高原环境下聚甲氧基二甲醚对柴油机燃烧和排放性能的影响

苏鹏，杨鑫，张永虎，陈然，熊云

（1.陆军勤务学院 油料系，重庆 401311；2.军需能源质量监督总站，北京 100071；3.军需能源质量监督总站济南质量监督站，济南 250100）

0 概述

中国高原面积广阔，有青藏高原、云贵高原、内蒙古高原、黄土高原四大高原，其中青藏高原面积就高达250万km2，平均海拔达4 000 m。高原地区空气稀薄，氧含量少，气候条件恶劣，内燃机在高原环境工作时会出现动力性、燃油经济性和尾气排放性能恶化的情况，严重影响了动力装备的使用性能。由于中国高原地区具有重要战略地位，改善军用动力装置高原适应性对提高军用动力装备的作战能力具有重要意义［1-2］。

为解决柴油机高原工作问题，科研人员从燃料特性的角度进行了大量研究：文献［3］中考察了模拟高原条件下二乙二醇二甲醚与柴油掺混时对柴油机工作性能的影响；文献［4］中考察了高原环境下新型无灰助燃剂对柴油机性能的影响；文献［5］中将乙醇和柴油掺混为混合燃料，以高压共轨柴油机为对象，考察高原环境下该含氧燃料对柴油机经济性、燃烧特性及排放特性的影响。此外，关于正丁醇、戊醇、生物柴油掺混柴油时混合燃料的应用研究也很广泛［6-9］。

近年来，聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）因具有高十六烷值、高含氧量、不含硫和芳烃、蒸发性好、易与柴油互溶等优点，成为了备受关注的新型含氧燃料［10］。本文中通过试验研究了高原环境下柴油机燃用车用柴油与PODE掺混燃料对柴油机外特性及燃烧特性的影响，为改善柴油机高原工作恶化提供数据和理论支撑。

1 试验装置与方案

1.1 试验用燃料

试验用燃料包括0号车用柴油（国Ⅵ）和在市售0号车用柴油中掺混体积分数10%和20%的PODE的混合燃料，两种混合燃料分别记为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，与0号车用柴油相比，掺入PODE后十六烷值和密度略有上升，热值、运动黏度和冷滤点略有下降。根据GB 19147—2016《车用柴油（Ⅵ）》可知D10和D20密度不符合要求，且D20运动黏度不符合要求。此外，由表1可知，含氧燃料随氧质量分数的升高热值出现下降，这主要是因为氧原子的加入降低了燃料分子中碳和氢的质量分数。

表1 燃料的主要理化性质

1.2 试验方法与测试系统

试验发动机为某军用泵机组用柴油机，型式为直列6缸风冷，其主要参数见表2。测试设备和仪器包括湖南湘仪动力测试有限公司FC2000型发动机测控系统、GW250型电涡流测功机、上海同圆发动机测试工程技术有限公司CMFG010瞬时油耗仪、佛山南华仪器有限公司NHA-506型废气分析仪、瑞士KISTLER公司Kibox燃烧分析仪搭配KISTLER 6125c缸压传感器、KISTLER 2613B曲轴信号传感器。

表2 试验发动机主要参数

采用内燃机大气模拟试验台架模拟高原进气条件，开展内燃机在模拟高原进气条件下燃用含氧柴油的动力性研究，如图1所示。其中进气压力模拟装置利用大型真空罐调节进气压力，模拟不同海拔地区的进气条件。

图1 内燃机大气模拟试验台架系统

1.3 试验方案

参照GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》，不对发动机结构和参数作任何调整，模拟海拔0 m（100 kPa）、1 000 m（90 kPa）、2 000 m（80 kPa）、3 000 m（70 kPa）、4 000 m（60 kPa）的大气压力，测定柴油机燃用0号车用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油时的外特性曲线，比较三者动力性、经济性和排放性。

燃烧特性选用模拟海拔为4 000 m，发动机转速2 000 r/min、100%负荷工况，通过燃烧分析仪测量缸压、瞬时放热率等。以燃烧放热量5%作为燃烧起点CA5，燃烧放热量95%作为燃烧终点CA95，喷油始点到CA5对应的曲轴转角为滞燃期，CA5到CA95所对应的曲轴转角为燃烧持续期。

2 试验结果及分析

2.1 PODE对发动机动力性的影响

分别考察了模拟海拔为0、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m时，发动机燃用0号车用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油时发动机外特性输出功率情况，结果如图2所示。由图2可知，在模拟海拔低于1 000 m时，发动机燃用D10含氧柴油相对燃用0号车用柴油功率下降约0%～3%，燃用D20含氧柴油功率下降约4%～7%。在模拟海拔2 000 m、3 000 m时，发动机燃油3种油品的功率相差不大。在模拟海拔4 000 m条件下相比燃用柴油时，发动机燃用D10、D20含氧柴油时动力性能得到提升，平均功率分别增加3.0%、3.6%；当发动机转速达到2 000 r/min时，发动机燃用D10、D20含氧柴油功率增幅最大，分别提高5.8%、6.2%。

图2 不同海拔下燃用不同燃料时发动机外特性输出功率

2.2 PODE发动机燃烧特性分析

模拟海拔为4 000 m时，发动机转速2 000 r/min、100%负荷工况下燃用0号车用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油时缸内压力与瞬时放热率曲线见图3、图4，具体的发动机燃烧特征参数见表3，燃烧参数为100个循环的统计值。本文中上止点前曲轴转角记为负值，上止点后曲轴转角记为正值。

图3 模拟海拔4 000 m下燃用不同燃料时的缸压

图4 模拟海拔4 000 m下燃用不同燃料时的放热率

表3 发动机燃烧特征参数

由图3可知，模拟海拔4 000 m条件下，与燃用0号车用柴油比，发动机燃用D10、D20含氧柴油后气缸压力升高，峰值缸压由6.5 MPa分别提高到6.8 MPa和6.9 MPa，缸压提升了5.5%、6.9%。

由图4可知，模拟海拔4 000 m条件下，较燃用0号车用柴油比，燃用D10、D20含氧柴油后放热率峰值位置前移，分别前移约1°、2°；峰值放热率由144 J/（°）提高156 J/（°）和155 J/（°），升幅达8%。由表3可知，掺混PODE后滞燃期缩短，燃烧持续期缩短。这主要是由于PODE改善了燃料的十六烷值，缩短了滞燃期；在高原缺氧条件下PODE为燃烧提供了氧，增加了火焰温度和火焰传播速度，促进了扩散燃烧速度，从而使燃烧持续期缩短，提高了燃烧效率，放出了更多热量；此外PODE的黏度低，改善了含氧燃料的蒸发和雾化性能，在缸内更容易形成均匀混合气，也有利于提高燃烧效率［11-12］。

由3种油品的热值分析可知，0号车用柴油热值为46.7 MJ/kg，D10含氧柴油的热值为42.8 MJ/kg，D20含氧柴油的热值为41.9 MJ/kg，0号车用柴油热值明显高于混合柴油。因此在进气氧含量充足的低海拔地区，燃料能基本充分燃烧，热值更高的0号车用柴油在动力性方面更占优势，燃用含PODE的混合柴油动力性较差。

而在高海拔地区，进气氧含量不足的条件下，0号车用柴油燃料不能充分燃烧。而PODE的加入提供了燃烧需要的氧，且PODE中C—O键键能比车用柴油中烃类的C—C键键能低，更容易断裂生成自由基［13］，缩短了滞燃期和燃烧持续期，提高了缺氧条件下的燃烧效率，放出了更多热量。发动机的动力性也随PODE添加量上升或海拔上升，逐渐接近甚至超过0号车用柴油。

2.3 PODE对发动机燃油经济性的影响

考察了海拔为0、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m时，发动机燃用0号车用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油时外特性燃油经济性情况，结果如图5所示。由图5可知，在模拟海拔低于2 000 m时，燃用含氧柴油的燃油经济性低于0号车用柴油，其中燃用D20含氧柴油的燃油经济性最差。在模拟海拔为0、1 000 m、2 000 m时燃用D20含氧柴油燃油经济性较燃用0号车用柴油燃油平均下降了1.2%、1.8%、1.4%。在模拟海拔为3 000 m时，燃用含氧柴油的燃油经济性与燃用0号车用柴油相当。但在模拟海拔为4 000 m时，燃用含氧柴油的燃油经济性超过0号车用柴油，燃用D10含氧柴油和燃用D20含氧柴油比燃用0号车用柴油燃油经济性平均提高0.7%和1.2%。

图5 不同海拔下燃用不同燃料时的燃油消耗率

本次设置的台架试验中，影响油耗的因素主要是燃料热值和添加剂添加量。在模拟海拔低于2 000 m时，燃料燃烧比较充分，主要影响因素是燃料的热值。由3种油品的热值分析可知，添加该含氧燃料添加剂越多，燃料热值越低，其燃油经济性就越差。在模拟海拔为3 000 m时，随着进气量减少，燃料燃烧越来越不充分，含氧柴油的优势开始逐步体现出来，其燃油经济性逐渐与0号车用柴油持平。在模拟海拔为4 000 m时，PODE的加入改善了高海拔缺氧导致的不完全燃烧，提高了燃烧效率，含氧柴油的燃油经济性已超过0号车用柴油，PODE的添加量成为影响油耗的主要因素。

2.4 PODE对发动机排放特性的影响

2.4.1 对CO和HC排放的影响

考察了模拟海拔为0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m时，发动机燃用0号车用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油时外特性CO和HC排放情况，结果如图6、图7所示。

由图6可知，随着模拟海拔高度的增加，尾气中CO的排放逐渐增加。这主要由于随着进气量氧气的减少导致燃料燃烧不充分，使发动机的CO和HC等尾气排放增加。在模拟海拔0～4 000 m之间，添加PODE后CO的排放减少；对比两种不同添加量的含氧柴油，燃用D20含氧柴油的CO排放量更低，在模拟海拔为0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m时燃用D20含氧柴油燃油CO排放量较燃用0号车用柴油平均下降了49%、44%、47%、53%、45%。PODE的加入有利于促进混合气的形成和燃烧，气缸内不完全燃烧的现象削弱，CO排放降低。

图6 不同海拔下燃用不同燃料时的CO排放

由图7可知，随着模拟海拔高度的增加，尾气中HC的排放逐渐增加。在模拟海拔0～4 000 m之间，添加PODE后HC的排放减少。对比两种不同添加量的含氧柴油，燃用D20含氧柴油的HC排放量更低，在模拟海拔为0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m时柴油机燃用D20含氧柴油燃油HC排放量较燃用0号车用柴油HC排放量平均下降了33%、27%、46%、48%、46%。PODE的加入使燃料中氧的质量分数增加，缸内不完全燃烧的状态得以改善，降低了HC的排放。

图7 不同海拔下燃用不同燃料时的HC排放

2.4.2 对NOx排放的影响

不同海拔下NOx的排放见图8。由图8可知，随着模拟海拔高度的增加，尾气中NOx排放逐渐增加，这主要由于随着进气量氧气的减少，燃料燃烧不充分，导致缸内燃烧温度降低，NOx排放减少。在模拟海拔0～4 000 m之间，添加PODE后NOx的排放增加，尤其是模拟海拔超过2 000 m以后，含氧燃料使发动机的NOx排放增加更明显。对比两种不同含氧柴油，燃用D20含氧柴油时NOx排放更高。在模拟海拔为0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m时柴油机燃用D20含氧柴油的NOx排放量较燃用0号车用柴油分别上升了5%、2%、13%、11%、11%。

图8 不同海拔下燃用不同燃料时的NOx排放

根据泽尔多维奇NOx生成机理，最高燃烧温度、高温下的滞留时间及燃烧过程中的氧浓度决定了柴油机的NOx排放量［14］。虽然PODE的加入使燃料热值降低及燃烧持续期缩短，但同时也增加了燃烧过程中的氧浓度，综合效果是使NOx排放量增加，这也解释了PODE掺混越多则NOx的排放也越多。结合图4可知，当模拟海拔为4 000 m时，掺混PODE后燃料峰值放热率增加，加快了燃烧速度，提高了燃烧火焰温度，这也加剧了NOx的排放，使其排放较平原增加幅度更大。

3 结论

（1）在模拟低海拔低于1 000 m时，柴油机燃用掺混PODE燃料后动力性出现下降，其中燃用D20含氧柴油动力下降较大，下降4%～7%；当模拟海拔2 000 m、3 000 m时，柴油机燃用两种燃料时动力相差不大；当模拟海拔上升到4 000 m时，柴油机燃用D10、D20含氧柴油时功率出现上升，平均升高3.0%、3.6%。

（2）在模拟海拔4 000 m时，100%负荷下燃用掺混PODE燃料后柴油机缸压升高，峰值放热率提高，燃烧相位前移，滞燃期缩短，燃烧效率升高。在本试验条件下，掺混PODE后燃烧的滞燃期和燃烧持续期均短于燃烧0号车用柴油。

（3）低海拔条件下热值是影响柴油机油耗的关键因素，模拟海拔低于2 000 m时，柴油机燃用D20含氧柴油平均油耗增加了1.2%～1.8%；随着海拔逐渐升高，掺混PODE燃料后燃油经济性逐渐提高，模拟海拔达到4 000 m时，柴油机燃用D20含氧柴油燃油平均经济性提高1.2%。

（4）不同海拔下柴油掺混PODE后，柴油机尾气中CO、HC排放均下降，但NOx体积分数稍有增加；在模拟海拔超过2 000 m、PODE添加体积分数为20%时对排放性能影响较大，具体表现为CO、HC的排放相对降低而NOx的排放相对增加。