蘇鵬，楊鑫，張永虎，陳然，熊云

（1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶 401311；2.軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100071；3.軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站濟(jì)南質(zhì)量監(jiān)督站，濟(jì)南 250100）

0 概述

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

為解決柴油機(jī)高原工作問題，科研人員從燃料特性的角度進(jìn)行了大量研究：文獻(xiàn)［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(jī)工作性能的影響；文獻(xiàn)［4］中考察了高原環(huán)境下新型無灰助燃劑對柴油機(jī)性能的影響；文獻(xiàn)［5］中將乙醇和柴油摻混為混合燃料，以高壓共軌柴油機(jī)為對象，考察高原環(huán)境下該含氧燃料對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、燃燒特性及排放特性的影響。此外，關(guān)于正丁醇、戊醇、生物柴油摻混柴油時混合燃料的應(yīng)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(fā)性好、易與柴油互溶等優(yōu)點，成為了備受關(guān)注的新型含氧燃料［10］。本文中通過試驗研究了高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用車用柴油與PODE摻混燃料對柴油機(jī)外特性及燃燒特性的影響，為改善柴油機(jī)高原工作惡化提供數(shù)據(jù)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?jǐn)?shù)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(jù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高熱值出現(xiàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 燃料的主要理化性質(zhì)

1.2 試驗方法與測試系統(tǒng)

試驗發(fā)動機(jī)為某軍用泵機(jī)組用柴油機(jī)，型式為直列6缸風(fēng)冷，其主要參數(shù)見表2。測試設(shè)備和儀器包括湖南湘儀動力測試有限公司FC2000型發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)、GW250型電渦流測功機(jī)、上海同圓發(fā)動機(jī)測試工程技術(shù)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(fā)動機(jī)主要參數(shù)

采用內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架模擬高原進(jìn)氣條件，開展內(nèi)燃機(jī)在模擬高原進(jìn)氣條件下燃用含氧柴油的動力性研究，如圖1所示。其中進(jìn)氣壓力模擬裝置利用大型真空罐調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力，模擬不同海拔地區(qū)的進(jìn)氣條件。

圖1 內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架系統(tǒng)

1.3 試驗方案

參照GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗方法》，不對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)作任何調(diào)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(jī)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(jīng)濟(jì)性和排放性。

燃燒特性選用模擬海拔為4 000 m，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、100%負(fù)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(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為滯燃期，CA5到CA95所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒持續(xù)期。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 PODE對發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)燃用0號車用柴油、D10含氧柴油、D20含氧柴油時發(fā)動機(jī)外特性輸出功率情況，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在模擬海拔低于1 000 m時，發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時，發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)外特性輸出功率

2.2 PODE發(fā)動機(jī)燃燒特性分析

模擬海拔為4 000 m時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、100%負(fù)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(nèi)壓力與瞬時放熱率曲線見圖3、圖4，具體的發(fā)動機(jī)燃燒特征參數(shù)見表3，燃燒參數(shù)為100個循環(huán)的統(tǒng)計值。本文中上止點前曲軸轉(zhuǎn)角記為負(fù)值，上止點后曲軸轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)燃燒特征參數(shù)

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(fā)動機(jī)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(dá)8%。由表3可知，摻混PODE后滯燃期縮短，燃燒持續(xù)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?zhèn)鞑ニ俣龋龠M(jìn)了擴(kuò)散燃燒速度，從而使燃燒持續(xù)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(fā)和霧化性能，在缸內(nèi)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(jìn)氣氧含量充足的低海拔地區(qū)，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(yōu)勢，燃用含PODE的混合柴油動力性較差。

而在高海拔地區(qū)，進(jìn)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(xù)期，提高了缺氧條件下的燃燒效率，放出了更多熱量。發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)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(fā)動機(jī)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(jīng)濟(jì)性情況，結(jié)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(jīng)濟(jì)性低于0號車用柴油，其中燃用D20含氧柴油的燃油經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)性與燃用0號車用柴油相當(dāng)。但在模擬海拔為4 000 m時，燃用含氧柴油的燃油經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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(shè)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(jīng)濟(jì)性就越差。在模擬海拔為3 000 m時，隨著進(jìn)氣量減少，燃料燃燒越來越不充分，含氧柴油的優(yōu)勢開始逐步體現(xiàn)出來，其燃油經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致的不完全燃燒，提高了燃燒效率，含氧柴油的燃油經(jīng)濟(jì)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(jié)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(jìn)氣量氧氣的減少導(dǎo)致燃料燃燒不充分，使發(fā)動機(jī)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(jìn)混合氣的形成和燃燒，氣缸內(nèi)不完全燃燒的現(xiàn)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(jī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，缸內(nèi)不完全燃燒的狀態(tài)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(jìn)氣量氧氣的減少，燃料燃燒不充分，導(dǎo)致缸內(nèi)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(fā)動機(jī)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(jī)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(jù)澤爾多維奇NOx生成機(jī)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(jī)的NOx排放量［14］。雖然PODE的加入使燃料熱值降低及燃燒持續(xù)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(jié)合圖4可知，當(dāng)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(jié)論

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

（2）在模擬海拔4 000 m時，100%負(fù)荷下燃用摻混PODE燃料后柴油機(jī)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(xù)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(jī)油耗的關(guān)鍵因素，模擬海拔低于2 000 m時，柴油機(jī)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(jīng)濟(jì)性逐漸提高，模擬海拔達(dá)到4 000 m時，柴油機(jī)燃用D20含氧柴油燃油平均經(jīng)濟(jì)性提高1.2%。

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