孟 鑫，李瑞娜，李龍海，祁玉龍，田 晶

(1.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

醚類、酯類和醇類等含氧燃料，由于其低排放和可再生性，被視為理想的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料.醇類燃料被認(rèn)為是傳統(tǒng)石化燃料的一種替代品[1].甲醇和乙醇等低碳醇，由于其高辛烷值，常被用于汽油添加物[2-4].丁醇和戊醇等高碳醇，更適合作為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料[5-7].醚類和酯類燃料的十六烷值較高，常被用作柴油替代燃料.與酯類相比，醚類燃料的含氧量更高，碳煙排放更低[8].聚氧甲基二甲醚(PODE)是一種醚類混合物，其分子式為CH3(CH2O)nCH3，n為CH2O基團(tuán)的數(shù)目.PODE十六烷值高，含氧量接近50%，作為一種理想的柴油添加劑得到了廣泛關(guān)注.PODE2沸點(diǎn)低，PODE6溶點(diǎn)高，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、低溫性能和燃料流動(dòng)性造成威脅[9].因此，PODE主要包含PODE3、PODE4和PODE5.

PODE在我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，為其在柴油機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[10-11].近年來，很多學(xué)者開展了PODE在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究.Wang等[12]研究了PODE在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性,PODE在HCCI燃燒模式下呈現(xiàn)高、低溫兩段式放熱.隨著當(dāng)量比的提高，低溫放熱滯后.在同一當(dāng)量比下，EGR率越大，高低溫放熱相位越后,添加PODE可以顯著改善柴油機(jī)熱效率，降低排放，尤其是碳煙排放.Wang等[13]在大功率柴油機(jī)上開展了PODE/汽油混合燃料部分預(yù)混燃燒的研究.研究結(jié)果表明，摻混PODE可降低最大壓力升高率，減少CO和HC排放，并且在不影響燃油經(jīng)濟(jì)性的情況下同時(shí)降低NOx和顆粒物的排放.Huang等[14-16]在高壓共軌柴油機(jī)上開展了PODE/正丁醇/柴油混合燃料的實(shí)驗(yàn)研究.在正丁醇/柴油混合燃料中添加PODE可有效減少CO、HC、NOx和顆粒物的排放，并降低最大壓力的升高率.Tian等[17]研究了摻混PODE對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放特性以及顆粒捕集器(DPF)再生的影響,在柴油中摻混PODE增加了揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低了干碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù),當(dāng)PODE的摻混比為20%～80%時(shí)，DPF的再生性能最佳.

在高壓共軌系統(tǒng)上，研究了添加PODE對(duì)于柴油噴霧特性的影響[18].實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在柴油中添加PODE可縮短噴射貫穿距離，增大噴射錐角，從而獲得更優(yōu)的噴霧特性.He等[19]開發(fā)了用于描述PODE3著火特性的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，并采用在快速壓縮機(jī)上獲得的著火延遲期和在單缸HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃燒特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證.

綜上可知，在柴油中添加PODE可降低柴油機(jī)的排放，推遲柴油機(jī)放熱相位.但是，摻混PODE對(duì)柴油著火性能的影響和機(jī)理尚不明確.本文在一臺(tái)CFR(coorperative fuel research)發(fā)動(dòng)機(jī)上開展摻混PODE對(duì)柴油著火性能影響的實(shí)驗(yàn)研究，并利用已有的PODE機(jī)理和正庚烷機(jī)理，構(gòu)建包含PODE和正庚烷的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，對(duì)柴油/PODE混合燃料的點(diǎn)火性能進(jìn)行數(shù)值研究.

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與數(shù)值模擬

1.1 CFR發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文采用的CFR發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由一臺(tái)CFR發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃料噴射系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示[20-23].CFR發(fā)動(dòng)機(jī)為兩氣門單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，排量0.61 L，燃燒室為平頂燃燒室.CFR發(fā)動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速固定兩檔：600 r/min或900 r/min.該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比靈活可調(diào)，可調(diào)范圍4.0～15.7.CFR發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 CFR發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件參數(shù)

圖1 CFR發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

CFR發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣源為壓縮空氣，進(jìn)氣壓力通過壓力調(diào)節(jié)閥控制，壓力范圍0.1～0.3 MPa.進(jìn)氣管路中安裝進(jìn)氣加熱器，在空氣與燃料混合前對(duì)壓縮空氣進(jìn)行預(yù)加熱.進(jìn)氣道長(zhǎng)1.7 m，確保空氣與燃料噴霧在進(jìn)氣道中有充分的時(shí)間均勻混合.進(jìn)氣道外包裹大功率電子加熱帶，可將進(jìn)氣道內(nèi)混合氣溫度最高加熱到260 ℃，保證大分子燃料在進(jìn)氣道內(nèi)完全氣化.沿進(jìn)氣道均勻布置5個(gè)熱電偶，監(jiān)測(cè)進(jìn)氣道內(nèi)混合氣溫度并反饋給溫度控制器，實(shí)時(shí)控制不同位置加熱帶的加熱功率.燃料通過安裝在氣道頂端的噴油器噴入氣道，噴油器噴射壓力4.83 MPa，噴射頻率10 Hz.根據(jù)進(jìn)氣流量和燃料流量，采用LabVIEW驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)時(shí)調(diào)整噴射脈寬，控制混合氣當(dāng)量比.CFR發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由安裝在曲軸上的Accu-Coder角標(biāo)儀測(cè)量，采用Kistler 6052B壓電式壓力傳感器測(cè)量燃燒室的缸內(nèi)爆發(fā)壓力，壓力、溫度和轉(zhuǎn)速信號(hào)均由LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄.CFR發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的CO，CO2和O2采用AVL CEB排放分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量.

1.2 實(shí)驗(yàn)燃料與實(shí)驗(yàn)工況

本文采用的PODE燃料中，PODE3、PODE4、PODE5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為88.9%、2.6%、8.5%.柴油采用的是市場(chǎng)上銷售的柴油.柴油/PODE混合燃料，當(dāng)PODE體積分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)，會(huì)腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)中的彈性橡膠部件.因此，采用的混合燃料中PODE的體積分?jǐn)?shù)為0～30%.例如，D70/P30混合燃料指混合燃料中，柴油體積分?jǐn)?shù)為70%，PODE的體積分?jǐn)?shù)為30%.本文所研究的柴油/PODE混合燃料的性質(zhì)如表2所示.

表2 混合燃料的主要性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)氣溫度加熱到533 K，確保柴油/PODE混合燃料在進(jìn)氣道中充分氣化.CFR發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速為900 r/min.為保證CFR發(fā)動(dòng)機(jī)工作在HCCI燃燒模式下，混合氣當(dāng)量比控制在0.5.每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，從CFR發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比4.0開始，逐步增大壓縮比(每次間隔0.3～0.5)，直至獲得臨界壓縮比(critical compression ratio：CCR).每次調(diào)整完壓縮比，使CFR發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行5～10 min后，記錄各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

1.3 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

采用Ren等[24]構(gòu)建的包含正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理和PODE子機(jī)理的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理.該化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理是在PRF(primary reference fuel)機(jī)理和PODE子機(jī)理的基礎(chǔ)上構(gòu)建而來的.PODE機(jī)理[19]包含225個(gè)物種，1 082步基元反應(yīng)，能夠描述PODE3在中低溫區(qū)間的著火特性.PRF機(jī)理是在Wang等[25]開發(fā)的TRF(toluene reference fuel)機(jī)理的基礎(chǔ)上采用層次化結(jié)構(gòu)構(gòu)建的，包含了11種組分的子機(jī)理(正庚烷、異辛烷、乙醇、甲醇、甲苯、正癸烷、正十二烷、正十六烷、二異丁烯、環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷).這兩個(gè)機(jī)理均被著火延遲期、射流攪拌器(JSR)物種濃度等一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所驗(yàn)證.構(gòu)建的包含PODE和正庚烷的簡(jiǎn)化機(jī)理采用在激波管和快速壓縮機(jī)上獲得的著火延遲期和柴油機(jī)上測(cè)得的燃燒特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 柴油摻混PODE對(duì)CFR發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

CO主要是在低溫反應(yīng)區(qū)間由甲醛分解而成的[26].在高溫燃燒時(shí)，CO迅速氧化成CO2，含量急劇降低.因此，CO和CO2含量的變化趨勢(shì)可以用來表征燃料在CFR發(fā)動(dòng)機(jī)中的著火特性.當(dāng)量比為0.5，燃用不同PODE摻混比燃料的CFR發(fā)動(dòng)機(jī)CO和CO2排放變化趨勢(shì)如圖2所示.燃用純柴油，不同壓縮比下CO和CO2的排放如圖2(a)所示.隨著壓縮比的提高，CO2排放先緩慢提高，在某一特定壓縮比下急劇增加；同時(shí)，CO排放先增加，在某一特定壓縮比下突然下降.將CO排放陡降而CO2排放急劇上升所對(duì)應(yīng)的壓縮比定義為臨界壓縮比(CCR).臨界壓縮比前，CO排放越多，表明燃料的低溫氧化活性越強(qiáng).圖2(b)所示，隨著PODE摻混比的提高，CO排放略有增加.這表明摻混PODE有助于提升混合燃料的低溫氧化活性.氧化活性的提高，會(huì)導(dǎo)致燃料臨界壓縮比的降低.4種燃料中柴油的CCR最高為8.6；P30的CCR最低為7.3，P30氧化活性最大.因此，在柴油中摻混PODE可提高燃料在低溫反應(yīng)區(qū)間的氧化活性.

圖2 當(dāng)量比為0.5時(shí)各混合燃料在不同壓縮比下的CO、CO2排放趨勢(shì)

隨壓縮比升高，柴油和P30的放熱率曲線分別如圖3(a)、3(b)所示.對(duì)于柴油和P30兩種燃料，隨壓縮比升高，放熱率曲線從僅有低溫放熱，演變?yōu)榈蜏胤艧岷透邷胤艧岵⒋娴膬呻A段放熱.柴油的高溫放熱出現(xiàn)在壓縮比為8.0時(shí)，其CCR為8.6.隨壓縮比提高，柴油低溫放熱的相位和放熱率峰值變化不明顯.P30混合燃料的高溫放熱出現(xiàn)在壓縮比為7.0時(shí)，其CCR為7.3.P30的低溫放熱率峰值相位隨壓縮比提高而明顯提前.這表明，在柴油中摻混PODE，可以促進(jìn)低溫氧化反應(yīng)的發(fā)生.圖3(c)為壓縮比為7.3時(shí)4種燃料的放熱率曲線.當(dāng)壓縮比為7.3時(shí)，柴油和P10的放熱率曲線均只觀察到低溫放熱，P20和P30混合燃料的放熱率曲線可以觀察到低溫放熱和高溫放熱兩階段放熱.圖3(d)比較了4種燃料在CCR時(shí)的放熱率曲線.4種燃料在CCR時(shí)，放熱率曲線均呈現(xiàn)兩階段放熱，且隨PODE摻混比提高，低溫放熱曲線相位提前，低溫放熱量增加.低溫放熱又稱低溫冷焰放熱，可表征燃料的低溫反應(yīng)活性.低溫反應(yīng)活性可以通過計(jì)算低溫放熱占比(ψ)來進(jìn)行量化[27]，即

(1)

由圖3(e)可見，隨PODE摻混比提高，ψ越高.4種燃料中，柴油的ψ最低，為4.16%；P30的ψ最高，為9.62%.因此，摻混PODE有利于提高混合燃料的低溫反應(yīng)活性.

圖3 放熱率隨PODE摻混比變化規(guī)律

2.2 柴油中摻混PODE對(duì)燃料燃燒過程的影響

柴油是一種復(fù)雜烴類混合燃料，而PODE是具有類似分子結(jié)構(gòu)的醚的混合燃料，如PODEn(n=3～8).正庚烷的燃燒特性和放熱率與柴油類似[28].試驗(yàn)用PODE混合燃料中占比最大的為PODE3.因此，在數(shù)值模擬中，用正庚烷代替柴油，用PODE3代表PODE混合燃料.模擬初始條件設(shè)定：當(dāng)量比0.5、初始?jí)毫? MPa、初始溫度850 K，接近CFR發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)的工況.為研究PODE在柴油中摻混后的燃燒特性，采用Chemkin軟件的HCCI燃燒模塊分析了純正庚烷和30%PODE/70%正庚烷混合燃料的燃燒過程.

基于PODE/正庚烷反應(yīng)機(jī)理計(jì)算得出的燃燒過程中各物種的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，如圖4所示.與純正庚烷相比，PODE/正庚烷混合燃料的OH*和CH2O*的生成更快.這與摻混PODE混合燃料著火滯燃期更短，CCR更低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng).此外，與CFR發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)得的放熱率一致，模擬計(jì)算的放熱率呈現(xiàn)高、低溫兩階段放熱.正庚烷燃燒過程中關(guān)鍵的中間物種如圖4(a)所示.燃燒起始階段，正庚烷通過H提取、O2加成和異構(gòu)化反應(yīng)分解為相對(duì)穩(wěn)定的KHP化合物.在800 K溫度下，KHP的生成速率遠(yuǎn)大于分解速率，因此形成了一個(gè)KHP自由基池.隨溫度上升，KHP加速分解，導(dǎo)致低溫放熱.CH2O*由KHP直接分解而來，是第一階段放熱的標(biāo)志性產(chǎn)物.第一階段放熱過程中另一關(guān)鍵物種是由兩個(gè)超氧化氫(HO2*)自由基合成的過氧化氫(H2O2*).溫度升高到1 000 K時(shí)，H2O2*分解為兩個(gè)激發(fā)態(tài)OH*自由基.這一反應(yīng)會(huì)釋放大量熱量，使溫度上升至著火臨界溫度.此時(shí)，未燃的正庚烷被激發(fā)態(tài)OH*自由基迅速分解.激發(fā)態(tài)OH*自由基的快速生成和正庚烷的分解導(dǎo)致了著火的發(fā)生.因此，激發(fā)態(tài)OH*自由基的大量生成是第二階段放熱的標(biāo)志.CO在燃燒過程中也至關(guān)重要，大部分CO是在第二階段放熱初期產(chǎn)生的.當(dāng)溫度上升到最高點(diǎn)時(shí)，CO迅速氧化為CO2，標(biāo)志第二階段放熱結(jié)束.圖4(b)為PODE/正庚烷混合燃料燃燒過程的關(guān)鍵中間產(chǎn)物.PODE/正庚烷混合燃料的燃燒過程與純正庚烷燃燒過程大致相同.但是，關(guān)鍵物種CH2O*和激發(fā)態(tài)OH*自由基的生成有所不同：PODE/正庚烷混合燃料關(guān)鍵物種的生成速率比純正庚烷相位提前.這一結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符.

圖4 燃燒過程中各物種的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)

CH2O*自由基是第一階段低溫放熱的標(biāo)志；OH*自由基是第二階段高溫放熱的標(biāo)志.為研究摻混PODE對(duì)CH2O*和OH*生成的影響，對(duì)純正庚烷和PODE/正庚烷混合燃料的CH2O*和OH*生成速率進(jìn)行分析.選擇CH2O*和OH*自由基池形成前的時(shí)刻(0.25 ms和2.75 ms)，進(jìn)行分析.

CH2O*自由基池形成前(0.25 ms)，正庚烷和PODE/正庚烷混合燃料的CH2O*生成和消耗反應(yīng)如圖5所示.CH2O*的主要消耗路徑是一系列的鏈分支反應(yīng)：CH2O*與OH*、HO2*、H*和O*自由基，以及O2反應(yīng)生成HCO*自由基的反應(yīng)(#431、#434、#435、#436和#437).在0.25 ms時(shí)，正庚烷和PODE/正庚烷混合燃料的CH2O*的主要消耗反應(yīng)和消耗速率相近.而正庚烷和PODE/正庚烷混合燃料的CH2O*的主要生成反應(yīng)則大不相同.正庚烷燃料中，對(duì)CH2O*生成貢獻(xiàn)最大的是KHP化合物的分解反應(yīng)(#125)，其余生成CH2O*較快的反應(yīng)為C0～C4的底層機(jī)理反應(yīng).PODE/正庚烷混合燃料的CH2O*主要生成路徑為甲基二氧基(CH3OCH2O2)分解為2個(gè)CH2O*和1個(gè)OH*自由基的反應(yīng)(#147)，其生成速率比正庚烷CH2O*生成速率最大的#125反應(yīng)大了10倍以上.另2個(gè)與PODE相關(guān)的反應(yīng)：PODE3分解為PODE2和CH2O*(#57)和PODE2分解為DMM和CH2O*(#98)的CH2O*生成速率大于正庚烷CH2O*生成速率的總和.此外，由于PODE的高含氧量，PODE/正庚烷混合燃料的燃燒過程中，O2和O*參與的反應(yīng)均被加強(qiáng)，其余對(duì)CH2O*生成貢獻(xiàn)率較大的反應(yīng)為一系列氧加成反應(yīng).正庚烷CH2O*總生成速率為1.89×10-6mol/cm3·s；PODE/正庚烷混合燃料的CH2O*總生成速率為1.02×10-4mol/cm3·s，為正庚烷CH2O*生成速率的100倍以上.因此，CH2O*凈生成率的顯著差異是造成兩種燃料低溫反應(yīng)活性差異的原因之一.

圖5 CH2O*自由基池形成前(0.25 ms)CH2O*生成和消耗反應(yīng)

OH*自由基池形成前(2.75 ms)時(shí)，正庚烷和PODE/正庚烷混合燃料的OH*生成和消耗反應(yīng)如圖6所示.兩種燃料的OH*的生成路徑均為底層機(jī)理的小分子反應(yīng).兩種燃料燃燒過程中，幾乎一半的OH*自由基都來自H2O2分解為2個(gè)OH*的反應(yīng)(#407)，且PODE/正庚烷的#407反應(yīng)的OH*生成分速率大于正庚烷的#407反應(yīng).摻混PODE后，O2和O*參與的反應(yīng)(#392、#393和#403)被加強(qiáng)，這三個(gè)反應(yīng)的OH*生成速率是正庚烷的3倍.在2.75 ms時(shí)，正庚烷總OH*生成速率為4.04×10-2mol/cm3·s，而PODE/正庚烷混合燃料的OH*總生成速率為18.04×10-2mol/cm3·s，為正庚烷OH*生成速率的4.47倍.因此，摻混PODE后，燃料的高溫放熱提前.

圖6 OH*自由基池形成前(0.25 ms)OH*生成和消耗反應(yīng)

3 結(jié)論

在CFR發(fā)動(dòng)機(jī)上,研究了PODE/柴油混合燃料的著火特性.利用CH2O*和OH*光譜信號(hào)，區(qū)分了燃料的物理滯燃期和化學(xué)滯燃期.在改進(jìn)型CFR發(fā)動(dòng)機(jī)上,測(cè)量了PODE對(duì)燃燒特性和放熱率的影響.利用Chemkin軟件，基于正庚烷和PODE3的混合機(jī)理，進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了PODE對(duì)燃料燃燒過程的中間產(chǎn)物生成和消耗的影響，進(jìn)一步分析了PODE對(duì)燃燒過程的影響，為分析燃燒柴油/PODE混合燃料排放特性提供理論基礎(chǔ).得到主要結(jié)果如下：

1)隨著PODE摻混比的提高，混合燃料的臨界壓縮比減小.在CFR發(fā)動(dòng)機(jī)的HCCI燃燒模式下，試驗(yàn)燃料均呈現(xiàn)出高、低溫兩段式放熱.CFR發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比提高，柴油低溫放熱初始相位保持不變，而PODE/柴油混合燃料的低溫放熱相位提前.此外，混合燃料中PODE含量越高，混合燃料的低溫放熱相位提前，低溫放熱量越大，低溫放熱所占比例越高.

2)PODE分子的分解反應(yīng)會(huì)促進(jìn)低溫放熱前CH2O*自由基池的形成，加速低溫放熱的進(jìn)行.由于PODE的高含氧量，添加PODE會(huì)增強(qiáng)O2和O*參與的反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高混合燃料的低溫反應(yīng)活性.此外，摻混PODE也可促進(jìn)OH*自由基的生成，從而導(dǎo)致高溫放熱相位的提前.