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Advances in Environmental Protection
Vol. 11  No. 06 ( 2021 ), Article ID: 47194 , 8 pages
10.12677/AEP.2021.116139

供油提前角对柴油/PODEn混合燃料排放特性影响的试验研究

赵玉伟1*，拉巴桑珠2，袁华2，常超全2，张星2，郑文秀1

1空军工程大学防空反导学院，陕西 西安

2中国人民解放军77618部队，西藏 拉萨

收稿日期：2021年11月5日；录用日期：2021年12月7日；发布日期：2021年12月15日

摘要

在一台云内动力2102QB型柴油机上开展了燃用柴油/PODEn混合燃料的台架试验研究，并分析了供油提前角对PODEn质量分数为30%时柴油机排放特性的影响规律。结果表明：PODEn的掺入改善了柴油机的排放，尤其是中低负荷工况下柴油机的CO排放和碳烟排放均处于较低水平。随着供油提前角的减小，HC排放呈现增加的趋势；CO排放也逐渐增加，中低负荷下增加的幅度较小，高负荷下增加的幅度较大；NOx排放逐渐降低，当供油提前角为18˚CA BTDC时，NOx排放降低的幅度较大；中低负荷工况下，碳烟排放没有明显变化，高负荷工况下，碳烟排放逐渐增多。

关键词

供油提前角，聚甲氧基二甲醚(PODEn)，排放特性，柴油机

Experimental Study on the Effects of Fuel Supply Advance Angle on the Emission Characteristics of Diesel/PODEn Blends

Yuwei Zhao1*, Lhakpa Samdrup2, Hua Yuan2, Chaoquan Chang2, Xing Zhang2, Wenxiu Zheng1

1Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an Shaanxi

2Unit 77618 of the Chinese People’s Liberation Army, Lhasa Tibet

Received: Nov. 5th, 2021; accepted: Dec. 7th, 2021; published: Dec. 15th, 2021

ABSTRACT

Experimental study was conducted on a YUNNEI power 2102QB diesel engine fueled with diesel/ PODEn blends, and the effects of fuel supply advance angle on the emission characteristics of Diesel/PODEn blends (PODEn mass fraction of 30%) was studied in this paper. Results showed that the addition of PODEn improved the emissions of diesel engine, especially the CO and soot emission were at a low level at medium and low load conditions. With the decrease of fuel supply advance angle, HC emission increased. CO emission also increased gradually, with a small increase at medium and low load and a large increase at high load. NOx emission decreased greatly when the fuel supply advance angle is 18˚CA before top dead center (BTDC). The soot emission did not change significantly at medium and low load conditions and increased gradually at high load condition.

Keywords:Fuel Supply Advance Angle, Polyoxymethylene Dimethyl Ethers (PODEn), Emission Characteristics, Diesel Engine

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

随着世界范围内环境污染的日趋严重和能源危机的不断加剧，汽车发动机的尾气排放逐渐成为内燃机学者研究的重点 [1] [2] [3] [4] 。柴油机的动力性、经济性以及排放特性都优于汽油机，因此在汽车上得到越来越广泛的应用 [5] [6] [7] 。研究表明，在柴油中掺混一定比例的含氧燃料，混合燃料的含氧量和十六烷值等特性发生改变，进而影响柴油机的燃料喷雾特性、燃烧过程和污染物排放 [8] [9] [10] 。通过选择优质的含氧替代燃料并调整喷油和进气等关键参数，能够改善柴油机的性能，达到高效、清洁燃烧的目的。

聚甲氧基二甲醚(Polyoxymethylene Dimethyl Ethers, PODEn)是一种理化特性与柴油相近的新型柴油含氧添加剂，其化学表达式为CH3O(CH2O)nCH3 (聚合度2 ≤ n ≤ 8) [11] 。近年来，国内外内燃机研究人员广泛开展了柴油机燃用柴油/PODEn混合燃料的台架试验研究 [12] [13] [14] [15] 。结果表明，掺混PODEn以后柴油的滞燃期略有缩短，扩散燃烧速度加快，有利于柴油机热效率的提高；同时，柴油机的排放特性得到有效改善，尤其是碳烟颗粒物排放，均有较大幅度的降低 [16] [17] 。

供油提前角对柴油机的燃烧与排放特性有重要的影响，供油提前角的变化会影响燃料与空气的混合时间、燃料的滞燃期、预混燃烧所占比例和缸内最高压力等参数，进而影响柴油机污染物的生成 [18] [19] [20] 。掺混PODEn以后混合燃料的理化特性与柴油有所不同，柴油机的燃烧过程和污染物排放也会发生变化。为研究供油提前角对柴油/PODEn混合燃料排放特性的影响，本文对PODEn掺混比例为30%的混合燃料进行了不同供油提前角下的台架试验，并对柴油机的排放特性进行了分析。

2. 试验台架及设备

本试验采用的发动机是昆明云内动力股份有限公司生产的2102QB型柴油机，该发动机为双缸、四冲程、自然吸气、水冷、直喷式柴油机，其主要技术参数如表1所示。

Table 1. Main specifications of 2102QB diesel engine

表1. 2102QB型柴油机主要技术参数

本试验的发动机台架布置如图1所示。试验过程中利用缸压传感器、角标器、电荷放大器以及数据采集仪测量缸内压力；利用湘仪FC2210Z型智能油耗仪测量油耗；尾气排放测量是通过从排气总管中分流，并连接HORIBA公司的MEXA 7100DEGR型气体排放分析仪测量HC、CO和NOx排放，利用MEXA-600S型烟度仪测量碳烟排放。试验过程中，尾气分析仪和烟度计均持续测量1 min，取测量值的平均值作为试验结果。发动机试验控制系统用来调节发动机的运行工况，根据需要改变发动机的运转参数；负载加载由湘仪公司的CW-500型电涡流测功机完成；循环水冷却系统可以监测冷却水温和机油温度等，当其超出预设范围时设备会自动报警，提醒操作人员调节冷却水流量。

Figure 1. Schematic diagram of the experimental set-up

图1. 发动机台架布置示意图

本试验所用的柴油为0#商用柴油，所用的PODEn为山东盛荣化工公司生产的纯度为99.9%的工业用PODEn，试验所用燃料为PODEn质量分数为30%的柴油/PODEn混合燃料(标记为P30D70)。选取n = 1500 r/min、n = 2000 r/min两个转速，每种转速下最大负荷的10%、25%、50%、75%和100%在内的5种由低到高的负荷作为试验工况点，对应的平均有效压力(BMEP)分别为0.06684 MPa、0.1671 MPa、0.3342 MPa、0.5013 MPa、0.6684 MPa。

3. 试验结果及分析

3.1. 供油提前角对HC排放的影响

图2所示为不同转速、不同工况下，供油提前角对柴油机燃用P30D70时HC排放的影响。从图中可以看出，随着供油提前角的减小，HC排放呈现增加的趋势。如图2(a)所示，在n = 1500 r/min、BMEP = 0.3342 MPa工况下，供油提前角为18˚CA BTDC和22˚CA BTDC时的HC排放比供油提前角为25˚CA BTDC时分别增加了25.4%和14.9%。如图2(b)所示，在n = 2000 r/min、BMEP = 0.3342 MPa工况下，供油提前角为18˚CA BTDC和22˚CA BTDC时的HC排放比供油提前角为25˚CA BTDC时分别增加了17.2%和12.2%。

供油提前角的减小使得喷油时刻推后，不利于燃料与新鲜空气的混合，降低了可燃混合气均匀性，过稀混合气区域增多，因此HC排放增加。同时，着火时刻推迟，预混燃烧放热量减少，使得缸内最高温度下降，不利于HC的氧化，导致HC排放进一步增加。从图中还可以看出，同一负荷下，n = 2000 r/min工况下的HC排放低于n = 1500 r/min工况。这是由于转速增加以后，气缸内的湍流增强，燃料与空气混合更加均匀，HC排放降低，而且缸内温度随着转速的增加而升高，有利于HC的氧化。

Figure 2. Effects of fuel supply advance angle on HC emission

图2. 供油提前角对柴油机HC排放的影响

3.2. 供油提前角对CO排放的影响

图3所示为不同转速、不同工况下，供油提前角对柴油机燃用P30D70时CO排放的影响。从图中可以看出，CO排放随供油提前角的减小而增加，而且在中低负荷下，CO排放增加的幅度较小，在高负荷下，增加的幅度较大。如图3(a)所示，在BMEP = 0.1671 MPa和BMEP = 0.5013 MPa工况下，供油提前角为18˚CA BTDC时的CO排放分别比供油提前角为25˚CA BTDC时增加了0.006%和0.024%，但此时的CO排放依然很低；而在CO排放较高的高负荷工况下，如BMEP = 0.6684 MPa时，供油提前角为18˚CA BTDC时的CO排放比供油提前角为25˚CA BTDC时增加了0.038%。总体来说，改变供油提前角导致的CO排放增加的幅度在可接受的范围内。

供油提前角减小后，燃料与空气的混合时间缩短，不利于燃料的燃烧以及CO的氧化，导致CO排放的增加。在中低负荷下，气缸内氧气充足，过量空气系数较大，且随着高含氧PODEn的掺入，缺氧区域进一步较少，使得CO排放较低，供油提前角的减小对CO排放的影响较小。而在高负荷下，气缸内的氧气减少，过量空气系数减小，CO排放增多，且随着供油提前角的减小导致CO排放进一步增多。从图中还可以看出，同一负荷下，n = 2000 r/min工况下的CO排放低于n = 1500 r/min工况。这是因为转速增加后，气缸内气流运动加强，燃料与新鲜空气的混合得到改善，从而有利于新鲜空气中氧气的利用，促进了CO的氧化。同时转速增加后，排温增加，也促进了CO的后氧化。

Figure 3. Effects of fuel supply advance angle on CO emission

图3. 供油提前角对柴油机CO排放的影响

3.3. 供油提前角对NOx排放的影响

图4所示为不同转速、不同工况下，供油提前角对柴油机燃用P30D70时NOx排放的影响。从图中可以看出，随着供油提前角的减小，NOx排放逐渐降低，而且当供油提前角由22˚CA BTDC减小到18˚CA BTDC时，NOx排放得到了显著的降低。如图4(a)所示，在BMEP = 0.1671 MPa和BMEP = 0.6684 MPa工况下，供油提前角为22˚CA BTDC时的NOx排放比供油提前角为25˚CA BTDC时分别降低了6.39%和8.3%，供油提前角为18˚CA BTDC时的NOx排放比供油提前角为25˚CA BTDC时分别降低了39.4%和32.9%。可见，减小供油提前角对降低柴油/PODEn混合燃料的NOx排放有显著作用，可以通过适当减小供油提前角来改善由于PODEn的加入所导致的NOx排放增加的情况。

Figure 4. Effects of fuel supply advance angle on NOx emission

图4. 供油提前角对柴油机NOx排放的影响

随着供油提前角的减小，喷油时刻推迟，燃料与新鲜空气的混合时间缩短，从而降低了预混燃烧燃料的比例，使得缸内最大压力和最高温度降低，且高温持续时间缩短，进而抑制了NOx的生成。低负荷工况下，缸内温度相对较低，NOx生成量较少，而高负荷工况下，缸内温度迅速升高，NOx排放显著增加，因此随供油提前角的减小，高负荷工况下NOx排放的降低幅度更大。此外，随着转速的升高，燃料的燃烧时间缩短，使得高温持续期逐渐缩短，因此NOx排放显著减少。

3.4. 供油提前角对碳烟排放的影响

本试验用不透光烟度计测量柴油机尾气的不透光度，并用不透光度来定量表征碳烟排放。图5所示为不同转速、不同工况下，供油提前角对柴油机燃用P30D70时不透光度的影响。从图中可以看出，在中低负荷工况下，不透光度较小，只有在高负荷工况不透光度才突然增大，而且随着供油提前角的减小，不透光度进一步增大。如图5(a)所示，在BMEP = 0.6684 MPa的高负荷工况下，供油提前角为22˚CA BTDC和18˚CA BTDC时的不透光度比供油提前角为25˚CA BTDC时分别增加了50%和66.7%。如图5(b)所示，在BMEP = 0.6684 MPa的高负荷工况下，供油提前角为22˚CA BTDC和18˚CA BTDC时的不透光度比供油提前角为25˚CA BTDC时分别增加了40%和60%。

碳烟生成的主要条件是高温和缺氧 [21] ，PODEn的掺入使得柴油/PODEn混合燃料的汽化潜热增大，燃料喷射进入气缸以后会蒸发并吸收部分热量，导致缸内温度有所降低。同时，由于PODEn含氧量较高，提高了气缸内氧气浓度，从而抑制碳烟的生成。此外，由于PODEn分子中不含C-C键，进一步减少了碳烟的生成量。因此，n = 1500 r/min时，中低负荷工况下，碳烟排放几乎为0，且随供油提前角的减小没有明显变化。n = 2000 r/min时，由于温度升高，中低负荷下碳烟排放逐渐增多，且随着供油提前角的减小进一步增多。这是由于供油提前角减小以后喷油时刻推迟，缩短了燃油与空气的混合时间，增加了扩散燃烧的比例，而碳烟主要生成于扩散火焰中混合气较浓的区域，因此减小供油提前角导致了碳烟排放的增加。从图中还可以看出，在BMEP = 0.6684 MPa工况下，两种转速下的碳烟排放显著增多，且随供油提前角的减小而增多。这是因为大负荷工况下，缸内温度升高，同时氧浓度降低，促进了碳烟的生成。

Figure 5. Effects of fuel supply advance angle on soot emission

图5. 供油提前角对柴油机碳烟排放的影响

4. 结论

本文开展了柴油机燃用柴油/PODEn混合燃料(PODEn质量分数为30%)的台架试验研究，并分析了供油提前角对柴油机排放特性的影响，得到以下结论：

1) 由于PODEn的掺入，中低负荷工况下柴油机的CO排放和碳烟排放均处于较低水平，且随着供油提前角的改变而变化的幅度不大；高负荷工况下CO排放和碳烟排放均迅速升高，且随着供油提前角的减小进一步增多。

2) 随着供油提前角的减小，HC排放逐渐增多，但NOx排放逐渐降低，且当供油提前角为18˚CA BTDC时降低幅度较大。随着转速的升高，同一负荷下的HC排放、CO排放和NOx排放均显著减少。

基金项目

国家自然科学基金项目(52106191)；陕西省自然科学基础研究计划(2020JQ-475)。

文章引用

赵玉伟,拉巴桑珠,袁 华,常超全,张 星,郑文秀. 供油提前角对柴油/PODEn混合燃料排放特性影响的试验研究
Experimental Study on the Effects of Fuel Supply Advance Angle on the Emission Characteristics of Diesel/PODEn Blends[J]. 环境保护前沿, 2021, 11(06): 1156-1163. https://doi.org/10.12677/AEP.2021.116139

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    22. NOTES

    *通讯作者。

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