PODE摻混對(duì)于柴油機(jī)壓力振蕩和排放特性的影響

孟源，閆飛

(1.太原城市職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程系，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030024)

柴油機(jī)以熱效率高、壽命長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，但由于其壓縮點(diǎn)火的燃燒模式，燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲，并存在較高的炭煙(Soot)和氮氧化物(NOx)等排放污染物，僅通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)本身難以解決問(wèn)題，也滿(mǎn)足不了日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)要求。改進(jìn)燃料的特性使燃料燃燒清潔，逐漸成為研究的熱點(diǎn)[1]。改進(jìn)燃料特性的常用方法是在傳統(tǒng)燃料中添加含氧燃料，如醇類(lèi)、脂類(lèi)、醚類(lèi)等[2-3]，研究表明，含氧燃料可以明顯影響柴油機(jī)燃燒和排放特性[4-6]。

近年來(lái)，聚甲氧基二甲醚(PODE)作為一種高效清潔的含氧燃料受到廣泛關(guān)注[7-8]，相比于醇類(lèi)燃料，PODE的汽化潛熱小，十六烷值高，腐蝕性低，且與普通柴油有更好的相溶性[9]；相比于脂類(lèi)燃料，PODE有更高的含氧量，在降低排放方面的效果更加明顯，并且PODE的沸點(diǎn)比一般脂類(lèi)燃料高，基本不存在因低溫流動(dòng)性差而堵塞噴嘴的問(wèn)題[10]。由于PODE優(yōu)點(diǎn)眾多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)之進(jìn)行了大量研究：陳暉等[11-12]的研究表明，柴油中添加PODE可以降低顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度，減少CO和HC排放；Liu等[13]的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著PODE摻混比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高，排放得到改善，在PODE占比15%時(shí)可以降低40%的炭煙排放；黃豪中等[14]的研究表明，0號(hào)柴油-PODE混合燃料可以增加噴油貫穿距離，改善霧化性能。

綜上所述，0號(hào)柴油中摻混PODE可以減少CO、HC、NOx和Soot等排放，但是目前缺乏對(duì)0號(hào)柴油-PODE混合燃料壓力振蕩和振蕩能量循環(huán)波動(dòng)性方面的研究，而此方面對(duì)分析PODE燃燒的噪聲和穩(wěn)定性有重要意義。為此配置不同比例的0號(hào)柴油-PODE混合燃料進(jìn)行試驗(yàn)，并分析混合燃料在柴油機(jī)上應(yīng)用時(shí)的壓力振蕩和排放性能。

1 試驗(yàn)燃料特性

試驗(yàn)中使用標(biāo)準(zhǔn)國(guó)Ⅵ 0號(hào)柴油作為基礎(chǔ)燃料，按照體積分?jǐn)?shù)配制PODE占比分別為0%(DP0)、5%(DP5)和15%(DP15)的3種混合燃料。由于PODE具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，所以在試驗(yàn)中是現(xiàn)配現(xiàn)用，以提高試驗(yàn)可信度。試驗(yàn)中使用的PODE和0號(hào)柴油的理化特性見(jiàn)表1。

表1 燃料理化特性

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)使用一臺(tái)共軌4缸柴油機(jī)，備有中冷系統(tǒng)和循環(huán)水恒溫系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)臺(tái)架示意見(jiàn)圖1。試驗(yàn)使用Kistler 6050A41缸壓傳感器、DEWE-800燃燒分析儀、AVL FTIR i60 Fourier多組分排放儀和AVL 483 Micro Soot Sensor炭煙儀。選擇柴油機(jī)常用轉(zhuǎn)速2 000 r/min對(duì)3種燃料進(jìn)行負(fù)荷為25%、50%、75%、100%的負(fù)荷特性試驗(yàn)，并選取2 000 r/min，50%負(fù)荷工況進(jìn)行燃燒和壓力振蕩性能分析，試驗(yàn)中不改變?cè)瓩C(jī)參數(shù)，待柴油機(jī)工況穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

表2 試驗(yàn)柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 燃燒特性

3種燃料在2 000 r/min，50%負(fù)荷下，100個(gè)循環(huán)的平均缸內(nèi)壓力和壓力升高率見(jiàn)圖2。DP0、DP5和DP15燃料在燃燒過(guò)程中的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)均含有兩個(gè)峰，這主要是由預(yù)噴射燃燒和主噴射燃燒造成的。噴油器在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前會(huì)進(jìn)行兩次噴射，分別是預(yù)噴射和主噴射，兩次噴射后會(huì)進(jìn)行不同程度的燃燒，從而造成不同的壓力沖擊，產(chǎn)生兩個(gè)波峰。隨著PODE比例的增加，缸壓峰值和壓力升高率峰值均下降，對(duì)應(yīng)峰值相位提前，DP15相比于0號(hào)柴油分別下降9.3%和5.2%。這主要是因?yàn)镻ODE的十六烷值較高，燃燒始點(diǎn)提前，滯燃期比0號(hào)柴油縮短，滯燃期形成的混合氣數(shù)量更少，預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒比例降低，導(dǎo)致壓力升高率減小，缸壓峰值降低。

圖2 PODE摻混對(duì)缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響

圖3示出了在2 000 r/min，50%負(fù)荷時(shí)的放熱率變化規(guī)律。由圖可見(jiàn)，放熱率的變化規(guī)律和缸內(nèi)壓力基本一致，3種燃料的特性曲線(xiàn)都包含雙峰，其中DP15的放熱率峰值最小。從圖3可以看出，曲線(xiàn)明顯分為兩個(gè)階段，分別是預(yù)噴射燃燒(PIC)階段和主噴射燃燒(MIC)階段， PIC定義為從放熱率曲線(xiàn)第一次顯著上升的預(yù)噴射燃燒開(kāi)始(SPIC)到第二次上升預(yù)噴射燃燒結(jié)束(EPIC)的時(shí)間， MIC定義為從EPIC之后的主噴射燃燒開(kāi)始(SMIC)到主噴射燃燒結(jié)束(EMIC)，即累計(jì)放熱率達(dá)到90%之間的時(shí)間。PIC和MIC的壓力振蕩能量計(jì)算公式[15]見(jiàn)式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：EPIC和EMIC表示PIC和MIC的振蕩能量，積分區(qū)間是PIC和MIC的對(duì)應(yīng)周期；Posc是該間隔中的振蕩壓力；θ表示曲軸轉(zhuǎn)角。

圖3 PODE摻混對(duì)放熱率的影響

3.2 壓力振蕩特性

圖4示出了在2 000 r/min，50%負(fù)荷下的壓力振蕩曲線(xiàn)以及PIC能量和MIC能量占比。在振蕩曲線(xiàn)中，使用2 kHz-fs/2(fs：采樣頻率)的帶通濾波器來(lái)濾除由壓力基線(xiàn)和氣缸壓力中的高頻隨機(jī)噪聲引起的干擾?？梢钥闯觯變?nèi)壓力在快速上升期間發(fā)生了振蕩， PIC階段的振蕩能量所占的百分比很??；相比于0號(hào)柴油，DP5和DP15的總能量分別減少了0.64×1012Pa2和1.01×1012Pa2。壓力振蕩的峰值出現(xiàn)在點(diǎn)火后2°～4°范圍內(nèi)，在20° ATDC時(shí)幾乎消失。燃燒壓力振蕩主要集中在主燃燒階段，然后呈指數(shù)下降，在緩燃期逐漸消失。相比于0號(hào)柴油，混合燃料的燃燒壓力振蕩幅度減小，對(duì)應(yīng)于峰值壓力振蕩的相位提前，壓力振蕩持續(xù)時(shí)間減少，其中DP15的燃燒壓力振蕩最小。

圖4 PODE摻混對(duì)壓力振蕩的影響

當(dāng)活塞接近TDC時(shí)，高溫和高壓使壓力振蕩呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。在主燃燒的早期，燃燒室由于同時(shí)存在大量混合氣體產(chǎn)生的沖擊波，振蕩幅度很高；隨著活塞向下移動(dòng)，燃燒室容積增加，快速燃燒階段結(jié)束，振蕩開(kāi)始減弱。而兩種混合燃料的振蕩幅度較小的原因是PODE十六烷值較高，燃燒始點(diǎn)比0號(hào)柴油提前，預(yù)混燃燒比例較低，從而導(dǎo)致主燃燒更加柔和，振蕩幅度減小，并隨著PODE混合比例的增加，振蕩減小更加明顯。

圖5示出了3種燃料的壓力振蕩級(jí)變化規(guī)律。壓力振蕩級(jí)是通過(guò)使用快速傅里葉變換(FFT)從燃料燃燒時(shí)的缸壓時(shí)域信號(hào)獲得的壓力譜。3種燃料的燃燒壓力振蕩基本在4 kHz頻率以?xún)?nèi)。同時(shí)，當(dāng)頻率低于4 kHz時(shí)，氣缸壓力的振蕩幅度隨頻率的增加而大幅減小，而當(dāng)頻率高于4 kHz時(shí)，隨頻率的升高氣缸壓力的變化幅度較小。顯然，在2 000 r/min，50%負(fù)荷下，壓力振蕩的臨界頻率為4 kHz，此時(shí) 0號(hào)柴油、DP5和DP15的壓力振蕩幅度分別為64.1 dB、60 dB和47.7 dB。結(jié)果表明，DP15產(chǎn)生的壓力振蕩的頻率范圍和幅度最小，且振蕩波的強(qiáng)度低于0號(hào)柴油，因此，由燃燒壓力振蕩所損失的功率較小，即0號(hào)柴油加入PODE可以減少噪聲和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的影響。這也是由PODE的燃燒特性決定的，較短的點(diǎn)火延遲導(dǎo)致燃燒過(guò)程中粗糙度的降低。

圖5 PODE摻混對(duì)壓力振蕩級(jí)的影響

圖6示出了3種燃料連續(xù)100個(gè)循環(huán)的PIC壓力振蕩能量比例(PPIC)。壓力振蕩能量比例定義為PIC振蕩能量占總能量的比值，使用式(3)進(jìn)行計(jì)算[15]：

PPIC=EPIC/(EPIC+EMIC)。

(3)

通過(guò)式(4)至式(6)計(jì)算[16]100個(gè)循環(huán)下的振蕩循環(huán)變動(dòng)率(Cov)：

(4)

(5)

(6)

圖6 PODE摻混對(duì)壓力振蕩循環(huán)變動(dòng)的影響

由圖6可見(jiàn)，在相同的工況下，0號(hào)柴油、DP5和DP15循環(huán)變動(dòng)率分別為3.71%,2.49%和2.16%。這是由于PODE十六烷值高、密度低、燃油霧化能力強(qiáng)，混合氣質(zhì)量得到改善，在火焰形成過(guò)程的氣流湍流強(qiáng)度低，這些因素導(dǎo)致PODE燃燒穩(wěn)定，振蕩循環(huán)變動(dòng)低。

3.3 排放特性

圖7示出了3種燃料2 000 r/min負(fù)荷特性下的NOx排放。由圖可知，負(fù)荷增加，NOx排放量增加，因?yàn)楦邷厥荖Ox生成的重要因素，隨著負(fù)荷的增加，噴油量增加，缸內(nèi)的燃燒溫度增加，導(dǎo)致NOx的生成量增加。

圖7 不同燃料不同工況下的NOx排放

DP15的NOx排放處于最低水平，相比于0號(hào)柴油分別下降14.5%，16.9%，21.1%，33.4%?？梢钥闯?，隨著負(fù)荷的增加，NOx的降低效果更加明顯，這主要是因?yàn)镻ODE的十六烷值高，預(yù)混燃燒比例降低以后導(dǎo)致燃燒溫度較0號(hào)柴油低，由于PODE的汽化潛熱效應(yīng)，燃燒溫度將進(jìn)一步降低，所以DP15的NOx排放最低。隨著負(fù)荷的提高，噴油量增加，PODE的汽化潛熱作用更加顯著，使相同負(fù)荷下的高溫持續(xù)時(shí)間縮短，NOx排放的降低更加明顯。

Soot是柴油機(jī)的重要排放產(chǎn)物，由于柴油機(jī)采用噴霧擴(kuò)散燃燒的模式，在油束的中心位置必然會(huì)產(chǎn)生當(dāng)量比大于1的區(qū)域，而Soot的產(chǎn)生條件主要在于高溫缺氧環(huán)境，所以柴油機(jī)工作過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生Soot。圖8示出了3種燃料不同工況下的Soot排放。由圖可見(jiàn)，加入了PODE的混合燃料Soot排放水平明顯降低，其中DP15處于最低排放水平，相比DP5降低0.1～0.17 mg/m3，比0號(hào)柴油降低0.21～3.73 mg/m3。這是因?yàn)镻ODE在一定程度上可以降低燃燒溫度，同時(shí)PODE的含氧特性可以改善局部含氧量不足的狀況，進(jìn)一步降低了Soot排放。隨著負(fù)荷的增加，3種燃料Soot排放均處于較低水平，高負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度高，大部分Soot均被氧化，到了75%以上負(fù)荷3種燃料的Soot排放都較低，但100%負(fù)荷時(shí)的Soot排放有一定升高，此時(shí)噴油量較大，預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段的大當(dāng)量比區(qū)域顯著增加，混合均勻度降低，促進(jìn)了Soot的產(chǎn)生。100%負(fù)荷時(shí)DP5的Soot排放最高，主要是因?yàn)樵赑ODE混合比例低且噴油量大時(shí)， PODE的含氧量無(wú)法顯著改善燃燒環(huán)境，反而由于燃燒后期高溫區(qū)域減少，對(duì)Soot氧化量減少導(dǎo)致Soot的排放較0號(hào)柴油略有升高。

圖8 不同燃料不同工況下的Soot排放

4 結(jié)論

a) 在0號(hào)柴油中添加PODE會(huì)導(dǎo)致滯燃期縮短，燃燒缸內(nèi)壓力和放熱率降低，峰值對(duì)應(yīng)相位提前，同時(shí)壓力升高率也降低；3種燃料中DP15缸內(nèi)壓力和放熱率處于最低水平;

b) 相比于0號(hào)柴油，DP15的燃燒壓力振蕩幅值最小，振蕩峰值對(duì)應(yīng)的相位提前，PIC能量占比較小，燃燒相對(duì)更加柔和，降低了噪聲，同時(shí)燃燒循環(huán)壓力振蕩變動(dòng)小，燃燒更加穩(wěn)定;

c) 在負(fù)荷特性下對(duì)比3種燃料的排放水平，DP15的NOx和Soot排放均最低，可見(jiàn)在0號(hào)柴油中加入PODE可以明顯改善排放，同時(shí)降低NOx和Soot。