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)。
NOTES
*通讯作者。