基于光学发动机的PODE燃烧特性试验研究

卫海桥，杨鹏晖，张少栋，张 韧，李 卫，潘家营

基于光学发动机的PODE燃烧特性试验研究

卫海桥1，杨鹏晖1，张少栋2，张 韧1，李 卫2，潘家营1

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 潍柴动力股份有限公司，潍坊 261041)

聚甲氧基二甲醚(PODE)是一种理想的柴油替代燃料，具有明显的低、高温化学反应，显著影响发动机着火性能及燃烧放热特性．在双燃料发动机中，PODE通常作为高活性燃料引燃低活性燃料，但目前关于纯PODE燃烧研究很少．本文基于一台单缸光学发动机，结合瞬态缸压采集和高速摄影同步测试方法，获得了缸压、放热率、滞燃期、燃烧持续期、火焰图像等特征参数，研究了关键参数(喷油量、进气温度、喷油时刻)对PODE燃烧特性的影响. 结果表明：在均质条件下，PODE燃烧呈现出明显的两阶段放热，混合气呈现顺序自燃；随着喷油量的增加，缸压和放热率峰值提高，高温反应提前而低温反应先推迟后提前. 分层条件下，PODE着火性能改善，燃烧持续期变短，放热率分布较为集中；随着进气温度增加，缸内热氛围改善，可燃混合气分布更加均匀，放热率峰值减小；而随着喷油时刻的推迟，缸内油气混合时间缩短，燃烧呈现从均质燃烧向扩散燃烧转变的趋势．研究结果有助于更好地理解PODE压燃燃烧特性，为PODE在内燃机中的高效清洁利用提供理论指导.

聚甲氧基二甲醚；光学发动机；压燃；喷油量；进气温度；喷油时刻

为了满足日益严格的燃油经济性和排放法规，相关学者提出均质混合气压燃、部分预混压燃等新型燃烧方式[1-4]．新型燃烧方式对发动机运行工况和燃料性质较为敏感，影响发动机燃烧和排放特性[5]．聚甲氧基二甲醚(PODE)是一种高含氧量的醚类燃料[6]，具有高十六烷值、高挥发性等优点．其密度、黏度、熔沸点等物理特性与柴油相近，可直接应用于现有柴油发动机．PODE结合新型燃烧方式有实现发动机高效清洁燃烧的潜力[7]．

Duraisamy等[8]研究发现，相比于柴油/甲醇的活性控制压缩着火(RCCI)模式，中等负荷条件下PODE/甲醇可以实现更短着火滞燃期和更低的CO、HC和碳烟排放，燃烧过程可控性显著增强．Liu等[9-10]在一台直喷式柴油机上开展了柴油/PODE掺混试验，研究表明柴油掺混10%～20%PODE能够在降低污染物排放的同时提高发动机热效率．Liu等[11]以PODE为添加剂进行了部分预混压燃模式的全负荷优化，研究发现高负荷条件下汽油掺混PODE不仅降低放热率峰值，还改善了碳烟-NO的Trade-off关系；同时，低负荷下改善了燃烧稳定性，中负荷下提高了燃油经济性和热效率．Pellegrini等[12]向柴油中掺混10%PODE进行全工况NEDC驾驶循环试验，结果表明在不使用柴油机后处理装置的条件下，通过向柴油中掺混PODE就可以满足欧盟排放法规的要求. Iannuzzi等[13]在一台单缸重型柴油机上进行柴油/PODE排放性能研究，发现掺混10%PODE可以在不明显增加NO排放的前提下明显改善碳烟排放，同时对经济性影响很小．此外，Wang等[14]在一台单缸发动机上进行纯PODE均质压燃试验，结果表明PODE具有很强的低温反应，对双燃料燃烧起促进作用．Pélerin等[15]对比了PODE和柴油特性，结果表明发动机燃用纯PODE可以显著改善尾气排放. Dworschak等[16]在一台单缸发动机上对不同碳含量的PODE进行对比研究，结果表明随PODE中碳含量增多，热效率略微下降，NO排放却可以得到显著改善．Barro等[17-18]进行了PODE发动机试验研究，结果表明相比于柴油，PODE燃烧速度更快，燃烧效率更高，碳烟和NO排放更好．

从上述研究可知，在柴油/PODE、汽油/PODE、甲醇/PODE等双燃料燃烧中，发动机燃烧和排放特性都得到大幅改善．这与PODE在柴油、汽油、甲醇等燃料着火前形成的活化热氛围有密切联系[19-21]．在双燃料燃烧模式中，高活性燃料会首先产生活性自由基、释放热量，低活性燃料受缸内热氛围或者活性自由基的影响发生着火．Lu等[22]将双燃料燃烧模式中低活性燃料的着火模式分为活性基着火、热氛围着火以及活性基-热氛围着火．研究表明，不同着火模式导致双燃料着火、燃烧放热及排放相差很大．然而，PODE燃料本身也具有明显的低、高温化学反应特性，在双燃料燃烧模式中，PODE作为高活性燃料如何影响柴油、汽油、甲醇等主要燃料的着火模式和燃烧放热并不清楚．同时，关于纯PODE的燃烧特性有待深入探究．

因此，有必要针对PODE燃料性质及关键参数对PODE燃烧放热的影响开展研究．本文基于一台单缸光学发动机，结合瞬态缸压采集和高速摄影同步测试，研究了均质和分层条件下关键参数(进气温度、喷油量、喷油时刻等)对PODE燃烧特性的影响．研究结果可为先进发动机高效清洁燃烧提供重要理论指导．

1 试验装置及研究方法

1.1 试验装置

试验是基于一台单缸四冲程光学发动机进行的．该光学发动机由General Motor 2.0T原型机改装而成，发动机主要参数如表1所示．发动机采用延长的平顶活塞，活塞由下活塞、中活塞和上活塞三部分组成．下活塞为发动机原装活塞，为光学平台提供动力；中活塞为中间镂空的连接活塞，供安装反射镜搭建光路；上活塞顶安装石英玻璃提供可视化窗口，使得高速摄影机能够直接拍摄燃烧室内火焰．试验台架和燃烧室结构布置如图1所示．其中，红色圆圈为光学视窗，半径1为31mm，覆盖喷油器和缸压传感器位置，2＝44mm为燃烧室半径．试验所选取的PODE为混合燃料，该燃料由PODE3-7混合所得，各成分占比如表2所示．

表1 光学发动机主要参数

Tab.1 Optical engine specifications

图1 光学发动机及缸盖示意

表2 PODE中各成分物理化学参数

Tab.2 Physical and chemical properties of different com-ponents in PODE

1.2 试验方法与数据处理

试验过程中，光学发动机由一台DZDC-20S直流电力测功机控制，转速为(1000±5)r/min．过量空气系数()通过安装在排气管上的Bosch宽域氧传感器来测量，测量分辨率为0.1%，响应时间为0.15s.缸内压力采集系统由一个Kistler 6125A型压电式压力传感器和一台Kistler 5018型电荷放大器组成，其采集分辨率可达0.1°CA．进气温度由一台GD-3型管式空气加热器调节并维持，精度为±1℃．发动机缸盖上装有K型热电偶温度传感器，以测量缸盖温度，其分辨率为±0.1℃．试验过程中，燃油供给方式采用进气道喷射以及缸内直喷两种，以便形成不同分布形式的可燃混合气．进气道喷油器为Bosch气道喷油器，工作压力0～1.8MPa；缸内直喷喷油器为8孔Bosch电磁式(HDEV)直喷喷油器，工作压力为6～20MPa．具体试验运行参数见表3．

表3 试验运行参数

Tab.3 Test operation parameters

高速摄影机型号为Photro SA-Z并安装有尼康AF Micro Nikkor 105mm 1∶2.8D镜头．在试验过程中，拍摄速度取6000帧/s(frames per second，fps)，分辨率取384×384．受光学发动机热负荷以及光学视窗耐久性的限制，在发动机稳定运行后，数据采集系统仅采集记录50个连续工作循环下的热力学数据以及光学数据．

发动机的燃烧稳定性由平均指示压力的循环变动系数(coefficients of variation of indicated mean effective pressure，COVIMEP)来表征，其计算式为

式中：IMEP是所计算的工况下每个循环的平均指示压力，MPa；IMEPm是所计算的工况下个循环的平均值，MPa；是所计算的工况下采集到的全部循 环数．

为了对采集到的火焰图片中的有效信息进行提取分析，基于MATLAB以及火焰传播各向同性假设对燃烧图像进行处理．基本的处理过程(如图2所示)包括：原始图像的二值化，火焰面积的识别以及火焰半径的拟合．首先，利用MATLAB中的“Mask Filter”手动定义燃烧室区域，将燃烧室外的噪声、反射等干扰信号过滤，仅保留燃烧室范围内的有效火焰图像．然后，通过“二值化-阈值化”技术对图像进行黑白二值化处理，来确定燃烧室内的火焰边界，该技术利用“灰度阈值法”实时获取各图像的阈值，获取的阈值小于/大于某个值时则被定义为未燃烧/燃烧侧，通过这一过程便可创建一个二值图像，在该图像中，已燃烧侧与未燃烧侧的边界被定义为火焰锋面．在获得二值化图像后，读取图像得到像素矩阵，将形成的像素矩阵求和，用来表征和判定火焰面积并根据火焰面积计算出火焰半径、火焰形心．最后，利用火焰圆来描述火焰图像，即将火焰面积等效为一个拟合圆，其半径是火焰半径．

图2 火焰图像边界和半径的提取方法

2 试验结果与分析

2.1 喷油量对均质混合气压燃特性的影响

为明确不同工况下发动机所需要的最小喷油量，研究了喷油量对均质混合气压燃特性的影响．发动机的进气温度为100℃，进气道喷射，喷油压力为0.7MPa．图3是不同喷油量下的缸压和放热率．喷油量为16mg时，其放热率峰值仅为6.38J/(°CA)，发动机未发生明显着火，但缸压峰值比纯压缩工况高出0.09MPa．可能的原因是少量PODE发生低温反应放热，使得燃烧室温度有所升高．随着喷油量继续增大，可燃混合气浓度增加，低温反应发生时刻提前且峰值更加明显．喷油量为18mg时，低温反应放热率峰值达到13.86J/(°CA)，低温反应使得缸内温度升高，促进后续高温反应的发生．此时，发动机出现着火，并表现出明显的低、高温放热．

图3 不同喷油量下的缸压和放热率(16～18mg)

图4给出了更多喷油量下的缸压和放热率结 果. 可以看到，随着喷油量从19mg增加至23mg，缸压峰值从4.38MPa增至5.62MPa；相应地，低温放热率峰值(ROHRmax,L)从17.85J/(°CA)增至24.60J/(°CA)，高温放热率峰值(ROHRmax,H)则从30.80J/(°CA)增至73.71J/(°CA)．这反映出喷油量对着火和燃烧放热的重要作用．

图5进一步给出了不同喷油量下低、高温反应开始时间以及放热率峰值．可以发现，除喷油量为19mg工况外，随喷油量增加，高温反应发生提前.与高温反应不同，喷油量从19mg增至21mg时，低温反应开始时间(SOIL)从-21.18°CA推迟至-18.98°CA，喷油量继续增至23mg时，SOIL又提前至-21.88°CA.随喷油量增加，一方面较高可燃混合气浓度改善着火，促进低温反应发生；另一方面较多燃油蒸发吸热，导致缸内温度下降，抑制低温反应进行．在较低喷油量工况，燃油蒸发吸热产生的抑制作用占主导地位，随喷油量增加，较高可燃混合气浓度产生的促进作用开始占主导，导致SOIL随喷油量的变化呈现一个先推迟再提前的趋势．

图4 不同喷油量下的缸压和放热率(19～23mg)

图5 喷油量的变化对PODE均质压燃燃烧特性的影响

2.2 进气温度对分层燃烧特性的影响

燃料分层有助于改善发动机低温着火过程，而进气温度在上述过程中起决定性作用．为探明进气温度变化对PODE分层燃烧特性的影响，开展了喷油量20mg、喷油脉宽1.8ms、缸内直喷、喷油压力15MPa条件下的燃烧试验．图6是进气温度(in) 40℃和65℃条件下的缸压和放热率．如图所示，提高进气温度会影响充气效率，导致进气量减少，所以进气温度40℃的缸压要比进气温度65℃高0.035MPa.但是，随进气温度增加，缸内峰值压力却显著提高，当喷油时刻(SOI)为-35°CA时相差0.1MPa，SOI＝-25°CA时相差0.17MPa．这是因为从喷油器喷出的燃油会撞击光学视窗发生燃油附壁进而发生结焦，而在低进气温度下的附壁燃油结焦量要多于高进气温度情况．在图6中还观察到，随进气温度增加，着火性能提高，却发现燃烧持续期延长，放热率峰值下降．随进气温度升高缸内热氛围改善，但由于喷油量较少，在高进气温度下会形成较为均质的低当量比预混合气，其火焰发展较慢，所以放热速率较低后燃现象严重；在低进气温度下，则更容易形成分层混合气，在低当量比条件下加速燃烧，表现为放热率上升较快，燃烧持续期较短．以SOI＝-30°CA工况为例，进气温度提高25℃，放热率峰值降低8.44J/°CA，燃烧持续期延长9.8°CA．

图6 不同进气温度下的缸压和放热率

图7为不同进气温度下的燃烧循环变动(COVIMEP)结果．当进气温度40℃、喷油量20mg时，最晚喷油时刻选为-25°CA，因为继续推迟喷油时刻会造成大量燃油结焦现象，影响光学图像的拍摄．如图7所示，随进气温度升高，COVIMEP降低，表明进气温度的升高可以改善PODE的着火稳定性．进气温度为40℃时，喷油时刻提前至-35°CA，COVIMEP＝15.94%，PODE的燃烧出现失火．随进气温度增加，发生失火的临界最早喷油时刻提前，进气温度为65℃时，在-40°CA开始出现失火，此时COVIMEP高达125.65%．这些现象都说明，进气温度的增加可以拓宽PODE小负荷压燃的运行工况范围，改善着火．

图7 不同进气温度下的燃烧循环变动

图8为不同进气温度条件下火焰发展情况的比较．在进气温度为40℃时，在压缩上止点缸内温度较低，从喷油器喷出的6注油束未能完全蒸发混合，在缸内会形成局部分层混合气，从图8中可以观察到，在未结焦的光学区域靠近排气门的位置，出现多个相互独立的初始火核，随时间的推进，初始火核不断增大，在5°CA火焰峰面产生交汇．当in＝65℃时，在光学图片上可以观察到初始火核同样首先出现在靠近排气门侧的区域，随后火焰前锋面以类似于球形火焰传播的形式不断拓展，最终充满整个燃烧室，其主要原因是随进气温度升高压缩上止点温度较高，喷出的燃油在整个燃烧室内蒸发混合，分布较为均匀.

图9给出了不同进气温度下的等效火焰半径和火焰位移速度结果，此时SOI＝－25°CA．误差带由多个循环下的等效火焰半径和火焰位移速度的标准差获得．如图9(a)所示，随进气温度升高，着火发生时刻提前，in＝40℃工况下在2°CA时刻出现火焰，而in＝65℃工况在0°CA时刻形成初始火核．不同进气温度下等效火焰半径的发展基本一致，从出现火核到火焰充满整个光学视窗需要12°CA．低进气温度条件下更容易形成分层混合气，有利于形成着火核心、促进初期火焰发展，所以在图9(b)中可以观察到，in＝40℃工况其火焰位移速度要高于in＝65℃工况．但是不同进气温度下火焰位移速度的变化趋势基本一致，初始火核出现之后，滞燃期内形成的预混合气被迅速消耗，火焰位移速度迅速提高；随着可燃混合气数量的减少，火焰位移速度开始下降，最终火焰逐渐充满整个光学视窗．

图8 不同进气温度下的火焰发展情况

图9 不同进气温度条件下等效火焰半径和火焰位移速度

2.3 喷射时刻对分层燃烧特性的影响

本节在喷油量21mg、喷油脉宽2ms、缸内直喷、15MPa喷油压力、65℃进气温度条件下，继续探究喷油时刻的变化对PODE压燃燃烧特性的影响．误差带由多个循环下的CA10～CA0、CA50、CA90～CA10的标准差得到．滞燃期(CA10～CA0)定义为从喷油时刻开始到10%累积放热量时曲轴转过的角度；燃烧持续期(CA90～CA10)定义为曲轴从10%～90%累积放热量曲轴转过的角度；CA50代表50%累积放热量所在的曲轴位置．图10为喷油时刻对燃烧性能的影响结果．在喷油时刻-80°CA工况，滞燃期长达63.2°CA，在缸内会形成低当量比均质预混合气，放热率曲线由明显的低温放热以及高温放热组成，但存在燃烧不稳定现象，放热率峰值和缸压峰值仅有10.52J/(°CA)和4.06MPa，燃烧持续期长达17.6°CA．随喷油时刻推迟，滞燃期相应缩短，在燃烧室内形成局部过浓混合气，局部着火条件改善，燃烧更加充分，缸压和放热率增大，燃烧持续期缩短．以-50°CA工况为例，缸压峰值达到4.50MPa，放热率峰值达到34.84J/(°CA)，燃烧持续期仅有6°CA．喷油时刻进一步推迟，在-30°CA工况，缸压和放热率峰值降低至4.10MPa和21.82J/(°CA)，燃烧持续期延长至15.68°CA，放热率曲线表现出明显的双峰现象，后燃现象严重．这是因为喷油时间较晚，当喷油开启时，缸内温度压力较高，喷出的燃油未完全雾化就发生着火．

图10 喷油时刻的变化对燃烧性能的影响

从图11中也可以观察到，在喷油时刻－80°CA时出现明显的多个着火点，各个着火点不断快速发展，最终，火焰均布于整个燃烧室，但火焰亮度较暗；在喷油时刻－30°CA情况下，在火焰发展后期即1°CA时，在光学图像上观察到未完全蒸发的PODE油滴着火所产生的亮黄色火焰．从这些观察结果来看，随喷油时刻推迟，PODE的燃烧存在很明显的从均质燃烧到扩散燃烧的燃烧模式转变．

图11 不同喷油时刻下的火焰发展情况

3 结 论

本文基于一台单缸光学发动机，研究了喷油量、进气温度、喷油时刻等关键参数对PODE燃烧过程的影响，主要结论如下．

(1) 在均质燃烧模式中，PODE表现出明显的低、高温两阶段着火．随喷油量的增加，可燃混合气浓度增加，促进低温反应的发生；同时，较多燃油蒸发吸热，也会导致缸内温度降低，抑制低温反应的发生．综合来看，随着喷油量的增加，低温反应开始时间先推迟后提前．

(2) 进气温度的增加改善了缸内热氛围，促进了着火，从而拓宽PODE燃烧的运转范围．同时，低进气温度下PODE的燃烧更倾向于分层燃烧，而在较高进气温度下PODE的燃烧则呈现均质燃烧的特点.

(3) 随喷油时刻的推迟，缸内油气混合时间变短，PODE燃烧呈现出从均质燃烧到部分预混燃烧再到扩散燃烧的燃烧模式转变．PODE在部分预混燃烧模式表现出最佳的着火性能．

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Experimental Investigation of Combustion Characteristics of Polymethoxy Dimethyl Ether in an Optical Engine

Wei Haiqiao1，Yang Penghui1，Zhang Shaodong2，Zhang Ren1，Li Wei2，Pan Jiaying1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261041，China)

Polymethoxy dimethyl ether(PODE)is an ideal fuel as a diesel alternative with obvious low- and high-temperature chemical reactions. It considerably affects engine ignition and combustion heat release. In a dual fuel combustion mode，PODE is usually used as a high-reactivity fuel to ignite low-reactivity fuels；however，only a few studies have investigated the combustion characteristics of pure PODE fuel. This study obtained a series of characteristic parameters，including cylinder pressure，heat-release rate，ignition delay，combustion duration，and flame image based on a single-cylinder optical engine with transient cylinder pressure acquisition and a high-speed photographic synchronization test. The influence of the key parameters，namely，fuel injection volume，intake air temperature，and fuel injection timing，on the characteristics of the PODE compression ignition，was studied. The results show that under homogeneous charge conditions，PODE combustion presents an obvious two-stage heat release and the combustible mixture undergoes sequential spontaneous combustion. The cylinder pressure and peak heat-release rate increase with an increase in fuel injection. The high-temperature response is advanced，while the low-temperature reaction is delayed and then advanced. Under partially premixed conditions，the ignition performance of PODE is improved，the combustion duration is shorter，and the heat-release rate rises sharply. As the intake air temperature increases，the thermal atmosphere in the cylinder improves，the fuel is evenly distributed throughout the combustion chamber，and the peak heat-release rate decreases. The oil and gas mixing time in the cylinder is reduced as the injection time is delayed；the PODE combustion changes from homogeneous compression ignition to diffusion combustion. This research’s results help to better understand the compression ignition characteristics of PODE and provide theoretical guidance for the efficient and clean utilization of PODE in internal combustion engines.

polymethoxy dimethyl ether；optical engine；compression ignition；injection quality；intake air temperature；injection timing

10.11784/tdxbz202105062

TK448.21

A

0493-2137(2022)07-0737-08

2021-05-31；

2021-07-12.

卫海桥（1974—  ），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

潘家营，jypan@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(52076149，51825603).

the National Natural Science Foundation of China(No. 52076149，No. 51825603).

(责任编辑：金顺爱)