高原環境下聚甲氧基二甲醚對柴油機燃燒和排放性能的影響

蘇鵬，楊鑫，張永虎，陳然，熊云

（1.陸軍勤務學院 油料系，重慶 401311；2.軍需能源質量監督總站，北京 100071；3.軍需能源質量監督總站濟南質量監督站，濟南 250100）

0 概述

中國高原面積廣闊，有青藏高原、云貴高原、內蒙古高原、黃土高原四大高原，其中青藏高原面積就高達250萬km2，平均海拔達4 000 m。高原地區空氣稀薄，氧含量少，氣候條件惡劣，內燃機在高原環境工作時會出現動力性、燃油經濟性和尾氣排放性能惡化的情況，嚴重影響了動力裝備的使用性能。由于中國高原地區具有重要戰略地位，改善軍用動力裝置高原適應性對提高軍用動力裝備的作戰能力具有重要意義［1-2］。

為解決柴油機高原工作問題，科研人員從燃料特性的角度進行了大量研究：文獻［3］中考察了模擬高原條件下二乙二醇二甲醚與柴油摻混時對柴油機工作性能的影響；文獻［4］中考察了高原環境下新型無灰助燃劑對柴油機性能的影響；文獻［5］中將乙醇和柴油摻混為混合燃料，以高壓共軌柴油機為對象，考察高原環境下該含氧燃料對柴油機經濟性、燃燒特性及排放特性的影響。此外，關于正丁醇、戊醇、生物柴油摻混柴油時混合燃料的應用研究也很廣泛［6-9］。

近年來，聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）因具有高十六烷值、高含氧量、不含硫和芳烴、蒸發性好、易與柴油互溶等優點，成為了備受關注的新型含氧燃料［10］。本文中通過試驗研究了高原環境下柴油機燃用車用柴油與PODE摻混燃料對柴油機外特性及燃燒特性的影響，為改善柴油機高原工作惡化提供數據和理論支撐。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗用燃料

試驗用燃料包括0號車用柴油（國Ⅵ）和在市售0號車用柴油中摻混體積分數10%和20%的PODE的混合燃料，兩種混合燃料分別記為D10柴油和D20柴油。燃料的主要理化性能如表1所示。由表1可知，與0號車用柴油相比，摻入PODE后十六烷值和密度略有上升，熱值、運動黏度和冷濾點略有下降。根據GB 19147—2016《車用柴油（Ⅵ）》可知D10和D20密度不符合要求，且D20運動黏度不符合要求。此外，由表1可知，含氧燃料隨氧質量分數的升高熱值出現下降，這主要是因為氧原子的加入降低了燃料分子中碳和氫的質量分數。

表1 燃料的主要理化性質

1.2 試驗方法與測試系統

試驗發動機為某軍用泵機組用柴油機，型式為直列6缸風冷，其主要參數見表2。測試設備和儀器包括湖南湘儀動力測試有限公司FC2000型發動機測控系統、GW250型電渦流測功機、上海同圓發動機測試工程技術有限公司CMFG010瞬時油耗儀、佛山南華儀器有限公司NHA-506型廢氣分析儀、瑞士KISTLER公司Kibox燃燒分析儀搭配KISTLER 6125c缸壓傳感器、KISTLER 2613B曲軸信號傳感器。

表2 試驗發動機主要參數

采用內燃機大氣模擬試驗臺架模擬高原進氣條件，開展內燃機在模擬高原進氣條件下燃用含氧柴油的動力性研究，如圖1所示。其中進氣壓力模擬裝置利用大型真空罐調節進氣壓力，模擬不同海拔地區的進氣條件。

圖1 內燃機大氣模擬試驗臺架系統

1.3 試驗方案

參照GB/T 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》，不對發動機結構和參數作任何調整，模擬海拔0 m（100 kPa）、1 000 m（90 kPa）、2 000 m（80 kPa）、3 000 m（70 kPa）、4 000 m（60 kPa）的大氣壓力，測定柴油機燃用0號車用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油時的外特性曲線，比較三者動力性、經濟性和排放性。

燃燒特性選用模擬海拔為4 000 m，發動機轉速2 000 r/min、100%負荷工況，通過燃燒分析儀測量缸壓、瞬時放熱率等。以燃燒放熱量5%作為燃燒起點CA5，燃燒放熱量95%作為燃燒終點CA95，噴油始點到CA5對應的曲軸轉角為滯燃期，CA5到CA95所對應的曲軸轉角為燃燒持續期。

2 試驗結果及分析

2.1 PODE對發動機動力性的影響

分別考察了模擬海拔為0、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m時，發動機燃用0號車用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油時發動機外特性輸出功率情況，結果如圖2所示。由圖2可知，在模擬海拔低于1 000 m時，發動機燃用D10含氧柴油相對燃用0號車用柴油功率下降約0%～3%，燃用D20含氧柴油功率下降約4%～7%。在模擬海拔2 000 m、3 000 m時，發動機燃油3種油品的功率相差不大。在模擬海拔4 000 m條件下相比燃用柴油時，發動機燃用D10、D20含氧柴油時動力性能得到提升，平均功率分別增加3.0%、3.6%；當發動機轉速達到2 000 r/min時，發動機燃用D10、D20含氧柴油功率增幅最大，分別提高5.8%、6.2%。

圖2 不同海拔下燃用不同燃料時發動機外特性輸出功率

2.2 PODE發動機燃燒特性分析

模擬海拔為4 000 m時，發動機轉速2 000 r/min、100%負荷工況下燃用0號車用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油時缸內壓力與瞬時放熱率曲線見圖3、圖4，具體的發動機燃燒特征參數見表3，燃燒參數為100個循環的統計值。本文中上止點前曲軸轉角記為負值，上止點后曲軸轉角記為正值。

圖3 模擬海拔4 000 m下燃用不同燃料時的缸壓

圖4 模擬海拔4 000 m下燃用不同燃料時的放熱率

表3 發動機燃燒特征參數

由圖3可知，模擬海拔4 000 m條件下，與燃用0號車用柴油比，發動機燃用D10、D20含氧柴油后氣缸壓力升高，峰值缸壓由6.5 MPa分別提高到6.8 MPa和6.9 MPa，缸壓提升了5.5%、6.9%。

由圖4可知，模擬海拔4 000 m條件下，較燃用0號車用柴油比，燃用D10、D20含氧柴油后放熱率峰值位置前移，分別前移約1°、2°；峰值放熱率由144 J/（°）提高156 J/（°）和155 J/（°），升幅達8%。由表3可知，摻混PODE后滯燃期縮短，燃燒持續期縮短。這主要是由于PODE改善了燃料的十六烷值，縮短了滯燃期；在高原缺氧條件下PODE為燃燒提供了氧，增加了火焰溫度和火焰傳播速度，促進了擴散燃燒速度，從而使燃燒持續期縮短，提高了燃燒效率，放出了更多熱量；此外PODE的黏度低，改善了含氧燃料的蒸發和霧化性能，在缸內更容易形成均勻混合氣，也有利于提高燃燒效率［11-12］。

由3種油品的熱值分析可知，0號車用柴油熱值為46.7 MJ/kg，D10含氧柴油的熱值為42.8 MJ/kg，D20含氧柴油的熱值為41.9 MJ/kg，0號車用柴油熱值明顯高于混合柴油。因此在進氣氧含量充足的低海拔地區，燃料能基本充分燃燒，熱值更高的0號車用柴油在動力性方面更占優勢，燃用含PODE的混合柴油動力性較差。

而在高海拔地區，進氣氧含量不足的條件下，0號車用柴油燃料不能充分燃燒。而PODE的加入提供了燃燒需要的氧，且PODE中C—O鍵鍵能比車用柴油中烴類的C—C鍵鍵能低，更容易斷裂生成自由基［13］，縮短了滯燃期和燃燒持續期，提高了缺氧條件下的燃燒效率，放出了更多熱量。發動機的動力性也隨PODE添加量上升或海拔上升，逐漸接近甚至超過0號車用柴油。

2.3 PODE對發動機燃油經濟性的影響

考察了海拔為0、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m時，發動機燃用0號車用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油時外特性燃油經濟性情況，結果如圖5所示。由圖5可知，在模擬海拔低于2 000 m時，燃用含氧柴油的燃油經濟性低于0號車用柴油，其中燃用D20含氧柴油的燃油經濟性最差。在模擬海拔為0、1 000 m、2 000 m時燃用D20含氧柴油燃油經濟性較燃用0號車用柴油燃油平均下降了1.2%、1.8%、1.4%。在模擬海拔為3 000 m時，燃用含氧柴油的燃油經濟性與燃用0號車用柴油相當。但在模擬海拔為4 000 m時，燃用含氧柴油的燃油經濟性超過0號車用柴油，燃用D10含氧柴油和燃用D20含氧柴油比燃用0號車用柴油燃油經濟性平均提高0.7%和1.2%。

圖5 不同海拔下燃用不同燃料時的燃油消耗率

本次設置的臺架試驗中，影響油耗的因素主要是燃料熱值和添加劑添加量。在模擬海拔低于2 000 m時，燃料燃燒比較充分，主要影響因素是燃料的熱值。由3種油品的熱值分析可知，添加該含氧燃料添加劑越多，燃料熱值越低，其燃油經濟性就越差。在模擬海拔為3 000 m時，隨著進氣量減少，燃料燃燒越來越不充分，含氧柴油的優勢開始逐步體現出來，其燃油經濟性逐漸與0號車用柴油持平。在模擬海拔為4 000 m時，PODE的加入改善了高海拔缺氧導致的不完全燃燒，提高了燃燒效率，含氧柴油的燃油經濟性已超過0號車用柴油，PODE的添加量成為影響油耗的主要因素。

2.4 PODE對發動機排放特性的影響

2.4.1 對CO和HC排放的影響

考察了模擬海拔為0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m時，發動機燃用0號車用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油時外特性CO和HC排放情況，結果如圖6、圖7所示。

由圖6可知，隨著模擬海拔高度的增加，尾氣中CO的排放逐漸增加。這主要由于隨著進氣量氧氣的減少導致燃料燃燒不充分，使發動機的CO和HC等尾氣排放增加。在模擬海拔0～4 000 m之間，添加PODE后CO的排放減少；對比兩種不同添加量的含氧柴油，燃用D20含氧柴油的CO排放量更低，在模擬海拔為0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m時燃用D20含氧柴油燃油CO排放量較燃用0號車用柴油平均下降了49%、44%、47%、53%、45%。PODE的加入有利于促進混合氣的形成和燃燒，氣缸內不完全燃燒的現象削弱，CO排放降低。

圖6 不同海拔下燃用不同燃料時的CO排放

由圖7可知，隨著模擬海拔高度的增加，尾氣中HC的排放逐漸增加。在模擬海拔0～4 000 m之間，添加PODE后HC的排放減少。對比兩種不同添加量的含氧柴油，燃用D20含氧柴油的HC排放量更低，在模擬海拔為0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m時柴油機燃用D20含氧柴油燃油HC排放量較燃用0號車用柴油HC排放量平均下降了33%、27%、46%、48%、46%。PODE的加入使燃料中氧的質量分數增加，缸內不完全燃燒的狀態得以改善，降低了HC的排放。

圖7 不同海拔下燃用不同燃料時的HC排放

2.4.2 對NOx排放的影響

不同海拔下NOx的排放見圖8。由圖8可知，隨著模擬海拔高度的增加，尾氣中NOx排放逐漸增加，這主要由于隨著進氣量氧氣的減少，燃料燃燒不充分，導致缸內燃燒溫度降低，NOx排放減少。在模擬海拔0～4 000 m之間，添加PODE后NOx的排放增加，尤其是模擬海拔超過2 000 m以后，含氧燃料使發動機的NOx排放增加更明顯。對比兩種不同含氧柴油，燃用D20含氧柴油時NOx排放更高。在模擬海拔為0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m時柴油機燃用D20含氧柴油的NOx排放量較燃用0號車用柴油分別上升了5%、2%、13%、11%、11%。

圖8 不同海拔下燃用不同燃料時的NOx排放

根據澤爾多維奇NOx生成機理，最高燃燒溫度、高溫下的滯留時間及燃燒過程中的氧濃度決定了柴油機的NOx排放量［14］。雖然PODE的加入使燃料熱值降低及燃燒持續期縮短，但同時也增加了燃燒過程中的氧濃度，綜合效果是使NOx排放量增加，這也解釋了PODE摻混越多則NOx的排放也越多。結合圖4可知，當模擬海拔為4 000 m時，摻混PODE后燃料峰值放熱率增加，加快了燃燒速度，提高了燃燒火焰溫度，這也加劇了NOx的排放，使其排放較平原增加幅度更大。

3 結論

（1）在模擬低海拔低于1 000 m時，柴油機燃用摻混PODE燃料后動力性出現下降，其中燃用D20含氧柴油動力下降較大，下降4%～7%；當模擬海拔2 000 m、3 000 m時，柴油機燃用兩種燃料時動力相差不大；當模擬海拔上升到4 000 m時，柴油機燃用D10、D20含氧柴油時功率出現上升，平均升高3.0%、3.6%。

（2）在模擬海拔4 000 m時，100%負荷下燃用摻混PODE燃料后柴油機缸壓升高，峰值放熱率提高，燃燒相位前移，滯燃期縮短，燃燒效率升高。在本試驗條件下，摻混PODE后燃燒的滯燃期和燃燒持續期均短于燃燒0號車用柴油。

（3）低海拔條件下熱值是影響柴油機油耗的關鍵因素，模擬海拔低于2 000 m時，柴油機燃用D20含氧柴油平均油耗增加了1.2%～1.8%；隨著海拔逐漸升高，摻混PODE燃料后燃油經濟性逐漸提高，模擬海拔達到4 000 m時，柴油機燃用D20含氧柴油燃油平均經濟性提高1.2%。

（4）不同海拔下柴油摻混PODE后，柴油機尾氣中CO、HC排放均下降，但NOx體積分數稍有增加；在模擬海拔超過2 000 m、PODE添加體積分數為20%時對排放性能影響較大，具體表現為CO、HC的排放相對降低而NOx的排放相對增加。