正丁醇預(yù)混合氣對(duì)輕型柴油機(jī)熱效率和排放的影響

田維， 何文瀟， 馬帥， 吳學(xué)舜， 韓志強(qiáng)

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院, 四川 成都 610039)

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正丁醇預(yù)混合氣對(duì)輕型柴油機(jī)熱效率和排放的影響

田維， 何文瀟， 馬帥， 吳學(xué)舜， 韓志強(qiáng)

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院, 四川 成都 610039)

對(duì)1臺(tái)輕型柴油機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行改裝，從而在進(jìn)氣道中形成均質(zhì)丁醇預(yù)混合氣。研究了在不同工況下正丁醇預(yù)混比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率和排放的影響。研究結(jié)果表明：隨著丁醇預(yù)混比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速為3 350 r/min，平均指示壓力為1 MPa時(shí)指示熱效率的提升率達(dá)到最大為4.3%；壓力升高率過大，限制了在大負(fù)荷條件下使用更高的丁醇預(yù)混比例；隨著丁醇預(yù)混比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)soot和NOx排放明顯改善，而CO和HC排放均隨著丁醇預(yù)混比的增加而增大。

柴油機(jī)； 丁醇； 混合燃料； 指示熱效率； 排放

柴油機(jī)以其較高的熱效率成為現(xiàn)代工業(yè)、物流運(yùn)輸最主要的動(dòng)力源。然而，在柴油機(jī)的燃燒過程中，燃燒溫度、燃油與空氣混合物當(dāng)量比的不均勻分布[1]，會(huì)造成在燃燒瞬間生成大量的炭煙(soot)和NOx[2]，其中soot和NOx之間還存在著折中關(guān)系[3-4]，使得要通過缸內(nèi)凈化的方法對(duì)其處理的難度大大增加。為了使柴油機(jī)能夠適應(yīng)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，世界各國(guó)的科研人員采用各種措施來降低柴油機(jī)的排放[5-6]，如在柴油機(jī)上加裝廢氣再循環(huán)(EGR)和柴油機(jī)顆粒捕集(DPF)裝置或者選擇性催化還原后處理(SCR)裝置[7]。這些后處理裝置雖然可以有效地改善柴油機(jī)排放，但大大增加了柴油機(jī)的開發(fā)成本和周期。與此同時(shí)，一些科研人員致力于發(fā)展清潔的可再生替代能源來降低柴油的消耗和排放，如LPG、DME、生物柴油、醇類燃料[8]等。其中以醇類燃料為代表的含氧燃料以其能夠在不導(dǎo)致NOx排放惡化的前提下改善soot排放而倍受人們關(guān)注[9-10]。丁醇作為新一代的極具競(jìng)爭(zhēng)力的含氧燃料[11]，相對(duì)于甲醇、乙醇等具有許多優(yōu)點(diǎn)，如理化性質(zhì)接近烴類，能量密度高，與汽油和柴油互溶性好且大比例混合時(shí)不存在分層等[12]，使其能夠很好地應(yīng)用于現(xiàn)存柴油機(jī)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)丁醇在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的研究可大致分為兩個(gè)方向：一種為以丁醇、柴油摻混形成混合改性燃料，并通過缸內(nèi)直噴來探索降低柴油機(jī)排放的途徑。研究結(jié)果表明，在柴油中以不同比例摻入丁醇，可以使柴油具有更長(zhǎng)的滯燃期，同時(shí)降低了soot和NOx排放[13-15]。另一種則是通過在進(jìn)氣道噴射丁醇建立均質(zhì)混合氣，與缸內(nèi)直噴的柴油實(shí)時(shí)混合，實(shí)現(xiàn)混合氣活性的分層，且混合比例可以隨負(fù)荷進(jìn)行改變。研究結(jié)果表明，這種方式可以延長(zhǎng)滯燃期[16]，降低缸內(nèi)最大燃燒壓力和燃燒溫度[17]，與EGR配合使用可以改變soot與NOx的折中關(guān)系，大幅度降低排放[18-19]。

綜上所述，丁醇與柴油的雙燃料模式可以在不對(duì)現(xiàn)有柴油機(jī)進(jìn)行大幅度結(jié)構(gòu)改造的情況下，優(yōu)化其燃燒和排放。因此本研究基于1臺(tái)4缸輕型柴油機(jī)，通過增加一套低壓多點(diǎn)噴射系統(tǒng)，利用開放式ECU分別對(duì)丁醇、柴油供給系統(tǒng)進(jìn)行控制，在缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)了柴油在丁醇預(yù)混合氣氛圍下與丁醇的復(fù)合燃燒。研究了發(fā)動(dòng)機(jī)分別在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，丁醇預(yù)混比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率和排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)輕型柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。在進(jìn)氣道上加裝多點(diǎn)低壓噴射裝置，其噴射壓差恒定0.35 MPa，采用BOSCH高壓共軌系統(tǒng)對(duì)柴油進(jìn)行缸內(nèi)直噴。由自主開發(fā)的開放式ECU實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種燃料的噴射控制。通過改變噴射脈寬來改變丁醇的噴射量，與此同時(shí)，柴油機(jī)的噴射壓力、噴射正時(shí)、噴射量和噴射次數(shù)均可控。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)示意見圖1。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)示意

尾氣成分的測(cè)量采用Horiba MEXA-7100DEGR排氣分析儀，煙度的測(cè)量采用AVL415煙度計(jì)。缸壓的測(cè)量采用KISLER 6125C缸壓傳感器以及配套的電荷放大器和采集程序。缸壓采集由光電編碼器觸發(fā)，每0.5°曲軸轉(zhuǎn)角采集一次。

試驗(yàn)工況及各工況下對(duì)應(yīng)的柴油和丁醇的噴射量見圖2。試驗(yàn)過程中，柴油的噴射壓力為120 MPa，噴射正時(shí)為0° ATDC。各轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩不變。柴油與丁醇的主要理化特性參數(shù)見表2。

圖2 各工況點(diǎn)所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速、平均指示壓力和燃油噴射量

燃料柴油丁醇化學(xué)式C10～C15C4H10O平均相對(duì)分子質(zhì)量180～20074密度(20℃)/g·cm-30.840.81低熱值/MJ·kg-143.0433.1氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%021.6能量密度/MJ·L-136.626.8汽化潛熱(25℃)/kJ·kg-1250716沸點(diǎn)/℃180～370118十六烷值>50約25化學(xué)計(jì)量空燃比14.311.2

1.2 參數(shù)定義

1) 丁醇預(yù)混比Pr：

(1)

式中：MPI,MDI分別為丁醇噴射量和柴油噴射量；Hu1為丁醇的低熱值；Hu2為柴油的低熱值；Q為丁醇與柴油總熱量；QPI為丁醇熱量。

2) 指示熱效率ηi：

(2)

式中：pi為缸內(nèi)平均指示壓力，通過缸壓傳感器直接測(cè)量；V為氣缸容積；N為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Qc為燃料燃燒累計(jì)放熱量。

3) 變化率φ：

(3)

式中：αt為不同Pr所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值；α0為Pr為0所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工況下Pr對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ηi的影響

圖3示出在不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷下Pr對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ηi的影響。從整體變化趨勢(shì)來看，除了2 250r/min轉(zhuǎn)速，pi=0.5MPa時(shí)隨著Pr的增加ηi相對(duì)柴油模式有一定的下降外，其余工況下指示熱效率ηi隨丁醇預(yù)混比Pr的增加呈上升的趨勢(shì)，在中高轉(zhuǎn)速(n≥2 800r/min)高負(fù)荷(pi≥1MPa)時(shí)，負(fù)荷越高ηi上升的趨勢(shì)越明顯，其中3 350r/min轉(zhuǎn)速pi=1MPa負(fù)荷時(shí)，ηi的變化率φ最大，達(dá)到4.3%。這是由于ηi主要有兩個(gè)影響因素：滯燃期和燃燒速度[20]。隨著丁醇噴射量的增加，丁醇預(yù)混合氣的濃度增加，由于丁醇汽化潛熱和辛烷值較大，一方面降低了缸內(nèi)溫度，另一方面在缸內(nèi)建立了活性分層，使得主燃燒著火時(shí)刻推遲，燃燒速度加快。隨著負(fù)荷的升高，壓縮上止點(diǎn)缸內(nèi)溫度和壓力較高，這進(jìn)一步促進(jìn)了燃燒持續(xù)期的縮短，傳熱損失減小，這有利于熱效率的上升，但是燃燒速度的加快進(jìn)一步加重了缸內(nèi)的爆震趨勢(shì)，使得壓力升高率過高，這直接限制了在高負(fù)荷下使用更高的Pr。

圖3 Pr對(duì)ηi的影響

2.2 不同工況下Pr對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

圖4至圖6示出在不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷下，Pr對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響。soot排放在各轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下略有不同，其中轉(zhuǎn)速較小時(shí)(n≤2 800r/min)和負(fù)荷較小時(shí)(pi≤0.8MPa)，soot排放基本維持在較小水平，且φ較小，而在大負(fù)荷(pi≥1MPa)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的soot排放均隨著Pr的增加而下降，且負(fù)荷越高，soot排放隨著Pr降低的趨勢(shì)越明顯，此時(shí)φ>60%，其中在2 800r/min轉(zhuǎn)速，pi=1.2MPa工況下Pr=29.8%時(shí)φ達(dá)到79.8%。NOx的排放首先隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，與此同時(shí)在各負(fù)荷下也隨著Pr的增大而下降，且φ整體均維持在大于20%的水平，其中在2 250r/min轉(zhuǎn)速，pi=1.1MPa負(fù)荷時(shí)φ達(dá)到最大，為29.7%。CO和HC在各轉(zhuǎn)速下隨著負(fù)荷的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但在各負(fù)荷下均隨著Pr的增大而增大。

圖4 2 250 r/min下Pr對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

圖5 2 800 r/min下Pr對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

圖6 3 350 r/min下Pr對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

soot和NOx排放隨著Pr的增大而下降主要受丁醇的物理化學(xué)性質(zhì)的影響，一方面在丁醇汽化過程中吸收了缸內(nèi)的熱量降低了缸內(nèi)溫度，遏制了NOx生成條件，另一方面丁醇分子中自帶氧原子，使得其裂解燃燒的方式區(qū)別于傳統(tǒng)柴油的擴(kuò)散燃燒；在負(fù)荷較低的工況(pi≤0.8MPa)時(shí)，soot變化趨勢(shì)隨丁醇預(yù)混比無明顯變化，這是由于在低負(fù)荷時(shí)，丁醇的汽化降低了缸內(nèi)的溫度，柴油在壓縮上止點(diǎn)位置噴入氣缸，燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)之后，這部分柴油擴(kuò)散燃燒生成大量的炭煙，沒有在燃燒末期被充分氧化。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加NOx排放下降的原因可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器在高負(fù)荷高轉(zhuǎn)速工況下增壓效率較大，進(jìn)氣量的增加使得缸內(nèi)充量的熱容量上升，降低了缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)的溫度。CO和HC排放升高主要是由于丁醇與空氣的預(yù)混合氣的燃燒火焰在燃燒室的邊緣區(qū)域和活塞與氣缸縫隙發(fā)生淬冷，導(dǎo)致燃燒不完全[21]，且丁醇預(yù)混合比例增加，不完全燃燒的比例增加；隨著負(fù)荷的上升，缸內(nèi)壓力和溫度上升，這利于CO和HC 的氧化。

3 結(jié)論

a) 發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)采用丁醇預(yù)混合的方式指示熱效率呈降低的趨勢(shì)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的上升指示熱效率得到不同程度的提升；

b) 隨著丁醇預(yù)混比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和soot排放明顯改善，然而在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)soot改善趨勢(shì)不明顯；

c) CO和HC排放隨著丁醇預(yù)混比的增加而增加，在同一轉(zhuǎn)速下，CO和HC隨著負(fù)荷的增大而減小。

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[編輯: 李建新]

Effects of N-butanol Premixed Charge on Indicated Thermal Efficiency and Emission of Light Duty Diesel Engine

TIAN Wei, HE Wenxiao, MA Shuai, WU Xueshun, HAN Zhiqiang

(School of Automobile & Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to form homogeneous premixed air/n-butanol mixture inside intake port, the intake manifold of a light duty diesel engine was modified. The effects of n-butanol premixed ratio on engine indicated thermal efficiency and emissions were studied under different conditions. The results show that the indicated thermal efficiency increases with the increase of n-butanol ratio. The indicated thermal efficiency of diesel/n-butanol compound combustion mode is 4.3% higher than that of the pure diesel model under the conditions of 3 350 r/min and 1 MPa IMEP. However, the too large pressure rise rate will limit the premix ratio of n-butanol at high load. In addition, the soot and NOxemissions decrease, but the CO and HC emissions increase.

diesel engine; n-butanol; blended fuel; indicated thermal efficiency; emission

2017-03-27;

2017-04-20

教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(Z2015083)；教育部流體及動(dòng)力機(jī)械省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)成果配育項(xiàng)目(SBZDPY-11-19)

田維 (1981—)，男，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過程優(yōu)化及控制;tianviv@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.011

TK411.26

B

1001-2222(2017)03-0063-05