PODE掺混对于柴油机压力振荡和排放特性的影响

孟源，闫飞

(1.太原城市职业技术大学机电工程系，山西 太原 030024；2.太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024；3.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030024)

柴油机以热效率高、寿命长和经济性好等优点被广泛使用，但由于其压缩点火的燃烧模式，燃烧过程中会产生噪声，并存在较高的炭烟(Soot)和氮氧化物(NOx)等排放污染物，仅通过优化发动机本身难以解决问题，也满足不了日益严苛的排放法规要求。改进燃料的特性使燃料燃烧清洁，逐渐成为研究的热点[1]。改进燃料特性的常用方法是在传统燃料中添加含氧燃料，如醇类、脂类、醚类等[2-3]，研究表明，含氧燃料可以明显影响柴油机燃烧和排放特性[4-6]。

近年来，聚甲氧基二甲醚(PODE)作为一种高效清洁的含氧燃料受到广泛关注[7-8]，相比于醇类燃料，PODE的汽化潜热小，十六烷值高，腐蚀性低，且与普通柴油有更好的相溶性[9]；相比于脂类燃料，PODE有更高的含氧量，在降低排放方面的效果更加明显，并且PODE的沸点比一般脂类燃料高，基本不存在因低温流动性差而堵塞喷嘴的问题[10]。由于PODE优点众多，国内外学者对之进行了大量研究：陈晖等[11-12]的研究表明，柴油中添加PODE可以降低颗粒物数浓度和质量浓度，减少CO和HC排放；Liu等[13]的试验结果表明，随着PODE掺混比例的增加，发动机的热效率提高，排放得到改善，在PODE占比15%时可以降低40%的炭烟排放；黄豪中等[14]的研究表明，0号柴油-PODE混合燃料可以增加喷油贯穿距离，改善雾化性能。

综上所述，0号柴油中掺混PODE可以减少CO、HC、NOx和Soot等排放，但是目前缺乏对0号柴油-PODE混合燃料压力振荡和振荡能量循环波动性方面的研究，而此方面对分析PODE燃烧的噪声和稳定性有重要意义。为此配置不同比例的0号柴油-PODE混合燃料进行试验，并分析混合燃料在柴油机上应用时的压力振荡和排放性能。

1 试验燃料特性

试验中使用标准国Ⅵ 0号柴油作为基础燃料，按照体积分数配制PODE占比分别为0%(DP0)、5%(DP5)和15%(DP15)的3种混合燃料。由于PODE具有较强的挥发性，所以在试验中是现配现用，以提高试验可信度。试验中使用的PODE和0号柴油的理化特性见表1。

表1 燃料理化特性

2 试验设备及方法

试验使用一台共轨4缸柴油机，备有中冷系统和循环水恒温系统，发动机的主要参数见表2，试验台架示意见图1。试验使用Kistler 6050A41缸压传感器、DEWE-800燃烧分析仪、AVL FTIR i60 Fourier多组分排放仪和AVL 483 Micro Soot Sensor炭烟仪。选择柴油机常用转速2 000 r/min对3种燃料进行负荷为25%、50%、75%、100%的负荷特性试验，并选取2 000 r/min，50%负荷工况进行燃烧和压力振荡性能分析，试验中不改变原机参数，待柴油机工况稳定后进行数据测量。

表2 试验柴油机主要技术参数

图1 发动机台架示意

3 试验结果分析

3.1 燃烧特性

3种燃料在2 000 r/min，50%负荷下，100个循环的平均缸内压力和压力升高率见图2。DP0、DP5和DP15燃料在燃烧过程中的缸内压力曲线均含有两个峰，这主要是由预喷射燃烧和主喷射燃烧造成的。喷油器在活塞到达上止点前会进行两次喷射，分别是预喷射和主喷射，两次喷射后会进行不同程度的燃烧，从而造成不同的压力冲击，产生两个波峰。随着PODE比例的增加，缸压峰值和压力升高率峰值均下降，对应峰值相位提前，DP15相比于0号柴油分别下降9.3%和5.2%。这主要是因为PODE的十六烷值较高，燃烧始点提前，滞燃期比0号柴油缩短，滞燃期形成的混合气数量更少，预混燃烧和扩散燃烧比例降低，导致压力升高率减小，缸压峰值降低。

图2 PODE掺混对缸内压力和压力升高率的影响

图3示出了在2 000 r/min，50%负荷时的放热率变化规律。由图可见，放热率的变化规律和缸内压力基本一致，3种燃料的特性曲线都包含双峰，其中DP15的放热率峰值最小。从图3可以看出，曲线明显分为两个阶段，分别是预喷射燃烧(PIC)阶段和主喷射燃烧(MIC)阶段， PIC定义为从放热率曲线第一次显著上升的预喷射燃烧开始(SPIC)到第二次上升预喷射燃烧结束(EPIC)的时间， MIC定义为从EPIC之后的主喷射燃烧开始(SMIC)到主喷射燃烧结束(EMIC)，即累计放热率达到90%之间的时间。PIC和MIC的压力振荡能量计算公式[15]见式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：EPIC和EMIC表示PIC和MIC的振荡能量，积分区间是PIC和MIC的对应周期；Posc是该间隔中的振荡压力；θ表示曲轴转角。

图3 PODE掺混对放热率的影响

3.2 压力振荡特性

图4示出了在2 000 r/min，50%负荷下的压力振荡曲线以及PIC能量和MIC能量占比。在振荡曲线中，使用2 kHz-fs/2(fs：采样频率)的带通滤波器来滤除由压力基线和气缸压力中的高频随机噪声引起的干扰。可以看出，缸内压力在快速上升期间发生了振荡， PIC阶段的振荡能量所占的百分比很小；相比于0号柴油，DP5和DP15的总能量分别减少了0.64×1012Pa2和1.01×1012Pa2。压力振荡的峰值出现在点火后2°～4°范围内，在20° ATDC时几乎消失。燃烧压力振荡主要集中在主燃烧阶段，然后呈指数下降，在缓燃期逐渐消失。相比于0号柴油，混合燃料的燃烧压力振荡幅度减小，对应于峰值压力振荡的相位提前，压力振荡持续时间减少，其中DP15的燃烧压力振荡最小。

图4 PODE掺混对压力振荡的影响

当活塞接近TDC时，高温和高压使压力振荡呈增长趋势。在主燃烧的早期，燃烧室由于同时存在大量混合气体产生的冲击波，振荡幅度很高；随着活塞向下移动，燃烧室容积增加，快速燃烧阶段结束，振荡开始减弱。而两种混合燃料的振荡幅度较小的原因是PODE十六烷值较高，燃烧始点比0号柴油提前，预混燃烧比例较低，从而导致主燃烧更加柔和，振荡幅度减小，并随着PODE混合比例的增加，振荡减小更加明显。

图5示出了3种燃料的压力振荡级变化规律。压力振荡级是通过使用快速傅里叶变换(FFT)从燃料燃烧时的缸压时域信号获得的压力谱。3种燃料的燃烧压力振荡基本在4 kHz频率以内。同时，当频率低于4 kHz时，气缸压力的振荡幅度随频率的增加而大幅减小，而当频率高于4 kHz时，随频率的升高气缸压力的变化幅度较小。显然，在2 000 r/min，50%负荷下，压力振荡的临界频率为4 kHz，此时 0号柴油、DP5和DP15的压力振荡幅度分别为64.1 dB、60 dB和47.7 dB。结果表明，DP15产生的压力振荡的频率范围和幅度最小，且振荡波的强度低于0号柴油，因此，由燃烧压力振荡所损失的功率较小，即0号柴油加入PODE可以减少噪声和对发动机零件的影响。这也是由PODE的燃烧特性决定的，较短的点火延迟导致燃烧过程中粗糙度的降低。

图5 PODE掺混对压力振荡级的影响

图6示出了3种燃料连续100个循环的PIC压力振荡能量比例(PPIC)。压力振荡能量比例定义为PIC振荡能量占总能量的比值，使用式(3)进行计算[15]：

PPIC=EPIC/(EPIC+EMIC)。

(3)

通过式(4)至式(6)计算[16]100个循环下的振荡循环变动率(Cov)：

(4)

(5)

(6)

图6 PODE掺混对压力振荡循环变动的影响

由图6可见，在相同的工况下，0号柴油、DP5和DP15循环变动率分别为3.71%,2.49%和2.16%。这是由于PODE十六烷值高、密度低、燃油雾化能力强，混合气质量得到改善，在火焰形成过程的气流湍流强度低，这些因素导致PODE燃烧稳定，振荡循环变动低。

3.3 排放特性

图7示出了3种燃料2 000 r/min负荷特性下的NOx排放。由图可知，负荷增加，NOx排放量增加，因为高温是NOx生成的重要因素，随着负荷的增加，喷油量增加，缸内的燃烧温度增加，导致NOx的生成量增加。

图7 不同燃料不同工况下的NOx排放

DP15的NOx排放处于最低水平，相比于0号柴油分别下降14.5%，16.9%，21.1%，33.4%。可以看出，随着负荷的增加，NOx的降低效果更加明显，这主要是因为PODE的十六烷值高，预混燃烧比例降低以后导致燃烧温度较0号柴油低，由于PODE的汽化潜热效应，燃烧温度将进一步降低，所以DP15的NOx排放最低。随着负荷的提高，喷油量增加，PODE的汽化潜热作用更加显著，使相同负荷下的高温持续时间缩短，NOx排放的降低更加明显。

Soot是柴油机的重要排放产物，由于柴油机采用喷雾扩散燃烧的模式，在油束的中心位置必然会产生当量比大于1的区域，而Soot的产生条件主要在于高温缺氧环境，所以柴油机工作过程中必然会产生Soot。图8示出了3种燃料不同工况下的Soot排放。由图可见，加入了PODE的混合燃料Soot排放水平明显降低，其中DP15处于最低排放水平，相比DP5降低0.1～0.17 mg/m3，比0号柴油降低0.21～3.73 mg/m3。这是因为PODE在一定程度上可以降低燃烧温度，同时PODE的含氧特性可以改善局部含氧量不足的状况，进一步降低了Soot排放。随着负荷的增加，3种燃料Soot排放均处于较低水平，高负荷时缸内温度高，大部分Soot均被氧化，到了75%以上负荷3种燃料的Soot排放都较低，但100%负荷时的Soot排放有一定升高，此时喷油量较大，预混和扩散燃烧阶段的大当量比区域显著增加，混合均匀度降低，促进了Soot的产生。100%负荷时DP5的Soot排放最高，主要是因为在PODE混合比例低且喷油量大时， PODE的含氧量无法显著改善燃烧环境，反而由于燃烧后期高温区域减少，对Soot氧化量减少导致Soot的排放较0号柴油略有升高。

图8 不同燃料不同工况下的Soot排放

4 结论

a) 在0号柴油中添加PODE会导致滞燃期缩短，燃烧缸内压力和放热率降低，峰值对应相位提前，同时压力升高率也降低；3种燃料中DP15缸内压力和放热率处于最低水平;

b) 相比于0号柴油，DP15的燃烧压力振荡幅值最小，振荡峰值对应的相位提前，PIC能量占比较小，燃烧相对更加柔和，降低了噪声，同时燃烧循环压力振荡变动小，燃烧更加稳定;

c) 在负荷特性下对比3种燃料的排放水平，DP15的NOx和Soot排放均最低，可见在0号柴油中加入PODE可以明显改善排放，同时降低NOx和Soot。