含氧燃料與進(jìn)氣氧濃度對柴油機(jī)燃燒與排放的影響

曾東建，冷松蓬，姬凱凱，劉成豪，吳浩

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

含氧燃料與進(jìn)氣氧濃度對柴油機(jī)燃燒與排放的影響

曾東建1,2，冷松蓬1,2，姬凱凱1,2，劉成豪1，吳浩1

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

在1臺4缸高壓共軌柴油機(jī)上，通過向柴油中摻混0%，10%，20%正丁醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，研究了在不同進(jìn)氣氧濃度條件下，摻混燃料含氧量對柴油機(jī)燃燒特性與排放的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)處于20%～21%之間時，燃用3種燃料的滯燃期均不隨氧濃度的變化而變化；隨著摻混比例的增加，燃料中含氧量增加，這導(dǎo)致了滯燃期的增加，且隨著進(jìn)氣氧濃度的降低，滯燃期受燃料性質(zhì)的影響作用不斷增強(qiáng)；隨著燃料中含氧量增加，炭煙(Soot)排放逐漸減??；摻混燃料的含氧量對NOx排放的影響不明顯，而對指示熱效率的提升有積極作用，在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)小于15%時，燃料含氧量對指示熱效率的促進(jìn)作用減弱。

混合燃料;含氧燃料;滯燃期;燃燒;排放

含氧燃料在解決缸內(nèi)局部濃混合氣缺氧問題起到積極作用，可使柴油機(jī)排放得到大大改善[1]。通過含氧燃料與柴油燃料摻混或者雙燃料模式來改變噴入缸內(nèi)燃料的物理化學(xué)性質(zhì)，從而探索在缸內(nèi)降低柴油機(jī)排放的途徑，逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前常用的含氧燃料包括甲醇、乙醇、生物柴油等[2-5]。正丁醇是新一代的生物質(zhì)含氧燃料，相對于柴油，其十六烷值低，汽化潛熱較大，在燃燒過程中滯燃期較長、燃燒速度較快、燃燒溫度較高，從而體現(xiàn)出較好的排放特性[6-9]。

目前有不少學(xué)者對正丁醇作為摻混燃料在柴油機(jī)上進(jìn)行了相應(yīng)的研究。O. Dogan等[10]研究發(fā)現(xiàn)：正丁醇與柴油完全互溶；燃油消耗率和熱效率相比純柴油略有升高；隨著摻混比例增加，排氣溫度下降，NOx略有下降，CO下降，HC升高，炭煙(Soot)大幅度降低。Choi B等[11]研究結(jié)果表明：正丁醇摻混比例增加，乙烯和苯排放物增加；摻混比低于10%時，粒徑小于50 nm的微粒排放降低。張全長等[12]研究表明：正丁醇與柴油摻混可改善燃油經(jīng)濟(jì)性，延長滯燃期從而明顯降低Soot排放，且隨著廢氣再循環(huán)比例(EGR率)的增加，Soot排放呈現(xiàn)出較“平坦”的趨勢；正丁醇對氣體排放的影響與進(jìn)氣壓力有關(guān)，進(jìn)氣壓力越大燃用正丁醇降低NOx排放的趨勢越明顯。湖南大學(xué)的陳征等[13]研究結(jié)果表明：丁醇較高的汽化潛熱能夠降低缸內(nèi)溫度，延長滯燃期，從而改善了缸內(nèi)局部當(dāng)量比分布的不均勻性，且降低了燃燒總體當(dāng)量比，使得Soot排放大幅度改善。

綜上所述，正丁醇的加入對柴油機(jī)在排放、熱效率等方面均有較大的改善。目前，在柴油摻混丁醇的研究中，關(guān)于丁醇自帶氧的含量和發(fā)動機(jī)新鮮充量中氧的濃度對柴油機(jī)燃燒和排放影響的探索較少，因此本研究主要在不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)條件下，探究柴油-正丁醇摻混燃料含氧量對柴油機(jī)燃燒與排放的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及研究方法

試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)發(fā)動機(jī)、測試設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)示意見圖1。試驗(yàn)采用1臺高壓共軌柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。電控單元為開放式ECU，噴油量、噴油時刻、噴油壓力和EGR率通過電控單元實(shí)時控制。缸內(nèi)壓力通過Kistler5087b傳感器測量，經(jīng)過Kistler5011B電荷放大器和NI USB 6353高速數(shù)據(jù)采集卡傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲。采用AVL415S濾紙式煙度計(jì)測量煙度，采用Horiba MEXA7100DEGR排放儀測量常規(guī)排放和再循環(huán)廢氣。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

發(fā)動機(jī)型式水冷、四沖程、直列缸徑/mm93行程/mm102每缸氣門數(shù)2排量/mL2771壓縮比17.5∶1進(jìn)氣方式自然吸氣供油方式高壓共軌

1.1 研究方法

通過改變EGR率來實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣中氧體積分?jǐn)?shù)的改變，通過改變正丁醇的摻混比例來實(shí)現(xiàn)對燃料中含氧量的改變。試驗(yàn)所選運(yùn)行工況見表2，通過調(diào)整摻混后丁醇-柴油噴射量來保持缸內(nèi)摻混燃料熱值與純柴油模式下缸內(nèi)柴油熱值相同，同時保持發(fā)動機(jī)其他狀態(tài)參數(shù)不變。

表2 試驗(yàn)工況

1.2 參數(shù)定義

1) 摻混比例n：

(1)

式中：Mb為丁醇的質(zhì)量；Md為柴油(本試驗(yàn)以國Ⅴ柴油為基礎(chǔ)柴油)的質(zhì)量。摻混比例為n的丁醇-柴油摻混燃料記為Bn。試驗(yàn)所選摻混燃料主要物理性質(zhì)[14]見表3。

表3 摻混燃料主要物理性質(zhì)對比

2) 滯燃期(θ)

θ=θCA10-θSOI。

(2)

式中：θCA10為缸內(nèi)累計(jì)放熱量達(dá)到總放熱量的10%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，用來指示燃燒始點(diǎn)；θSOI為噴油定時。

3) 燃燒持續(xù)期(φ)

φ=θCA90-θCA10。

(3)

式中：θCA90為缸內(nèi)累計(jì)放熱量達(dá)到總放熱量的90%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

4) 指示熱效率(ηITE)

(4)

式中：pi為缸內(nèi)平均指示壓力，通過缸壓傳感器直接測量；V為氣缸容積；N為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；Qc為燃料燃燒釋放總熱量。

5) 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)(δ)

δ=((1-α/100)·21+α·β)%。

(5)

式中：α為進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)與排氣CO2體積分?jǐn)?shù)比值；β為廢氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)。

6) 高溫持續(xù)期(Ω)

Ω定義為缸內(nèi)平均溫度達(dá)到1 600 K及以上時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摻混燃料在不同進(jìn)氣氧濃度下的燃燒特性

圖2示出燃用不同燃料時滯燃期隨氧體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢。從圖中可知，隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)減小，燃用不同燃料時滯燃期均呈現(xiàn)增加趨勢，但在氧體積分?jǐn)?shù)高于20%的區(qū)域，滯燃期出現(xiàn)一個平階，即不再隨氧體積分?jǐn)?shù)的變化而變化。主要原因是缸內(nèi)的氧氣較為充足，初始燃燒相位對氧體積分?jǐn)?shù)較小的變化不敏感。而在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為20.9%時，燃用B20的滯燃期相對燃用B10增加了1°曲軸轉(zhuǎn)角，相比燃用B0增加了2°曲軸轉(zhuǎn)角；在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為21%～18%時，3種燃料之間的滯燃期差值幾乎不變，這是由于缸內(nèi)處于相對富氧狀態(tài)，對滯燃期的影響主要決定于燃料的性質(zhì)；隨著缸內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)減小，3種燃料之間的滯燃期差值逐漸增加，在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為12.5%時，燃用B20的滯燃期達(dá)到了19.5°曲軸轉(zhuǎn)角，相比燃用B10增加了3°曲軸轉(zhuǎn)角，相比燃用B0增加了4.5°曲軸轉(zhuǎn)角，說明此時燃料性質(zhì)對滯燃期影響作用加強(qiáng)。

圖2 燃用不同摻混燃料時滯燃期隨 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢

圖3示出燃用不同燃料時在不同氧體積分?jǐn)?shù)下的缸壓及放熱率。從圖中可知，隨著摻混比例的增加，放熱始點(diǎn)逐漸推遲，放熱峰值增加；進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為20.9%時， 燃用B20放熱率峰值相比燃用B10增加了19 J/(°)，相比燃用B0增加了37 J/(°)；在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為17.5%時，燃用B20放熱率峰值相比燃用B10增加了21 J/(°)，相比燃用B0增加了39 J/(°)；而進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為13.5%時，燃用B20放熱率峰值相比燃用B10增加了14 J/(°)，相比燃用B0增加了26 J/(°)。由此可知，隨著進(jìn)氣氧含量的逐漸減小，3種燃料放熱率峰值差值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這體現(xiàn)了缸內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)對燃燒起到?jīng)Q定性的作用。這是由于隨著含氧燃料的加入，滯燃期增加，這為油氣混合爭取了更加充裕的時間，使得缸內(nèi)可燃混合氣分布更加均勻，并且著火后燃燒速度加快，等容燃燒程度增加，最終造成放熱率峰值差值增加。當(dāng)缸內(nèi)混合氣處于貧氧狀態(tài)時，滯燃期對放熱率的影響作用減弱，進(jìn)氣氧濃度對放熱率作用加強(qiáng)，從而導(dǎo)致放熱率峰值差值減小。

圖4示出燃用不同燃料時在不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)下燃燒持續(xù)期的變化趨勢。從圖中可知，相同摻混燃料的燃燒持續(xù)期隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的減小呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為17%左右時，3種燃料的燃燒持續(xù)期出現(xiàn)峰值。進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為定值時，B0燃料的燃燒持續(xù)期最長，B20的燃燒持續(xù)期最短。在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為12.5%時，燃用B20 的燃燒持續(xù)期達(dá)到了19°曲軸轉(zhuǎn)角，相比燃用B10縮短了2.5°曲軸轉(zhuǎn)角，相比燃用B0縮短了4°曲軸轉(zhuǎn)角。由前文中分析可知，隨著摻混燃料中丁醇含量的增加，缸內(nèi)可燃混合氣滯燃期增加，使得其燃燒模式趨于預(yù)混燃燒，燃燒速度較快。

圖3 燃用不同摻混燃料時的缸壓及放熱率

圖4 燃用不同摻混燃料時燃燒持續(xù)期隨進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢

2.2 摻混燃料在不同進(jìn)氣氧濃度下Soot和NOx排放

圖5示出燃用不同燃料時Soot隨進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)變化的趨勢。從圖中可以看出，在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為20.9%～18%時，進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化對Soot排放的影響較小。在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為18%～15%時，Soot排放增幅開始變大，其中B0燃料上升趨勢較明顯，而B20燃料變化趨勢相對較緩。當(dāng)進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)小于等于15%時，Soot增幅進(jìn)一步加大，燃用B0燃料上升趨勢更加明顯，B20燃料變化相對較平緩。這主要是由于隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的下降，燃空當(dāng)量比增加，缸內(nèi)溫度降低，在燃燒后期對Soot的氧化作用減弱。

圖5 燃用不同摻混燃料時Soot隨 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢

進(jìn)一步分析圖5，在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為定值時，隨著摻混燃料氧含量的增加，Soot排放減小，且隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的降低，燃料氧含量對Soot的降低影響作用增大。這主要是隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的降低，B0，B10，B20燃料的滯燃期差值逐步增加，燃料的混合時間增加，更多可燃混合氣當(dāng)量比小于2，含氧燃料的摻混破壞了Soot的生成條件；而隨著摻混比例的增加，燃料氧含量增加，改善了燃燒過程缸內(nèi)當(dāng)量比局部濃區(qū)的缺氧狀態(tài)。

為了分析燃燒前期和后期缸內(nèi)溫度對Soot的氧化作用，統(tǒng)計(jì)了進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為17.5%時不同摻混燃料的缸內(nèi)平均峰值溫度及高溫持續(xù)期(見圖6)。從圖6中可以看出，B20的缸內(nèi)平均峰值溫度及高溫持續(xù)期最大，B0最小，這是由于B20燃料的滯燃期長，燃燒速度快，放熱峰值高。進(jìn)一步分析峰值溫度及高溫持續(xù)期與soot排放關(guān)系：一方面由于缸內(nèi)平均溫度較高，在燃燒前期為Soot的生成創(chuàng)造了條件；另一方面由于高溫持續(xù)期較長，促進(jìn)了燃燒后期Soot的氧化。因此可以看出，滯燃期的增加和摻混燃料含氧量的增加是導(dǎo)致Soot排放降低的主要原因，而缸內(nèi)溫度的變化對Soot影響不明顯。

圖7示出燃用不同燃料時NOx排放隨進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。從圖中可知，隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，NOx排放呈現(xiàn)一直減小的趨勢。這是由于影響NOx生成的因素有兩方面：高溫富氧環(huán)境和高溫持續(xù)時間。隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)下降，缸內(nèi)平均溫度下降，高溫持續(xù)時間縮短，NOx排放降低。在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為定值時， 燃用B0，B10，B20摻混燃料所生成的NOx排放量相近。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為17.5%時，燃用B20缸內(nèi)平均峰值溫度最高，高溫持續(xù)期最長(見圖6)，而燃用B0缸內(nèi)平均峰值溫度最小，高溫持續(xù)期最短。3種燃料缸內(nèi)平均峰值溫度最大變化率為3.4%，高溫持續(xù)期最大變化率為3.8%。因此從缸內(nèi)溫度角度分析，B20燃料有利于NOx生成。然而3種燃料在該進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)區(qū)域NOx排放量相當(dāng)，因此可以看出，含氧燃料的加入對NOx的生成幾乎沒有影響，而且最大缸內(nèi)峰值溫度超過2 000 K，5%以內(nèi)的高溫及高溫持續(xù)期差異對NOx生成沒有影響。

圖6 燃用不同摻混燃料時缸內(nèi)平均 峰值溫度及高溫持續(xù)期

圖7 燃用不同摻混燃料時NOx隨 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢

2.3 摻混燃料在不同進(jìn)氣氧濃度下的指示熱效率

圖8示出指示熱效率隨進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢。從圖中可知，隨著氧體積分?jǐn)?shù)的逐漸減小，燃用不同摻混燃料時的指示熱效率均呈現(xiàn)減小的趨勢。圖9示出在不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)條件下燃用B0時的缸壓和放熱率。當(dāng)進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為20.9%時，B0燃料的θCA10為-0.5°ATDC，進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為17.5%和13.5%時，θCA10推遲到0.5°ATDC和1.5°ATDC。因此，可以推斷出指示熱效率減小是由于進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)降低，滯燃期增加，燃燒相位推遲到上止點(diǎn)之后，柴油機(jī)膨脹功損失增加。

圖8 燃用不同摻混燃料時指示熱效率隨進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢

圖9 不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)條件下 B0燃料的缸壓及放熱率

在相同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)下，燃用B20的指示熱效率最大， 燃用B0的最小，且當(dāng)進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)小于15%時，3種燃料的指示熱效率差值呈現(xiàn)減小的趨勢。這是因?yàn)锽20燃料的滯燃期最長，燃料含氧量最大，有利于燃料快速放熱，燃燒持續(xù)期最短，等容放熱程度最大，作功能力增強(qiáng)。B0燃料的燃燒放熱峰值最小，燃燒持續(xù)期最長，此時活塞下行，較長的燃燒持續(xù)期并不利于作功。B20燃料燃燒相位離上止點(diǎn)最遠(yuǎn)，B10燃燒相位較靠近上止點(diǎn)，B20大部分燃燒相位處于活塞下行階段。因此，根據(jù)p-V圖可計(jì)算得到，B20的指示功略大于B10。

3 結(jié)論

a) 在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為20%～21%范圍內(nèi)，3種摻混燃料的滯燃期不隨氧濃度的變化而變化；當(dāng)進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)處于18%～20%時，對滯燃期的影響主要決定于燃料的性質(zhì)；而當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)低于18%時，燃料性質(zhì)對滯燃期的影響作用加強(qiáng)；

b) 隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，B0，B10，B20燃料放熱率峰值差呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，缸內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)對燃燒起決定性的作用；

c) 隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的降低，Soot值逐漸增加，而不同摻混比燃料的Soot差值逐漸變大，主要是滯燃期增加與摻混燃料含氧量增加所導(dǎo)致，缸內(nèi)溫度的變化對Soot的影響不明顯；

d) 含氧燃料的加入對NOx排放影響不明顯，3種摻混燃料的缸內(nèi)平均峰值溫度和高溫持續(xù)期變化差異對NOx生成沒有影響；

e) 摻混燃料含氧量的增加對指示熱效率的提升有積極的影響，但是在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)小于15%時，摻混燃料含氧量對指示熱效率的作用減弱。

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EffectsofOxygen-enrichedFuelandIntakeOxygenConcentrationonDieselEngineCombustionandEmission

ZENG Dongjian1,2,LENG Songpeng1,2,JI Kaikai1,2,LIU Chenghao1,WU Hao1

(1.School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039，China；2.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Chengdu 610039，China)

The effects of oxygen content in blended fuel on combustion and emission of diesel engine were researched under different intake oxygen concentration on a 4-cylinder high pressure common rail diesel engine by mixing 0%, 10% and 20% mass faction of n-butanol into diesel respectively. The results show that the ignition delay periods of three blended fuels keep almost constant when the volume fraction of intake air oxygen is between 20% and 21%. The increase of blending ratio leads to the increase of oxygen content of blended fuel so that the ignition delay period prolongs. And the effects of fuel properties on ignition delay period increase with the decrease of oxygen volume fraction of intake air. In addition, the increase of oxygen content improved soot emission and indicated thermal efficiency but had little influence on NOxemission. When the oxygen volume fraction of intake air is lower than 15%, the active effect of oxygen content of blended fuel on indicated thermal efficiency weakens.

blended fuel;oxygen-enriched fuel;ignition delay period;combustion;emission

潘麗麗]

2017-06-18；

2017-12-13

四川省教育廳科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(17TD0035)；四川省科技廳青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(1321300)

曾東建(1964—)，男，教授，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)燃燒與控制；zdj.640102@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.006

TK464

B

1001-2222(2017)06-0030-06