噴油時刻和EGR對Diesel/MF混合燃料燃燒和排放的影響?

肖合林，王 儒，曾鵬飛，侯貝貝

前言

隨著石油能源日益減少和排放法規(guī)日趨嚴格，尋找可再生能源和降低內(nèi)燃機排放已成為當今社會關(guān)注的焦點。在我國，隨著汽車數(shù)量的增加汽車排放儼然成為城市環(huán)境污染的主要來源[1]。生物燃料作為清潔能源可有效地解決資源短缺和環(huán)境污染等問題。

目前普遍使用的可再生燃料是生物柴油，生物柴油不僅具有與石化柴油相似的理化性質(zhì)而且還具有排放低的優(yōu)點[2-3]。生物乙醇是另一種常用的替代燃料，其使用方法是與汽油或柴油按一定的比例混合[4]。但是，生物乙醇易溶于水、對金屬和橡膠件的腐蝕性限制了生物乙醇的使用。

近年來，隨著新型制備方法的出現(xiàn)，2-甲基呋喃(MF)作為替代燃料可通過果糖脫水和加氫的方法獲得[5]。第1步，果糖經(jīng)過脫水處理去掉3個氧原子生成5-羥甲基糠醛(HMF)，第2步，通過氫解作用去掉2個氧原子生成2-甲基呋喃。2-甲基呋喃具有理想的理化特性見表1。與生物柴油相比，2-甲基呋喃具有更低的黏度和更高的氧含量，使其更容易形成可燃混合氣并促進混合氣的燃燒；與生物乙醇相比，2-甲基呋喃具有更低的汽化潛熱，可提高發(fā)動機的冷起動性能，更高的能量密度降低了2-甲基呋喃的燃油消耗；這些都使2-甲基呋喃成為一種具有光明前景的替代燃料。

表1 燃料的理化性質(zhì)

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者已對MF的燃燒和排放特性進行了研究。文獻[6]中在柴油機上對不同比例的2-甲基呋喃和柴油混合燃料進行了研究，結(jié)果表明:與燃燒純柴油相比，混合燃料產(chǎn)生更高的熱效率，碳煙排放顯著降低，NOx排放隨MF摻混比例的增大而升高。文獻[7]中在一臺點燃式發(fā)動機上比較了MF、低比例汽油與MF混合燃料和純汽油的燃燒和排放特性。Matthias等[8]首先研究了MF在缸內(nèi)直噴發(fā)動機中混合氣的形成和燃燒性能，結(jié)果表明:與傳統(tǒng)汽油燃料相比，特別是在寒冷條件下，MF具有更好的燃燒穩(wěn)定性。綜上所述，MF具有較好的燃燒特性，而有關(guān)MF在壓燃式發(fā)動機中燃燒的研究還很少。

柴油機采用廢氣再循環(huán)技術(shù)可明顯降低NOx排放[9]。柴油噴射提前角決定了混合燃燒系統(tǒng)的著火時間，對混合燃燒的性能尤其是工作粗暴性的影響極大[10]。本研究在一臺4缸4沖程增壓水冷直噴柴油機上，采用MF/柴油混合燃料研究噴油提前角和廢氣再循環(huán)對發(fā)動機燃燒和排放的影響。

1 試驗裝置與研究方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗在一臺4缸4沖程水冷直噴柴油機上進行，表2為發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)。噴油時刻和廢氣再循環(huán)由電控單元調(diào)節(jié)，本試驗的EGR系統(tǒng)由EGR閥、電子控制單元和中冷器組成。試驗過程中通過調(diào)節(jié)EGR閥門的開度來控制EGR率。試驗前，先對試驗工況EGR閥門開度所對應(yīng)的EGR率進行了測量。發(fā)動機缸內(nèi)壓力由Kistler壓力傳感器測量，CB-466燃燒分析儀接收由電荷放大器放大的缸內(nèi)壓力信號。壓力數(shù)據(jù)每隔0.25°CA取一次樣，壓縮機和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別調(diào)節(jié)進氣壓力和進氣溫度。尾氣排放由AVL氣體分析儀測量，不透光煙度計測量碳煙排放，DMS500測量顆粒物排放。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

表2 試驗發(fā)動機參數(shù)

1.2 試驗燃料

試驗燃料為柴油與質(zhì)量分數(shù)為20%的MF(柴油和MF的質(zhì)量比為4∶1，M20)的混合燃料。柴油由中國石化提供，MF由滕州宏立生物科技有限公司提供，純度為99%。混合燃料現(xiàn)場配置。

圖1 試驗系統(tǒng)

1.3 試驗方案

試驗中發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為1 800r/min，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩為90N·m，保持不變，EGR閥門開度分別為0，20%，50%，80%和100%，表3為EGR閥門開度對應(yīng)的EGR率，主噴提前角由上止點前2.5°CA開始以5°CA間隔提前到上止點前22.5°CA，冷卻水和機油溫度均維持在85℃，進氣溫度為15℃，進氣壓力為0.11MPa，以此探究EGR和噴油時刻對燃用M20混合燃料柴油機的燃燒和排放的影響。

表3 EGR閥門開度對應(yīng)的EGR率 %

2 試驗結(jié)果與分析

MF作為含氧燃料，燃燒速率較快，缸內(nèi)燃燒溫度較高，通過廢氣再循環(huán)技術(shù)能在傳統(tǒng)的柴油機燃燒模式下降低進氣的氧濃度，從而降低缸內(nèi)溫度，起到改善NOx排放的效果。燃料與空氣的混合程度直接受噴油正時的影響，因此，合適的EGR率和噴油正時對發(fā)動機的燃燒與排放尤為重要。

2.1 缸內(nèi)壓力與放熱率

圖2為噴油正時在 7.5°和 17.5°CA BTDC時EGR閥門開度對M20缸內(nèi)壓力和放熱率的影響曲線。由圖可見，隨著EGR閥門開度的增加缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值均逐漸下降。缸內(nèi)燃料的燃燒主要受氧濃度和溫度的影響，隨著EGR率的增大，進氣比熱容增加而氧濃度降低，缸內(nèi)壓縮溫度下降；此外，EGR中的惰性氣體對氣缸內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率具有阻滯作用，這些因素都導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值的降低。

圖2 不同EGR閥門開度對缸壓放熱率的影響

由圖2(a)和圖2(b)的對比可知:噴油正時為17.5°CA BTDC的缸內(nèi)壓力峰值明顯高于噴油正時為7.5°CA BTDC時的缸內(nèi)壓力峰值，原因是當噴油正時為17.5°CA BTDC時，燃燒主要發(fā)生在上止點附近，定容燃燒增加，缸內(nèi)燃燒壓力升高；噴油正時為7.5°CA BTDC時，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)明顯的雙峰，這是由于在此工況下M20的滯燃期延長，氣缸內(nèi)形成的預(yù)混合可燃氣增多，預(yù)混合燃燒階段的壓力、溫度升高，出現(xiàn)明顯的雙峰。

2.2 滯燃期與燃燒持續(xù)期

在本次研究中，滯燃期定義為從噴油時刻起到燃料燃燒10%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔，燃燒持續(xù)期定義為從燃料燃燒10%到燃料燃燒90%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔。

圖3為M20滯燃期隨EGR閥門開度和噴油正時變化的規(guī)律曲線。由圖可知:在相同噴油正時下，隨著EGR閥門開度的增加，滯燃期延長；在相同EGR閥門開度下，隨著噴油正時的提前，滯燃期先縮短后延長，并在17.5°CA BTDC時達到最短。

圖3 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對滯燃期的影響

隨著EGR閥門開度的增加，進氣氧濃度下降，惰性氣體濃度上升，進氣比熱容增大，缸內(nèi)溫度降低，滯燃期延長。當噴油時刻為22.5°CA BTDC時，其滯燃期相對17.5°CA BTDC的滯燃期有所延長，這是因為在22.5°CA BTDC噴油時刻下缸內(nèi)溫度壓力較低，混合燃料達到著火的時刻相對延長，滯燃期因此延長；當噴油時刻靠近上止點時，即使缸內(nèi)溫度和壓力較高，但作用時間縮短，著火前活塞已經(jīng)下行，滯燃期仍會延長。由曲線的變化趨勢可以得出:在17.5°CA BTDC附近存在最短的滯燃期。

EGR閥門開度和噴油正時對混合燃料燃燒持續(xù)期的影響如圖4所示。與滯燃期的變化趨勢相反，M20的燃燒持續(xù)時間隨噴油正時的提前呈先增大后減小的趨勢。在同一噴油正時下，隨著EGR率的增大燃燒持續(xù)期逐漸降低，這是因為:加入EGR之后滯燃期延長，油氣混合更加均勻，預(yù)混合燃燒充分并促進了M20的擴散燃燒；根據(jù)Donahue和Foster[11]的研究，在噴霧階段，混合燃料中的氧元素能降低熱解并促進氧化，燃燒持續(xù)時間因此縮短。

圖4 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對燃燒持續(xù)期的影響

2.3 CO排放

EGR閥門開度和噴油正時對CO排放的影響如圖5所示。CO是碳氫燃料在燃燒過程中生成的主要中間產(chǎn)物[12]，汽車排放污染物中的CO是燃油在氣缸內(nèi)燃燒不充分所致。噴油時刻從2.5°提前到7.5°CA BTDC時，CO排放急速下降至很低水平，噴油時刻從7.5°提前至17.5°CA BTDC時，CO排放徐緩降至零；在2.5°-12.5°CA BTDC范圍內(nèi)時，隨著EGR率的增加，CO排放量逐漸升高，當噴油提前角大于17.5°CA時，CO排放都保持為零，與 EGR率無關(guān)。

圖5 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對CO排放的影響

CO形成的條件是低溫缺氧，EGR率增大，氣缸內(nèi)惰性氣體濃度增加，氧氣含量降低，不利于CO的氧化；當噴油時刻靠近上止點時，燃燒主要發(fā)生在活塞下行階段，較低的燃燒溫度為CO的形成提供了低溫條件；噴油提前角較大時，燃燒主要發(fā)生在上止點附近，缸內(nèi)燃燒溫度、壓力升高，燃燒產(chǎn)生的不完全燃燒產(chǎn)物減少，CO排放降低；此外，混合燃料中的MF作為含氧燃料能降低燃燒過程的局部當量比并促進CO的氧化。

2.4 NO x排放

圖6為NOx排放隨EGR閥門開度和噴油正時變化的規(guī)律曲線。由圖可知:在同一噴油正時下，隨著EGR閥門開度的增加，NOx排放呈下降的趨勢；隨著噴油正時提前，NOx排放呈上升趨勢。這說明:推遲噴油和廢氣再循環(huán)有利于降低NOx排放。高燃燒溫度、高氧濃度和較長的高溫燃燒反應(yīng)時間是促進NOx生成的主要因素。隨著EGR率的增加，惰性氣體濃度增加，氧濃度含量降低，燃燒溫度降低，抑制了NOx的生成，燃燒持續(xù)時間縮短，NOx在高溫燃燒條件下的生成反應(yīng)減少，也降低了NOx排放。

圖6 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對NO x排放的影響

在相同的EGR閥門開度下，不同的噴油時刻會造成缸內(nèi)燃燒溫度的不同，噴油提前角較大時，燃燒主要發(fā)生在上止點附近，缸內(nèi)的燃燒溫度、壓力升高，促進了NOx排放，此外，MF中的氧元素對NOx排放也起到促進作用。本研究表明:適當?shù)腅GR率和噴油正時對降低柴油-MF混合燃料的NOx排放具有顯著意義。

2.5 碳煙排放

EGR閥門開度和噴油正時對碳煙排放的影響如圖7所示。由圖可知:除100%EGR閥門開度、噴油正時為2.5°CA BTDC工況下，碳煙排放保持在較低的水平，這說明:混合燃料對降低碳煙排放具有顯著的效果。文獻[13]中表明，混合燃料中的氧含量與碳煙的降低有很強的相關(guān)性。碳煙的生成主要發(fā)生在擴散燃燒階段，MF的加入會延長混合燃料的滯燃期，并促進了預(yù)混合燃燒，較少的混合燃料燃燒發(fā)生在擴散燃燒階段，降低了碳煙的生成。MF中的氧元素可促進燃燒階段碳煙以及碳煙先驅(qū)體的氧化，降低碳煙排放。

圖7 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對碳煙排放的影響

隨著EGR閥門開度的增大碳煙排放有所增加，這是因為較低的氧濃度和燃燒溫度不利于碳煙的氧化。當噴油時刻為靠近上止點的2.5°CA BTDC和EGR閥門開度為100%工況下，碳煙排放出現(xiàn)明顯升高，這是因為:在較高的EGR率下，氧濃度很低，燃燒不充分；此外，在較遲的噴油時刻下，燃燒發(fā)生在膨脹行程，遠離上止點，燃燒溫度降低；這兩方面的原因?qū)е螺^高的碳煙排放。

2.6 碳煙顆粒尺寸分布

EGR閥門開度對碳煙顆粒尺寸分布函數(shù)(PSDF)的影響如圖8所示。當噴油時刻為7.5°CA BTDC時，增大EGR可以明顯降低顆粒物數(shù)量，這是因為:EGR的增大會導(dǎo)致滯燃期延長，而在有利于碳煙顆粒生成的擴散燃燒階段的燃燒持續(xù)時間縮短，更低的燃燒溫度也會抑制碳煙顆粒的氧化；而噴油時刻為17.5°CA BTDC時，EGR對降低顆粒數(shù)量的效果不明顯，滯燃期的縮短和擴散燃燒程度的增強會導(dǎo)致小顆粒的凝結(jié)和聚集，從而產(chǎn)生更多的大顆粒物。

圖8 不同EGR閥門開度對碳煙顆粒尺寸分布的影響

當顆粒尺寸大于300nm，EGR率為0時，碳煙顆粒的數(shù)目很少，EGR對大顆粒排放的影響較大，這是因為:在EGR的影響下，更多的小顆粒物凝結(jié)和聚集并產(chǎn)生更大的碳煙顆粒；此外，EGR的廢氣中含有上一循環(huán)的碳煙粒子，本循環(huán)生成的碳煙更容易聚集沉淀在這些顆粒物上面，使顆粒尺寸進一步增大，因此，在EGR的影響下會出現(xiàn)顆粒尺寸大于300nm的情況。

2.7 碳煙顆粒數(shù)量濃度

圖9為碳煙顆粒數(shù)量濃度隨噴油正時和EGR開度變化的柱狀圖。噴油正時為2.5°-12.5°CA BTDC時，隨著EGR率的增加，顆粒物數(shù)量濃度明顯降低；而在噴油正時為17.5°和22.5°CA BTDC時，EGR的加入對顆粒物數(shù)量濃度的影響較小。顆粒物的數(shù)量濃度主要受峰值顆粒數(shù)的影響，噴油正時為7.5°CA BTDC時，無EGR影響時的顆粒數(shù)量濃度最高，隨著EGR閥門開度的增大顆粒物的數(shù)量逐漸降低，滯燃期和燃燒溫度對顆粒數(shù)量的降低起到關(guān)鍵作用。

圖9 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對碳煙顆粒數(shù)量濃度的影響

2.8 碳煙顆粒質(zhì)量濃度

碳煙顆粒質(zhì)量濃度隨噴油正時和EGR開度的變化曲線如圖10所示。由圖可知:碳煙顆粒質(zhì)量濃度隨噴油正時變化總的趨勢是隨著噴油正時提前，碳煙顆粒質(zhì)量濃度先增高后降低；而其隨EGR開度的變化，卻未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，噴油時刻靠近上止點時，在EGR的影響下，顆粒質(zhì)量濃度呈下降趨勢；而噴油時刻在 12.5°-22.5°CA BTDC范圍時，在EGR的影響下顆粒質(zhì)量濃度呈上升趨勢。顆粒質(zhì)量濃度主要受大尺寸顆粒的影響，噴油正時為7.5°CA BTDC時，EGR可明顯降低尺寸為 100～300nm的碳煙顆粒數(shù)量，而噴油正時為17.5°CA BTDC時，EGR對尺寸為100～300nm的碳煙顆粒的影響不明顯。

圖10 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對顆粒質(zhì)量濃度的影響

3 結(jié)論

(1)隨著EGR增大，MF-柴油混合燃料柴油機的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值逐漸下降；噴油正時為17.5°CA BTDC時的缸內(nèi)壓力峰值明顯高于噴油正時為7.5°CA BTDC時的缸內(nèi)壓力峰值。

(2)相同的噴油正時下，增大EGR，滯燃期延長；在相同的EGR閥門開度下，隨著噴油正時的提前，滯燃期先縮短后延長，并在17.5°CA BTDC時達到最短。MF-柴油混合燃料柴油機的燃燒持續(xù)期與滯燃期呈現(xiàn)相反的變化趨勢。

(3)增大EGR，CO排放逐漸升高，當噴油提前角大于17.5°CA BTDC時，CO排放幾乎為零。

(4)推遲噴油和廢氣再循環(huán)可明顯降低NOx排放；MF-柴油混合燃料對降低柴油機碳煙排放具有顯著的效果。

(5)噴油時刻靠近上止點，EGR可降低碳煙顆粒質(zhì)量濃度，噴油提前角較大時，EGR使顆粒質(zhì)量濃度升高。