PODE煤基燃料對柴油機的燃燒與排放特性研究

陶冠臻

(集美大學輪機工程學院，廈門 361021)

0 引 言

柴油機在動力性和燃燒效率方面都遠優于汽油機，廣泛應用于重型機械和工程建設領域，但是柴油機的廢氣排放問題一直是研究者們關注的焦點，為了應對更為嚴苛的排放標準，各國研究者們都提出了很多具有建設性的改進建議，例如改善柴油機的燃燒方式(均質壓燃技術[1]、低溫燃燒技術[2]、無氮燃燒技術[3]等等)、柴油機的尾氣凈化處理(加裝尾氣凈化裝置、尾氣顆粒捕捉器等等)、采用含氧混合燃料(生物柴油、煤基燃料)，其中第一種改善排放問題的方法尚在研發當中還存在著許多缺點，第二種方法所能起到的作用有限，所以在現階段有效且具體可行的方案是第三種，含氧混合燃料是指將醇類，醚類、酯類含氧燃料以一定比例與柴油混合改變柴油的理化特性，進而改善柴油機的燃燒和排放特性。

煤炭作為中國的最主要化石燃料大約占每年的化石燃料消耗量的70%，煤炭主要應用于火力發電以及提取工業原料[4]，中國已經具有較為成熟的煤炭應用技術，通過一定的轉換方法可以將煤炭轉換成其它形式的能源，例如通過煤炭裂解技術將煤炭分解成二甲醚或者甲醇，通過煤炭液化技術將煤炭間接或者之間轉換成燃油，由此可以為新型含氧燃料的開發提供新的思路。

聚甲氧基二甲醚(PODE)是通過煤炭裂解產生的甲醇、二甲醚、多聚甲醛聚合形成的新型煤基燃料，在常溫狀態下是液態，所以相較于甲醇、二甲醚等更加容易儲存，而且其最大的優點是十六烷值和含氧量較高，所以在與化石燃料混合的過程中不會出現由于十六烷值降低導致柴油機爆震的問題，含氧量較高可以有效改善柴油機的廢氣排放顆粒，優化柴油的燃燒特性。現階段的PODE的研究方向大多在優化其合成工藝上，較少有對于PODE在柴油機的應用研究。

1 混合燃料的制備與理化參數分析

1.1 制備方法

PODE的化學式是CH3O(CH2O)iCH3，其中化學式中的i表示為聚合度，即PODE分子中的甲氧基的數目，當i=0時表示為二甲醚和甲醇的聚合物，與柴油混合不僅會提高柴油的蒸氣壓還會降低柴油的黏度，i=1和2分別代表甲縮醛和二聚甲醛，這兩者的沸點都較低所以不適合作為含氧燃料，聚合度大于8的PODE在較低溫度下會出現結晶現象。所以常規的PODE的聚合度會選擇3-8之間，文中選擇的聚合度為6的PODE，這樣可以保證PODE和柴油互溶穩定不分層并且還兼具較高的十六烷值和含氧量，在2019年陜西省袞州市已經建成了年產量達到50萬噸的PODE生產線以及配套設備，而且全國各地大多都已經建成了萬噸產量生產線，這些生產線為PODE的廣泛應用提供了可能性。

文中選擇的化石柴油為國Ⅴ0#柴油，PODE原料選擇湖北鑫潤德化工有限公司生產的產品，兩者的主要理化特性參數見表1，分別選取四份體積相同的柴油樣品。在前三個樣品中加入體積分數為5%、10%、15%的PODE充分混合，得到四組實驗樣品。

1.2 十六烷值

十六烷值是評價柴油品質的重要指標，品質良好的柴油應該具有中等偏上的十六烷值，理論上來講十六烷值越高的柴油自燃性越好，柴油的

表1 國Ⅴ0#柴油及PODE理化特性參數

滯燃期較短，柴油機的工作越平穩，越有利于柴油機的冷啟動[5]。但是過高的十六烷值柴油會造成部分柴油不完全燃燒導致廢氣排放煙度較大，過低的十六烷值柴油會由于柴油的自燃性較差導致柴油機工作狀態較差引起爆震現象，一般的柴油十六烷值選擇范圍在40～65之間，在保證柴油自燃性的同時限制排放廢氣的顆粒分布。

柴油中十六烷值的大小取決于柴油中的烷烴類分子的數量，一般來講，正構烷烴的十六烷值最高、稠環芳烴的十六烷值最低，其余的烷烴類分子的十六烷值介于這兩者之間[6]，對于文章中混合燃料的十六烷值的計算如果采用直接測量計算的方式過程較為繁瑣，文中可以采用經驗公式對混合燃料的十六烷值進行大致的計算，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表示柴油的體積分數，通過計算三組實驗材料的十六烷值分別是52.15、53.3、54.45，由此可以看出隨著PODE體積分數的增加，混合燃料的十六烷值在逐漸增加，每增加一個單位的十六烷值，PODE的體積分數大約增加5%。

1.3 含氧量與低熱值

含氧量和低熱值都是評價柴油燃燒性能的重要指標，其中含氧量是原始化石燃料不具備的理化特性參數，是加入的其它含氧添加劑才會存在的指標。柴油由于其組分和燃燒方式的特殊性極易導致燃燒室局部高溫缺氧，進而導致部分燃料無法完全燃燒其外部表現為尾氣有黑煙，通過添加氧的含量可以有效改變柴油的燃燒狀態提高燃燒室的熱效率降低廢氣排放煙度，混合燃料中氧含量的計算公式如下：

(2)

式中，ρD,QD分別代表柴油的密度和含氧量；ρP,QP分別代表PODE的密度和含氧量；x代表柴油的體積分數。

每一立方米燃料完全燃燒所釋放的熱量被稱為高位發熱值，在實際熱量計算中需要將產生水蒸氣熱量排除，此時釋放的熱量被稱為低位發熱值又被稱為低熱值，低熱值是評價燃料燃燒品質的重要參數[7]，一般要求低熱值越高越好，混合燃料的低熱值計算公式類似于含氧量計算公式，具體公式如下：

(3)

式中，HD和HP分別代表柴油和PODE的低熱值，通過計算可以得出混合燃料的含氧量與低熱值的變化規律，隨著PODE體積分數的增加，混合燃料的含氧量在逐漸提高，低熱值在逐漸降低，具體計算數據見表2。

表2 含氧量與低熱值

1.4 活化能

對于混合燃料的活化能的計算可以反映混合燃料的燃燒特性，活化能是指反應物從常態轉變成活化態需要的最低能量，活化能越低越容易發生反應，在燃燒動力學分析中常采用Coast-Redfern 積分法來計算燃料的活化能[8]，具體公式如下：

(4)

式中，G(α)表示關于燃燒反應級數的燃燒機理函數；α表示燃料的燃燒轉化率；T表示燃燒反應溫度；A表示頻率因子；R表示氣體分子摩爾常量；β表示燃燒反應升溫速率；E表示燃料的活化能；燃燒機理函數如下：

(5)

式中，j表示燃燒過程的反應級數，其取值范圍通常在1-3之間，在繪制熱動力擬合曲線時首先要選擇好合適的反應級數，以積分左端的公式作為曲線的縱坐標，以1/T作為橫坐標繪制曲線，通過擬合曲線求出頻率因子A和燃料活化能E。

文中只分析在純氧環境下的混合燃料的活化能，混合燃料的燃燒反應級數為1級，所以燃燒機理函數如下：

G(α)=-ln(1-α)

(6)

如表3所示是在純氧環境下四個實驗樣本的線性曲線參數表，曲線的線性回歸程度大于0.99，具有較高的置信度。

表3 線性曲線參數表

隨著PODE體積分數的增加，混合燃料的活化能在不斷降低，可以使混合燃料具有良好的低溫可燃性，這證明了PODE的加入提高了混合燃料的氧化性和蒸發性，同時也說明了混合燃料在純氧環境下具有良好的氧化活性。

2 燃燒與排放特性分析

2.1 柴油機參數與實驗設備

文中采用YC6B80C型號船舶用發動機作為實驗機型，實驗室安裝的實驗設備作為實驗平臺，實驗樣機和實驗設備的具體參數見表4和表5，實驗臺架如圖1所示。

表4 柴油機參數表

表5 實驗設備參數表

整個實驗的具體操作步驟如下：

(1)對每個實驗設備進行檢查保證每個儀器無故障且測量精準，具體工作包括檢查柴油機的運行狀況、對測量儀器進行零點校準、對于需要預熱的儀器提前進行預熱、檢查各個連接線是否存在錯誤。

(2)在正式開始測試實驗時對柴油機進行暖機預熱使發動機的機油和冷卻液溫度達到80 ℃左右，通過測功機將柴油機的轉速調整至額定轉速1 500 r/min,柴油機在全負荷狀態下的平均有效壓力(MEP)為0.85 MPa，在全負荷狀態下柴油機運行100個循環工況采集氣缸壓力的變化值，計算這些數值的平均值，并且通過熱力學公式計算缸內壓力上升率、瞬時放熱率等燃燒特性參數。

(3)通過調整發動機負荷率比較混合燃料的排放特性，選擇四個等級的負荷率進行試驗分別是25%、50%、75%、100%。其對應的MEP分別是0.2125、0.425、0.6375、0.85 MPa。通過調整MEP實現對柴油機負荷率的調整，采集排氣組分數據。

(4)為了避免試驗樣本之間的互相影響，應該依次對樣品進行試驗，在完成一種樣品的所有的數據采集之后再使用下一種樣品，并且在使用下一種樣品之前可以先使用該樣品對油路進行清洗。

2.2 燃燒特性分析

燃燒特性的各項數據是在全負荷轉速為1 500 r/min的工作狀態下采集的，如圖2所示是四組樣品燃燒時氣缸內的壓力變化圖，從圖像中可以看出，隨著混合燃料中PODE體積分數的增加，混合燃料的氣缸壓力峰值和對應的曲軸轉角都有所提前，三種混合燃料的氣缸壓力峰值分別為6.59、6.74、6.92 MPa，柴油燃燒的氣缸壓力峰值是6.45 MPa。三種混合燃料壓力峰值的曲軸轉角分別為9°CA、10°CA、10.5°CA，柴油的曲軸轉角是11°CA。

分析產生這種實驗結果的原因，PODE的體積分數的增加影響了混合燃料中的十六烷值，使得燃料燃燒的滯燃期縮短，但是PODE優良的高溫揮發性抵消了由于滯燃期縮短帶來的可燃混合氣形成減小的影響，PODE中的含氧量可以使燃料燃燒得更為充分，所以氣缸壓力峰值提前，并且混合燃料的預混燃燒過程相較于柴油燃燒跟接近于燃燒上止點，所以氣缸壓力峰值有所增長。

如圖3所示是四組燃料燃燒時的放熱率曲線圖，從圖像中可以看出四組樣品的放熱率曲線均存在兩個峰值，這兩個峰值對應的燃燒過程分別是預混燃燒過程和擴散燃燒過程[9]，在預混燃燒過程中柴油的放熱率是最高的達到了43 kJ/m3·CA,P15混合燃料放熱率峰值明顯低于其它三組樣品。在擴散燃燒過程中，三組混合燃料的放熱率峰值均高于柴油，而且還可以看出混合燃料的放熱曲線要比柴油放熱曲線提前。

預混燃燒階段的燃料放熱率峰值主要取決于燃料形成的可燃混合氣的數量與質量，由氣缸圧力曲線可以得知混合燃料的十六烷值的增加影響了燃料滯燃期形成的可燃混合氣的數量，由此會使得混合燃料中PODE體積分數的增加直接減小預混燃燒階段的放熱率峰值，在P5混合燃料中雖然滯燃期產生的可燃混合氣減少，但是PODE的含氧量對于燃燒過程起到了極大地促進作用所以放熱曲線和柴油相近。在擴散燃燒階段，PODE良好的高溫蒸發性有利于可燃混合氣的均勻分布，使擴散燃燒速率增加并且促進燃料的充分燃燒，所以在該階段混合燃料的放熱率峰值均高于柴油。

表5和表6分別是柴油機在不同負荷率下四組樣品的比油耗和有效熱效率的參數，對參數進行對比分析。

表5 比油耗

表6 有效熱效率

對比四組樣品的比油耗可以看出，隨著PODE體積分數的增加，混合燃料的低熱值在逐漸降低所以釋放相同的熱量需要更多的燃油，在100%負荷率工況下，三組混合燃料的比油耗相對于柴油分別增加了0.97%、7.04%、10.38%。對比四組樣品的有效熱效率可以發現在低于75%負荷率的工況下，混合燃料中PODE的體積分數越大燃油有效熱效率越高，但是在全負荷工況下，P15的有效熱效率有所下降，這是由于PODE蒸發量的增大導致形成的可燃混合氣過稀反而影響了燃料的熱效率，在全負荷工況下，三組混合燃料的有效熱效率相較于柴油分別增加了3.38%、6.77%、5.54%。

2.3 CO排放分析

CO的主要來源是化石燃料不完全燃燒的產物或者燃燒過程產生的中間產物，引起柴油機燃料不完全燃燒的主要原因有兩種，第一種是溫度過高或者混合氣分布不均引起的燃燒室局部缺氧；第二種是可燃混合氣溫度過低引起的無法完全燃燒[10]。如圖4所示是在額定轉速不同負荷率下四組燃料的燃燒產物中CO的含量變化圖。

從圖像中可以看出從25%負荷率到75%負荷率，尾氣中CO的含量在逐漸降低；從75%負荷率到全負荷工況，降低趨勢明顯減緩，并且柴油的燃燒產物中CO的含量有所增長，在全負荷工況下三種混合燃料相較于柴油的尾氣CO含量分別降低了9.4%、11.8%、13.7%。尾氣中CO的含量主要受氣缸溫度和氧含量這兩者的影響，在中低負荷工況下，氣缸的溫度不會升高到極高的水平，隨著發動機負荷的增加會導致氣缸內溫度升高所以產生的CO含量會逐漸降低，并且由于PODE的加入燃料中的氧含量增加促進混合燃料的充分燃燒，但是在全負荷工況下，由于噴油量的增大導致氣缸內混合氣過濃并且氣缸溫度較高所以容易導致燃料的不完全燃燒，所以柴油燃燒產生的CO含量不降反增。

2.4 碳氫化合物排放分析

碳氫化合物可以簡寫為HC，它是由未完全燃燒的燃料或者進入氣缸的潤滑油所產生的，柴油燃燒過程的滯燃期與氣缸平均燃燒溫度對HC的產生有較大的影響，在柴油燃燒的滯燃期，燃油與過量空氣混合形成過稀的混合氣，該混合氣無法達到燃料的著火極限所以無法完全燃燒進而形成HC[11]。如圖5所示是不同負荷率下四組燃料的燃燒產物中HC的含量變化圖。

從圖像中可以看出和CO排放相似的變化趨勢，在中低負荷工況下，HC均出現逐漸降低的趨勢，但是和CO變化趨勢不同的地方在于在全負荷工況下HC的排放量均有所提高，在全負荷工況下三種混合燃料相較于柴油的尾氣HC含量分別降低了21.6%、27.4%、23.9%。由于混合燃料燃燒滯燃期的縮短導致過稀混合氣的形成量減少，進而減少了HC的排放量，但是隨著混合燃料中PODE體積分數的增大導致混合燃料的低熱值在不斷降低，使得混合燃料的放熱量峰值也在不斷降低，導致HC的排放量在全負荷工況下有所增長。

2.5 排氣煙度分析

排氣煙度的主要指標是排放廢氣中顆粒物的數量和大小[12]，其顆粒物的主要產生原因依舊是燃料的不完全燃燒，排放廢氣中的顆粒物成分大概包含有三種：無機鹽顆粒、重金屬顆粒、有機物顆粒。測量排氣煙度是通過比較煙度計濾紙的不透光率實現的，濾紙透光度越差排氣煙度越高最高為10。如圖6所示是不同負荷率下四組燃料的燃燒產物煙度變化圖。

從圖像中可以看出，隨著柴油機負荷率的不斷增加排氣煙度也在不斷增加，而且全負荷工況下產生廢氣煙度最大，在全負荷工況下三種混合燃料相較于柴油的尾氣煙度分別降低了27.9%、31.5%、33.7%。在全負荷工況下，隨著噴油量的增加更加容易導致油氣混合的不均勻，在高溫缺氧環境下形成有機物顆粒的混合物即碳煙，PODE的加入不僅提高了燃燒環境中氧的含量而且促進了燃料的霧化，使得燃料可以更好地與空氣混合，降低碳煙的排放。

2.6 氮氧化合物排放分析

氮氧化合物的簡稱是NOx，其主要成分包括NO和NO2，氮氧化合物的絕大部分組分是NO，大約占90%，其它形式的氮氧化合物占10%，NO的生成條件是在高溫高壓富氧環境，NO的產生量取決于氣缸燃燒溫度、氣缸氧氣濃度、高溫滯留時間，現在為了減少柴油燃燒尾氣中NO的含量，大多會采用廢氣再循環技術(EGR)，但是EGR有一個致命的缺點是廢氣循環過多會影響柴油機的動力性，所以現在EGR的主流研究方向是如何精確控制廢氣的循環量，平衡動力性和廢氣產物的關系。如圖7所示是是不同負荷率下四組燃料的燃燒產物中氮氧化合物的含量變化圖。

從圖像中可以看出隨著柴油機負荷率的增加，氮氧化合物的含量也在不斷增加，并且在中低負荷率工況下，四組樣品的氮氧化合物的排放量大致相同，在全負荷工況下，P5、P10混合燃料的NOx排放量相較于柴油增加了2.8%、0.4%，P15的NOx排放量減少了3.2%。在全負荷工況下，混合燃料的放熱率峰值提前并且氧含量增加造成高溫富氧的環境導致NOx的產生量增加，但是隨著PODE體積分數的增加，導致混合燃料的低熱值在逐漸降低，在圖4中可以看出預混燃燒階段P15的放熱率峰值明顯低于柴油，由此降低了NOx的排放量。

3 結束語

(1)在全負荷工況下，混合燃料燃燒的氣缸壓力峰值相較于柴油燃燒要更高，并且峰值相位隨著PODE體積分數的增加而提前。

(2)燃料放熱率呈現明顯的雙峰趨勢，在預混燃燒階段燃燒率峰值隨著PODE體積分數的增加而下降，在擴散燃燒階段燃料霧化與空氣充分混合，混合燃料的放熱率峰值有所提高。

(3)三組混合燃料的比油耗相對于柴油分別增加了0.97%、7.04%、10.38%。在中低負荷工況下，隨著PODE的體積分數增加燃油有效熱效率提高，但是在全負荷工況下，P15的有效熱效率有所下降，這是由于PODE蒸發量的增大導致形成的可燃混合氣過稀反而影響了燃料的熱效率，在全負荷工況下，三組混合燃料的有效熱效率相較于柴油分別增加了3.38%、6.77%、5.54%。

(4)在全負荷工況下，與柴油燃燒排放廢氣相比，三種混合燃料的CO含量分別降低了9.4%、11.8%、13.7%；HC含量分別降低了21.6%、27.4%、23.9%；煙度分別降低了27.9%、31.5%、33.7%；NOx的排放量差距較小。