噴油時(shí)刻對(duì)摻混2，5-二甲基呋喃燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放試驗(yàn)研究

張高燈

Zhang Gaodeng

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 發(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CAE實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

噴油時(shí)刻對(duì)摻混2，5-二甲基呋喃燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放試驗(yàn)研究

張高燈

Zhang Gaodeng

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 發(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CAE實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

隨著全球化石能源的日益枯竭以及越來越嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)，人們對(duì)可替代燃料的關(guān)注也越來越多。隨著人們研究的深入，越來越多的生物質(zhì)燃料走進(jìn)人們的視野，例如2，5-二甲基呋喃（DMF）。文中研究了預(yù)噴對(duì)DMF與柴油混合燃料的燃燒與排放特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)噴可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒；預(yù)噴射提前角較小時(shí)，能夠獲得較低的NOx排放；預(yù)噴對(duì)HC、碳煙的排放也有所改善。

2，5-二甲基呋喃；燃燒；排放；噴油時(shí)刻

0 引 言

由于柴油機(jī)在燃燒效率、可靠性、適應(yīng)性和使用成本效率方面有著非常突出的優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)和其他行業(yè)。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，大約60%的化石燃料被運(yùn)輸業(yè)所消耗[1]。與此同時(shí)，柴油機(jī)也是造成能源短缺，溫室氣體排放和環(huán)境污染的重要原因之一。為了減少CO2的排放和緩解化石燃料日益枯竭的壓力，生物燃料被認(rèn)為是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃料的可選替代選項(xiàng)。

隨著研究深入，研究者們發(fā)現(xiàn)越來越多的生物燃料，例如2，5-二甲基呋喃（DMF）。近來科學(xué)家利用纖維素高效轉(zhuǎn)化為DMF的方法，為該生物質(zhì)燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的研究起了很大的推動(dòng)作用[2]。與傳統(tǒng)的生物燃料相比（如甲醇、乙醇等），DMF在很多方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，如能量密度更高、生產(chǎn)中能量消耗更小、儲(chǔ)存運(yùn)輸更安全[3]。目前，國內(nèi)外在發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了一些關(guān)于DMF的研究，徐佳等人在柴油機(jī)上研究了DMF作為內(nèi)燃機(jī)燃料的燃燒與排放特性，英國伯明翰大學(xué)也在汽油機(jī)上對(duì) DMF 作為汽油替代燃料做了一些研究[4-5]，以上試驗(yàn)都證明 DMF在發(fā)動(dòng)機(jī)上具有良好的應(yīng)用前景。因此，在柴油機(jī)上研究噴油時(shí)刻對(duì)燃燒和排放的影響特性是有必要的。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和設(shè)備

如圖1所示，試驗(yàn)在一臺(tái)改裝過的4缸高壓共軌廢氣渦輪增壓的玉柴（YC4FA）發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)所用儀器見表1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

表1 柴油和DMF主要性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)燃料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中DMF純度大于99.9%，柴油為標(biāo)準(zhǔn)0號(hào)柴油，表1給出了試驗(yàn)燃料的主要性質(zhì)。

試驗(yàn)研究了不同DMF混合比例下，噴油時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性影響，試驗(yàn)方案見表2，為了便于描述將20%DMF混合燃料簡寫成D20。

表2 噴油時(shí)刻試驗(yàn)方案

2 結(jié)果和分析

2.1 噴油時(shí)刻對(duì)燃燒過程影響

圖2（a）、（b）分別給出了噴油時(shí)刻對(duì)D10、D20燃料缸內(nèi)平均壓力曲線和放熱率曲線的影響。從缸壓曲線看，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用 D10、D20燃料時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力隨噴油時(shí)刻推遲而降低，相位右移，且在7.5°CA BTDC（Before Top Dead Cente，上止點(diǎn)前）噴油時(shí)刻時(shí)，壓力曲線出現(xiàn)了雙峰，圖 2（b）中的壓力曲線第2峰值明顯低于圖2（a）中數(shù)據(jù)；當(dāng)噴油時(shí)刻推遲到0°CA BTDC以后，D20燃料已不能夠燃燒，從壓力曲線不能看出燃料有明顯燃燒。其主要原因可能是DMF燃料的壓燃性較差，其十六烷值與柴油相比非常低，DMF比例增加后，混合燃料的燃燒性能變差，燃油過晚噴入缸內(nèi)，使得燃料在活塞處于下行時(shí)才著火或者不能著火。從放熱率曲線來看，在噴油時(shí)刻大于4.5°CA BTDC時(shí)，燃料中DMF的濃度對(duì)放熱率變化規(guī)律影響較小，原因可能是，較早的向缸內(nèi)噴入燃油，油氣混合充分，但形成的預(yù)混合量相同；當(dāng)噴油時(shí)刻小于4.5°CA BTDC時(shí)，圖2（a）中峰值放熱率先增高后下降，而圖2（b）中放熱率呈單調(diào)下降趨勢(shì)，且噴油時(shí)刻為0°CA BTDC時(shí)，D20燃料沒有著火。這是由于，使用D10燃料噴油時(shí)刻為4.5°CA BTDC時(shí)，燃料在活塞下行時(shí)才著火，此時(shí)缸內(nèi)容積增大，溫度和壓力低，導(dǎo)致預(yù)混合量增加，預(yù)混燃更加劇烈；噴油時(shí)刻繼續(xù)延遲后，缸內(nèi)混合氣體已經(jīng)很難燃燒，使放熱速率下降；當(dāng)DMF濃度為20%時(shí)，燃料的發(fā)火性進(jìn)一步惡化，噴油時(shí)刻過晚，放熱相位遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，燃燒條件更加惡化，使得在放熱速率下降，并且在 0°CA BTDC時(shí)，燃料已經(jīng)不能著火。

圖2 噴油時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力及放熱率影響曲線

2.2 噴油時(shí)刻對(duì)DMF/柴油常規(guī)排放物的影響

圖3（a）～（d）給出了2種燃料的排放特性隨噴油時(shí)刻變化的對(duì)比圖。由圖3（a）可以看出，延遲噴油時(shí)刻有利于降低NOx排放，噴油時(shí)刻為13.5°CA BTDC時(shí)，D20組NOx排放量較D10組要高，隨著噴油時(shí)刻向上止點(diǎn)靠近，D20組NOx排放量要少于D10組，且二者差距呈擴(kuò)大趨勢(shì)?？赡苁禽^大噴油角度時(shí)，D20燃料中具有更高的氧含量，使NOx排放較D10燃料要高；隨著噴油時(shí)刻減小，DMF汽化潛熱高，D20燃料中更多的DMF蒸發(fā)吸收了大量的熱量，使缸內(nèi)溫度降低，使NOx排放下降；噴油時(shí)刻延遲到上止點(diǎn)后，D20燃料的滯燃期太長，缸內(nèi)溫度和壓力下降，燃料已不能夠燃燒，所以此時(shí)沒有NOx排放。

圖3 噴油時(shí)刻對(duì)DMF柴油常規(guī)排放物影響

由圖3（b）可以看出，噴油時(shí)刻早于4.5°CA BTDC時(shí)，碳煙排放對(duì)噴油時(shí)刻的變化不敏感，DMF使燃料含氧量增加，有利于顆粒物氧化，使碳煙排放處于極低水平；噴油時(shí)刻小于 4.5°CA BTDC后，由于燃料不正常燃燒或者不能燃燒，大量的燃油裂解產(chǎn)生碳煙，導(dǎo)致碳煙排放急劇升高；D20組碳煙排放量略高于D10組，這可能是因?yàn)镈20組中大量的熱量被DMF蒸發(fā)所吸收，使缸內(nèi)溫度和壓力下降，燃料沒有D10組中燃燒充分,燃油脫氫產(chǎn)生了更多的碳煙。

由圖3（c）可以看出HC排放隨噴油時(shí)刻的變化特性。隨著噴油時(shí)刻向上止點(diǎn)靠近，未燃HC排放單調(diào)增加；當(dāng)噴油時(shí)刻處于上止點(diǎn)時(shí)，D10燃料不能充分燃燒，其HC排放顯著升高，而D20燃料此時(shí)也不能燃燒，排氣管中有大量白煙排除；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，噴油時(shí)刻相同時(shí)，D20中HC排放始終要高于D10，這可能是受DMF蒸發(fā)吸熱降低了缸內(nèi)溫度和壓力的影響，燃燒不充分，導(dǎo)致HC排放升高。

由圖3（d）可以看出CO排放隨噴油時(shí)刻變化的特性與HC類似。DMF比例增加，CO排放升高。理論上講，氧含量升高有利于減少CO排放，但缸內(nèi)實(shí)際燃燒時(shí)，氧含量升高會(huì)造成更多的局部混合氣過稀，同時(shí)DMF吸熱降低了缸內(nèi)溫度和壓力。最終，三者共同的作用導(dǎo)致D20燃料中CO排放高于D10燃料。

3 結(jié) 論

1）噴油時(shí)刻的提前有利于提高DMF柴油混合燃料最大缸內(nèi)壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，但會(huì)導(dǎo)致NOx排放的急劇升高，而其他排放物下降明顯；

2）DMF比例增加后，混合燃料的燃燒界限縮小，D20燃料在0°CA BTDC噴油提前角時(shí)已不能燃燒；

3）DMF比例增加后，HC、CO和碳煙排放升高，而NOx排放反而下降。

[1]朱劍明，彭代勇. 世界能源現(xiàn)狀與內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的機(jī)遇[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32（2）：194-199.

[2]胡磊，孫勇，林鹿. 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料 2，5-二甲基呋喃的途徑與機(jī)理[J].化學(xué)進(jìn)展，2011（10）：2079-2084.

[3]Wang C，Xu H，Daniel R，et al. Combustion Characteristics and Emissions of 2-Methylfuran Compared to 2, 5-Dimethylfuran, Gasoline and Ethanol in a DISI Engine[J]. Fuel，2013, 103(1): 200-211.

[4]牛芳，鞠欣亮，劉慶明，等. 2，5-二甲基呋喃-空氣燃燒過程研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，08（3）：9-12.

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U473

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.008

1002-4581（2016）05-0028-03

20160412--