出, 掺混PODE和乙醇时混合燃料的缸内燃烧压力峰值与D100基本保持一致, 对于放热率, 随着掺混PODE和乙醇比例增大, 掺混燃料的放热率峰值逐渐减小, 放热率曲线出现双峰, 而且双峰越来越明显, 同时扩散燃烧速度也逐渐增大.由于PODE和乙醇的低热值较柴油低, 使得掺混燃料的放热率峰值较D100低；同时, PODE和乙醇自身含氧量较高、挥发性较好及PODE具有较好的燃烧特性, 使得掺混燃料的扩散燃烧速率较D100快.这有利于使PODE和乙醇可以通过更快的扩散燃烧速率, 弥补热值低造成的预混放热峰值低的不足, 并弥补由于喷油持续期长造成的燃烧定容度损失(Pellegrini et al., 2012), 使活塞下行燃烧室表面积增加而带来的散热损失也随之降低.

图 5所示为5种试验燃料和主喷时刻对后燃期及燃烧持续期的影响, 可看出掺混PODE和乙醇后, 后燃期和燃烧持续期均缩短。这是由于PODE和乙醇自身含氧量较高、挥发性较好, 在燃烧过程中可提高OH自由基浓度, 有利于增强系统的反应活性, 提高部分反应的反应速率(刘佳林, 2018), 使得掺混燃料的扩散燃烧速率较D100快, 从而缩短后燃期和燃烧持续期.而滞燃期受缸内热氛围、氧氛围及燃料特性的同时影响.随十六烷值降低, 滞燃期延长；随燃料含氧量增多, 滞燃期缩短；而乙醇挥发性好, 有利于提高混合均匀性而缩短滞燃期, 另一方面乙醇的汽化潜热大, 降低了缸内温度, 又使滞燃期延长.从乙醇掺混量由0到15%的4种燃料(DP20、DPE5、DPE10、DPE15), 氧含量依次升高, 有利于缩短滞燃期, 但十六烷值依次降低, 汽化潜热依次增大, 又延长了滞燃期；柴油虽然含氧量为0, 但汽化潜热显著低于乙醇, 略低于PODE.故在以上因素的综合作用下, 5种燃料在相同主喷时刻下的滞燃期差别较小.

图 6为D100、DP20、DPE5、DPE10、DPE15在不同主喷射时刻下的有效燃油消耗率、当量油耗和有效热效率.图 6a表明, 柴油掺混PODE和乙醇后的燃油消耗率大幅上升, 主要是由于PODE和乙醇的低热值较柴油低, 必须增大掺混燃料的喷射量才能获得相同的输出功率.当量油耗是根据柴油热值换算出的油耗, 可以反映不同燃料间的热效率, 高的当量油耗代表低的热效率, 反之亦然.图 6b、6c表明, 掺混PODE和乙醇后有效热效率降低, 但降低幅度不超过1%, 掺混5%乙醇的DPE5燃料的热效率与D100基本相当, 随着乙醇掺混比例增大, DPE10、DPE15的当量油耗增大, 相应的热效率逐渐减小.这主要是因为一方面乙醇的挥发性较好及乙醇中含氧, 使得燃料与空气的混合较好, 提高了扩散燃烧速度, 有利于提高燃烧定容度从而提高热效率；另一方面, PODE和乙醇的粘度较柴油小, 燃油泵驱动低粘度燃油需要消耗更多的能量, 使得有效热效率降低.虽然掺混燃料的后燃期和燃烧持续期较D100短, 但从图 4可以看到, D100的放热相对更集中, 而掺混燃料较迟的扩散燃烧不利于提高其有效热效率.

图 7a为5种试验燃料在不同主喷时刻下的CO排放.CO是燃油在燃烧过程中产生的一种不完全燃烧中间产物, 其生成主要受混合气浓度和缸内燃烧温度的影响, 当反应时间足够长、反应温度足够高、氧浓度足够高时可以进一步完全氧化为CO2.图中数据表明, 随着主喷时刻的推迟, CO排放均升高.主要是因为主喷时刻推迟, 滞燃期缩短, 燃料与空气混合的时间缩短, 不利于燃料与空气的充分均匀混合, 使得预混燃烧速率和燃烧温度下降, 从而使燃料的氧化不够充分, CO排放升高.柴油中掺混PODE和乙醇均会使CO排放降低, 主要因为PODE和乙醇自身含氧量较高, 可以将部分CO氧化；而且PODE的燃烧特性较好, 可促进燃料和空气的混合, 加快掺混燃料的燃烧速率, 使燃烧温度升高, CO排放降低(Pellegrini et al., 2014).不同主喷时刻下DPE5、DPE10、DPE15的CO排放规律不明显, 主要是因为乙醇自身含氧会促进CO的氧化, 但乙醇高的汽化潜热会降低缸内温度, 对CO的氧化不利, 这两方面因素综合影响DPE5、DPE10、DPE15在不同主喷时刻下的CO排放.几种含氧燃料在主喷时刻为-1℃A ATDC时的CO排放与D100在-9℃A ATDC时的CO排放基本相当, 表明即使喷油推迟, 添加乙醇与PODE含氧燃料的CO排放也低于原机纯柴油CO排放.

图 7b为5种试验燃料在不同主喷时刻下的HC排放.HC是燃油在燃烧过程中产生的一种不完全燃烧产物, 在柴油机中主要是由于混合不均匀及燃油雾化质量差而生成.图中数据表明, 随着主喷时刻的推迟, HC排放变化不明显.主要是因为在该工况下不同主喷时刻下的过量空气系数基本一致, 而且喷油压力也一致, 所以导致HC排放变化趋势较小.在柴油中掺混PODE后, HC排放降低, 主要是由于PODE的粘度较低, 喷雾贯穿距减小, 燃油碰壁及壁面淬熄量减少, 同时燃油平均索特直径减小(Li et al., 2016), HC排放降低.在DP20的基础上掺混乙醇后, DPE10和DPE15的HC排放升高, 主要是由于乙醇的挥发性较好, 汽化潜热较高, 使得狭隙内燃料未来得及燃烧及未完全燃烧, 从而使HC排放升高.在不同喷油时刻下, DPE5与DP20的HC排放基本相当并保持最低水平.主要是因为较低的乙醇掺混量使不利于HC氧化的因素影响较小, 而掺混乙醇后进一步提高的含氧量抵消了上述不利于HC氧化的因素, 导致DPE5与DP20的HC排放基本相当.

图 8a为5种试验燃料在不同主喷时刻下的NOx排放.内燃机中NOx生成的主要条件是高温、富氧及足够的反应时间.图中数据表明, 随着主喷时刻提前, NOx排放升高.主要是由于主喷时刻提前, 滞燃期延长, 燃料与空气的混合时间增长, 燃料与空气混合更均匀, 使得预混燃烧比例增大, 缸内燃烧温度提高, 同时高温持续时间延长, NOx排放升高.在D100中掺混PODE和乙醇都会使NOx排放增加, 主要是由于PODE和乙醇自身高的含氧量为NOx生成提供了富氧环境。虽然乙醇汽化潜热较高, 有利于降低缸内燃烧温度从而降低NOx排放, 但在研究工况下, 乙醇汽化潜热降低NOx排放的影响因素较小, 使得较高乙醇掺混比例下的NOx排放更高.

图 8b为5种试验燃料在不同主喷时刻下的碳烟排放.由于柴油机采用扩散燃烧方式, 所以碳烟的生成不可避免, 高温和缺氧是碳烟生成的两个主要因素.图中结果表明, 随着主喷时刻的推迟, 碳烟排放升高.主要是由于主喷时刻推迟, 滞燃期缩短, 进而缩短了燃料与空气的混合时间, 降低了预混燃烧比例, 造成局部缺氧, 从而促进碳烟生成.在D100中掺混PODE和乙醇, 可使碳烟排放大幅度下降.主要有以下几方面原因：第一, PODE和乙醇中的含氧量较高, 改善了局部缺氧状况, 从而促进了碳烟的氧化；第二, PODE分子中没有C—C键, 其分子结构不利于碳烟的生成；第三, 在柴油中添加PODE和乙醇, 降低了芳烃的含量, 从燃料组分本源上减少碳烟的生成；第四, PODE的燃烧特性较好, 使得后燃期缩短, 燃烧温度提高, 有利于碳烟的氧化(Liu et al., 2016).随着喷油时刻推迟, 掺混燃料的碳烟排放升高速率较D100更缓慢, DPE15在-1℃A ATDC下达到了85.5%的最大下降比例, 且在所研究的喷油时刻范围内, 掺混燃料的最高碳烟排放与D100的最低碳烟排放基本相当.由于掺混燃料对碳烟降低幅度较大, 导致喷油时刻对掺混燃料的碳烟排放影响较小.

由图 9可以看出, 掺混PODE和乙醇后可在有效热效率相当的前提下大幅降低碳烟排放, 并改善NOx-soot的tradeoff关系, 合理的喷油正时可得到较低的NOx-soot排放.主要是由于PODE和乙醇自身含氧量较高、挥发性较好的特点极大地改善了局部缺氧, 而扩散燃烧速率的提高又部分弥补了热值低造成的预混放热峰值低的不足及喷油持续期长造成的燃烧定容度损失, 使得掺混燃料在有效热效率相当的前提下大幅降低了碳烟排放；而峰值放热率的下降使缸内最高温度降低, 从而减少了NOx的生成.

图 10为D100、DP20、DPE15在不同喷油压力下的缸内压力和放热率曲线.图中数据表明, 随着喷油压力增大, 放热始点提前, 预喷阶段的放热率峰值和缸内压力减小, 主喷阶段的放热率峰值和缸内压力增大.在主喷阶段, 喷油压力增大, 会增大燃油束的动能, 增大喷油贯穿度, 改善燃油的雾化和蒸发, 从而使燃油和空气混合更均匀并改善燃烧过程, 使放热率峰值和缸内压力增大.在预喷阶段, 由于预喷油量较小, 燃油与空气混合越均匀, 则燃油与空气混合局部更容易导致过稀, 燃烧越不集中, 使得预混放热率峰值和缸内压力减小.

图 11为5种试验燃料在不同喷油压力下的CO和HC排放.图中数据表明, 掺混含氧燃料后, CO和HC排放明显降低, 主要是由于燃料含氧量的增加提供了良好的氧氛围, 促进了CO和HC的氧化.增大喷油压力, 5种试验燃料的CO排放明显减小, 而HC排放略有下降.喷油压力增大可改善燃油与空气的混合过程, 促进CO、HC的氧化, 从而降低CO、HC排放.但油束的周边区域可能会因过度混合而形成过稀混合气, 在超出着火界限的过稀混合气区域, 会产生局部失火或不完全燃烧, 形成HC排放, 使得HC排放随喷油压力下降不明显.此外, 随喷油压力增大, 良好的雾化混合提高了放热速率, 从而提高了缸内燃烧温度, CO在1400 K以上可以被很好地氧化, 而HC的生成较为复杂, 并且在很宽的温度范围内均会生成, 从而使CO排放进一步下降, 而HC排放下降不明显.

图 12为5种试验燃料在不同喷油压力下的NOx和碳烟排放.图中数据表明, 随着喷油压力增大, 5种试验燃料的NOx排放增大, 碳烟排放减小.主要是因为增大喷油压力, 燃油束的动能增大, 从而加速油滴的破碎, 促进燃油的雾化和蒸发, 改善燃油和空气的混合, 使得预混燃烧比例增加, 缸内燃烧温度增大, NOx排放增大, 由于燃油和空气混合更均匀, 减少了局部过浓区域, 使得碳烟排放降低.喷油压力越低, PODE和乙醇对碳烟排放减小的幅度越大；喷油压力越高, NOx增大幅度越大.低轨压时, 混合燃料的碳烟较低, 轨压提高时, 碳烟排放进一步降低不显著, 而低轨压下NOx排放是高轨压下的1/2左右, 因此, 对于混合燃料更低的喷射压力即可实现更清洁的燃烧.这样一方面降低了对轨压的需求, 另一方面也可降低机械损失, 提高整机热效率的潜力.

1) 随PODE和乙醇掺混比例增大, 放热率峰值降低, 放热率出现越来越明显的双峰放热, 扩散燃烧速率增大, 有效燃油消耗率增大, 有效热效率降低, 但降低幅度小于1%.几种掺混燃料中DPE5的热效率最高且与柴油相当.

2) 掺混PODE和乙醇可使CO和HC排放降低；掺混燃料的CO排放随主喷时刻推迟和喷油压力降低而升高, HC排放随主喷时刻变化不明显, 随喷油压力增大而小幅降低.在不同喷油时刻和喷油压力下, DPE5和DP20的HC排放在几种掺混燃料中整体保持较低水平；几种掺混燃料的CO排放基本相当, 主要受喷油时刻和喷油压力影响.

3) 掺混PODE和乙醇可使NOx排放增大, 碳烟排放大幅降低.随喷油压力增大, 掺混燃料的NOx排放的增幅较D100逐渐变大, 喷油压力和喷油时刻对掺混燃料碳烟排放的影响较D100小.在不同喷油时刻和喷油压力下, 几种掺混燃料中DPE10和DPE15的NOx排放高于DPE5和DP20, 只有在较晚喷油时刻和较低喷射压力下不同掺混燃料的碳烟排放才存在差异.