PODE煤基燃料对柴油机的燃烧与排放特性研究

陶冠臻

(集美大学轮机工程学院，厦门 361021)

0 引 言

柴油机在动力性和燃烧效率方面都远优于汽油机，广泛应用于重型机械和工程建设领域，但是柴油机的废气排放问题一直是研究者们关注的焦点，为了应对更为严苛的排放标准，各国研究者们都提出了很多具有建设性的改进建议，例如改善柴油机的燃烧方式(均质压燃技术[1]、低温燃烧技术[2]、无氮燃烧技术[3]等等)、柴油机的尾气净化处理(加装尾气净化装置、尾气颗粒捕捉器等等)、采用含氧混合燃料(生物柴油、煤基燃料)，其中第一种改善排放问题的方法尚在研发当中还存在着许多缺点，第二种方法所能起到的作用有限，所以在现阶段有效且具体可行的方案是第三种，含氧混合燃料是指将醇类，醚类、酯类含氧燃料以一定比例与柴油混合改变柴油的理化特性，进而改善柴油机的燃烧和排放特性。

煤炭作为中国的最主要化石燃料大约占每年的化石燃料消耗量的70%，煤炭主要应用于火力发电以及提取工业原料[4]，中国已经具有较为成熟的煤炭应用技术，通过一定的转换方法可以将煤炭转换成其它形式的能源，例如通过煤炭裂解技术将煤炭分解成二甲醚或者甲醇，通过煤炭液化技术将煤炭间接或者之间转换成燃油，由此可以为新型含氧燃料的开发提供新的思路。

聚甲氧基二甲醚(PODE)是通过煤炭裂解产生的甲醇、二甲醚、多聚甲醛聚合形成的新型煤基燃料，在常温状态下是液态，所以相较于甲醇、二甲醚等更加容易储存，而且其最大的优点是十六烷值和含氧量较高，所以在与化石燃料混合的过程中不会出现由于十六烷值降低导致柴油机爆震的问题，含氧量较高可以有效改善柴油机的废气排放颗粒，优化柴油的燃烧特性。现阶段的PODE的研究方向大多在优化其合成工艺上，较少有对于PODE在柴油机的应用研究。

1 混合燃料的制备与理化参数分析

1.1 制备方法

PODE的化学式是CH3O(CH2O)iCH3，其中化学式中的i表示为聚合度，即PODE分子中的甲氧基的数目，当i=0时表示为二甲醚和甲醇的聚合物，与柴油混合不仅会提高柴油的蒸气压还会降低柴油的黏度，i=1和2分别代表甲缩醛和二聚甲醛，这两者的沸点都较低所以不适合作为含氧燃料，聚合度大于8的PODE在较低温度下会出现结晶现象。所以常规的PODE的聚合度会选择3-8之间，文中选择的聚合度为6的PODE，这样可以保证PODE和柴油互溶稳定不分层并且还兼具较高的十六烷值和含氧量，在2019年陕西省衮州市已经建成了年产量达到50万吨的PODE生产线以及配套设备，而且全国各地大多都已经建成了万吨产量生产线，这些生产线为PODE的广泛应用提供了可能性。

文中选择的化石柴油为国Ⅴ0#柴油，PODE原料选择湖北鑫润德化工有限公司生产的产品，两者的主要理化特性参数见表1，分别选取四份体积相同的柴油样品。在前三个样品中加入体积分数为5%、10%、15%的PODE充分混合，得到四组实验样品。

1.2 十六烷值

十六烷值是评价柴油品质的重要指标，品质良好的柴油应该具有中等偏上的十六烷值，理论上来讲十六烷值越高的柴油自燃性越好，柴油的

表1 国Ⅴ0#柴油及PODE理化特性参数

滞燃期较短，柴油机的工作越平稳，越有利于柴油机的冷启动[5]。但是过高的十六烷值柴油会造成部分柴油不完全燃烧导致废气排放烟度较大，过低的十六烷值柴油会由于柴油的自燃性较差导致柴油机工作状态较差引起爆震现象，一般的柴油十六烷值选择范围在40～65之间，在保证柴油自燃性的同时限制排放废气的颗粒分布。

柴油中十六烷值的大小取决于柴油中的烷烃类分子的数量，一般来讲，正构烷烃的十六烷值最高、稠环芳烃的十六烷值最低，其余的烷烃类分子的十六烷值介于这两者之间[6]，对于文章中混合燃料的十六烷值的计算如果采用直接测量计算的方式过程较为繁琐，文中可以采用经验公式对混合燃料的十六烷值进行大致的计算，公式如下：

CN=xCND+(1-x)CNP

(1)

式中，CN表示混合燃料的十六烷值，CND表示柴油的十六烷值，CNP表示PODE的十六烷值，x表示柴油的体积分数，通过计算三组实验材料的十六烷值分别是52.15、53.3、54.45，由此可以看出随着PODE体积分数的增加，混合燃料的十六烷值在逐渐增加，每增加一个单位的十六烷值，PODE的体积分数大约增加5%。

1.3 含氧量与低热值

含氧量和低热值都是评价柴油燃烧性能的重要指标，其中含氧量是原始化石燃料不具备的理化特性参数，是加入的其它含氧添加剂才会存在的指标。柴油由于其组分和燃烧方式的特殊性极易导致燃烧室局部高温缺氧，进而导致部分燃料无法完全燃烧其外部表现为尾气有黑烟，通过添加氧的含量可以有效改变柴油的燃烧状态提高燃烧室的热效率降低废气排放烟度，混合燃料中氧含量的计算公式如下：

(2)

式中，ρD,QD分别代表柴油的密度和含氧量；ρP,QP分别代表PODE的密度和含氧量；x代表柴油的体积分数。

每一立方米燃料完全燃烧所释放的热量被称为高位发热值，在实际热量计算中需要将产生水蒸气热量排除，此时释放的热量被称为低位发热值又被称为低热值，低热值是评价燃料燃烧品质的重要参数[7]，一般要求低热值越高越好，混合燃料的低热值计算公式类似于含氧量计算公式，具体公式如下：

(3)

式中，HD和HP分别代表柴油和PODE的低热值，通过计算可以得出混合燃料的含氧量与低热值的变化规律，随着PODE体积分数的增加，混合燃料的含氧量在逐渐提高，低热值在逐渐降低，具体计算数据见表2。

表2 含氧量与低热值

1.4 活化能

对于混合燃料的活化能的计算可以反映混合燃料的燃烧特性，活化能是指反应物从常态转变成活化态需要的最低能量，活化能越低越容易发生反应，在燃烧动力学分析中常采用Coast-Redfern 积分法来计算燃料的活化能[8]，具体公式如下：

(4)

式中，G(α)表示关于燃烧反应级数的燃烧机理函数；α表示燃料的燃烧转化率；T表示燃烧反应温度；A表示频率因子；R表示气体分子摩尔常量；β表示燃烧反应升温速率；E表示燃料的活化能；燃烧机理函数如下：

(5)

式中，j表示燃烧过程的反应级数，其取值范围通常在1-3之间，在绘制热动力拟合曲线时首先要选择好合适的反应级数，以积分左端的公式作为曲线的纵坐标，以1/T作为横坐标绘制曲线，通过拟合曲线求出频率因子A和燃料活化能E。

文中只分析在纯氧环境下的混合燃料的活化能，混合燃料的燃烧反应级数为1级，所以燃烧机理函数如下：

G(α)=-ln(1-α)

(6)

如表3所示是在纯氧环境下四个实验样本的线性曲线参数表，曲线的线性回归程度大于0.99，具有较高的置信度。

表3 线性曲线参数表

随着PODE体积分数的增加，混合燃料的活化能在不断降低，可以使混合燃料具有良好的低温可燃性，这证明了PODE的加入提高了混合燃料的氧化性和蒸发性，同时也说明了混合燃料在纯氧环境下具有良好的氧化活性。

2 燃烧与排放特性分析

2.1 柴油机参数与实验设备

文中采用YC6B80C型号船舶用发动机作为实验机型，实验室安装的实验设备作为实验平台，实验样机和实验设备的具体参数见表4和表5，实验台架如图1所示。

表4 柴油机参数表

表5 实验设备参数表

整个实验的具体操作步骤如下：

(1)对每个实验设备进行检查保证每个仪器无故障且测量精准，具体工作包括检查柴油机的运行状况、对测量仪器进行零点校准、对于需要预热的仪器提前进行预热、检查各个连接线是否存在错误。

(2)在正式开始测试实验时对柴油机进行暖机预热使发动机的机油和冷却液温度达到80 ℃左右，通过测功机将柴油机的转速调整至额定转速1 500 r/min,柴油机在全负荷状态下的平均有效压力(MEP)为0.85 MPa，在全负荷状态下柴油机运行100个循环工况采集气缸压力的变化值，计算这些数值的平均值，并且通过热力学公式计算缸内压力上升率、瞬时放热率等燃烧特性参数。

(3)通过调整发动机负荷率比较混合燃料的排放特性，选择四个等级的负荷率进行试验分别是25%、50%、75%、100%。其对应的MEP分别是0.2125、0.425、0.6375、0.85 MPa。通过调整MEP实现对柴油机负荷率的调整，采集排气组分数据。

(4)为了避免试验样本之间的互相影响，应该依次对样品进行试验，在完成一种样品的所有的数据采集之后再使用下一种样品，并且在使用下一种样品之前可以先使用该样品对油路进行清洗。

2.2 燃烧特性分析

燃烧特性的各项数据是在全负荷转速为1 500 r/min的工作状态下采集的，如图2所示是四组样品燃烧时气缸内的压力变化图，从图像中可以看出，随着混合燃料中PODE体积分数的增加，混合燃料的气缸压力峰值和对应的曲轴转角都有所提前，三种混合燃料的气缸压力峰值分别为6.59、6.74、6.92 MPa，柴油燃烧的气缸压力峰值是6.45 MPa。三种混合燃料压力峰值的曲轴转角分别为9°CA、10°CA、10.5°CA，柴油的曲轴转角是11°CA。

分析产生这种实验结果的原因，PODE的体积分数的增加影响了混合燃料中的十六烷值，使得燃料燃烧的滞燃期缩短，但是PODE优良的高温挥发性抵消了由于滞燃期缩短带来的可燃混合气形成减小的影响，PODE中的含氧量可以使燃料燃烧得更为充分，所以气缸压力峰值提前，并且混合燃料的预混燃烧过程相较于柴油燃烧跟接近于燃烧上止点，所以气缸压力峰值有所增长。

如图3所示是四组燃料燃烧时的放热率曲线图，从图像中可以看出四组样品的放热率曲线均存在两个峰值，这两个峰值对应的燃烧过程分别是预混燃烧过程和扩散燃烧过程[9]，在预混燃烧过程中柴油的放热率是最高的达到了43 kJ/m3·CA,P15混合燃料放热率峰值明显低于其它三组样品。在扩散燃烧过程中，三组混合燃料的放热率峰值均高于柴油，而且还可以看出混合燃料的放热曲线要比柴油放热曲线提前。

预混燃烧阶段的燃料放热率峰值主要取决于燃料形成的可燃混合气的数量与质量，由气缸圧力曲线可以得知混合燃料的十六烷值的增加影响了燃料滞燃期形成的可燃混合气的数量，由此会使得混合燃料中PODE体积分数的增加直接减小预混燃烧阶段的放热率峰值，在P5混合燃料中虽然滞燃期产生的可燃混合气减少，但是PODE的含氧量对于燃烧过程起到了极大地促进作用所以放热曲线和柴油相近。在扩散燃烧阶段，PODE良好的高温蒸发性有利于可燃混合气的均匀分布，使扩散燃烧速率增加并且促进燃料的充分燃烧，所以在该阶段混合燃料的放热率峰值均高于柴油。

表5和表6分别是柴油机在不同负荷率下四组样品的比油耗和有效热效率的参数，对参数进行对比分析。

表5 比油耗

表6 有效热效率

对比四组样品的比油耗可以看出，随着PODE体积分数的增加，混合燃料的低热值在逐渐降低所以释放相同的热量需要更多的燃油，在100%负荷率工况下，三组混合燃料的比油耗相对于柴油分别增加了0.97%、7.04%、10.38%。对比四组样品的有效热效率可以发现在低于75%负荷率的工况下，混合燃料中PODE的体积分数越大燃油有效热效率越高，但是在全负荷工况下，P15的有效热效率有所下降，这是由于PODE蒸发量的增大导致形成的可燃混合气过稀反而影响了燃料的热效率，在全负荷工况下，三组混合燃料的有效热效率相较于柴油分别增加了3.38%、6.77%、5.54%。

2.3 CO排放分析

CO的主要来源是化石燃料不完全燃烧的产物或者燃烧过程产生的中间产物，引起柴油机燃料不完全燃烧的主要原因有两种，第一种是温度过高或者混合气分布不均引起的燃烧室局部缺氧；第二种是可燃混合气温度过低引起的无法完全燃烧[10]。如图4所示是在额定转速不同负荷率下四组燃料的燃烧产物中CO的含量变化图。

从图像中可以看出从25%负荷率到75%负荷率，尾气中CO的含量在逐渐降低；从75%负荷率到全负荷工况，降低趋势明显减缓，并且柴油的燃烧产物中CO的含量有所增长，在全负荷工况下三种混合燃料相较于柴油的尾气CO含量分别降低了9.4%、11.8%、13.7%。尾气中CO的含量主要受气缸温度和氧含量这两者的影响，在中低负荷工况下，气缸的温度不会升高到极高的水平，随着发动机负荷的增加会导致气缸内温度升高所以产生的CO含量会逐渐降低，并且由于PODE的加入燃料中的氧含量增加促进混合燃料的充分燃烧，但是在全负荷工况下，由于喷油量的增大导致气缸内混合气过浓并且气缸温度较高所以容易导致燃料的不完全燃烧，所以柴油燃烧产生的CO含量不降反增。

2.4 碳氢化合物排放分析

碳氢化合物可以简写为HC，它是由未完全燃烧的燃料或者进入气缸的润滑油所产生的，柴油燃烧过程的滞燃期与气缸平均燃烧温度对HC的产生有较大的影响，在柴油燃烧的滞燃期，燃油与过量空气混合形成过稀的混合气，该混合气无法达到燃料的着火极限所以无法完全燃烧进而形成HC[11]。如图5所示是不同负荷率下四组燃料的燃烧产物中HC的含量变化图。

从图像中可以看出和CO排放相似的变化趋势，在中低负荷工况下，HC均出现逐渐降低的趋势，但是和CO变化趋势不同的地方在于在全负荷工况下HC的排放量均有所提高，在全负荷工况下三种混合燃料相较于柴油的尾气HC含量分别降低了21.6%、27.4%、23.9%。由于混合燃料燃烧滞燃期的缩短导致过稀混合气的形成量减少，进而减少了HC的排放量，但是随着混合燃料中PODE体积分数的增大导致混合燃料的低热值在不断降低，使得混合燃料的放热量峰值也在不断降低，导致HC的排放量在全负荷工况下有所增长。

2.5 排气烟度分析

排气烟度的主要指标是排放废气中颗粒物的数量和大小[12]，其颗粒物的主要产生原因依旧是燃料的不完全燃烧，排放废气中的颗粒物成分大概包含有三种：无机盐颗粒、重金属颗粒、有机物颗粒。测量排气烟度是通过比较烟度计滤纸的不透光率实现的，滤纸透光度越差排气烟度越高最高为10。如图6所示是不同负荷率下四组燃料的燃烧产物烟度变化图。

从图像中可以看出，随着柴油机负荷率的不断增加排气烟度也在不断增加，而且全负荷工况下产生废气烟度最大，在全负荷工况下三种混合燃料相较于柴油的尾气烟度分别降低了27.9%、31.5%、33.7%。在全负荷工况下，随着喷油量的增加更加容易导致油气混合的不均匀，在高温缺氧环境下形成有机物颗粒的混合物即碳烟，PODE的加入不仅提高了燃烧环境中氧的含量而且促进了燃料的雾化，使得燃料可以更好地与空气混合，降低碳烟的排放。

2.6 氮氧化合物排放分析

氮氧化合物的简称是NOx，其主要成分包括NO和NO2，氮氧化合物的绝大部分组分是NO，大约占90%，其它形式的氮氧化合物占10%，NO的生成条件是在高温高压富氧环境，NO的产生量取决于气缸燃烧温度、气缸氧气浓度、高温滞留时间，现在为了减少柴油燃烧尾气中NO的含量，大多会采用废气再循环技术(EGR)，但是EGR有一个致命的缺点是废气循环过多会影响柴油机的动力性，所以现在EGR的主流研究方向是如何精确控制废气的循环量，平衡动力性和废气产物的关系。如图7所示是是不同负荷率下四组燃料的燃烧产物中氮氧化合物的含量变化图。

从图像中可以看出随着柴油机负荷率的增加，氮氧化合物的含量也在不断增加，并且在中低负荷率工况下，四组样品的氮氧化合物的排放量大致相同，在全负荷工况下，P5、P10混合燃料的NOx排放量相较于柴油增加了2.8%、0.4%，P15的NOx排放量减少了3.2%。在全负荷工况下，混合燃料的放热率峰值提前并且氧含量增加造成高温富氧的环境导致NOx的产生量增加，但是随着PODE体积分数的增加，导致混合燃料的低热值在逐渐降低，在图4中可以看出预混燃烧阶段P15的放热率峰值明显低于柴油，由此降低了NOx的排放量。

3 结束语

(1)在全负荷工况下，混合燃料燃烧的气缸压力峰值相较于柴油燃烧要更高，并且峰值相位随着PODE体积分数的增加而提前。

(2)燃料放热率呈现明显的双峰趋势，在预混燃烧阶段燃烧率峰值随着PODE体积分数的增加而下降，在扩散燃烧阶段燃料雾化与空气充分混合，混合燃料的放热率峰值有所提高。

(3)三组混合燃料的比油耗相对于柴油分别增加了0.97%、7.04%、10.38%。在中低负荷工况下，随着PODE的体积分数增加燃油有效热效率提高，但是在全负荷工况下，P15的有效热效率有所下降，这是由于PODE蒸发量的增大导致形成的可燃混合气过稀反而影响了燃料的热效率，在全负荷工况下，三组混合燃料的有效热效率相较于柴油分别增加了3.38%、6.77%、5.54%。

(4)在全负荷工况下，与柴油燃烧排放废气相比，三种混合燃料的CO含量分别降低了9.4%、11.8%、13.7%；HC含量分别降低了21.6%、27.4%、23.9%；烟度分别降低了27.9%、31.5%、33.7%；NOx的排放量差距较小。