加氫催化生物柴油/柴油碳煙生成過程可視化試驗研究

(1.上汽集團商用車技術中心，上海 200438；2. 江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 前言

隨著我國經濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國汽車保有量逐年增加，截止2017年底，已累積達到2.17億輛，汽車的大量使用帶來了嚴峻的能源供需緊張和環(huán)境污染問題，其中，柴油機的顆粒物(PM)排放遠超汽油機，成為內燃機領域降低排放的研發(fā)重點[1]。生物柴油因為其可再生性、對柴油機結構無需改動及低碳煙排放特點，近年來受到人們的廣泛關注。

當前，國內外科研工作者對于生物柴油在發(fā)動機上開展了大量的研究[2-3]，研究結果表明生物柴油具有很好的降低PM排放效果，而關于生物柴油在燃燒過程中碳煙生成特性的研究較少，Pickett和Siebers[3]在定容燃燒彈中針對微小噴孔進行了碳煙生成過程可視化研究，首次指出了火焰浮起長度與碳煙生成之間的聯(lián)系。Pastor[4]在1個二沖程光學發(fā)動機上，針對燃燒過程中碳煙生成特性，開展了對不同光學測試方法的研究，研究結果認為雙色法對于低碳煙濃度條件下具有很好的測試效果，而消光法對于濃碳煙條件具有很好捕捉特性，且測試過程簡單易操作。Hwang[5]等研究了以地溝油為原料制取的生物柴油的噴霧燃燒特性及排放特性，研究發(fā)現(xiàn)生物柴油在小負荷的條件下也有助于減少CO、碳氫化合物(HC)和PM的排放，但在高負荷和噴油正時提前的情況下，排放效果會出現(xiàn)惡化。Lapuerta[6]等認為生物柴油的燃燒始點提前，使得碳煙在高溫下的時間比較長，這有利于碳煙的氧化，同時生物柴油的終餾點低，使得從噴油孔噴出的生物柴油液滴能在高溫下很快地蒸發(fā)燃燒，減少了碳煙前驅物的生成，而且生物柴油中不含硫元素，減少了碳煙重要組成部分硫氧化物的形成。王顯剛[7]等研究了超高噴射壓力下柴油、棕櫚油生物柴油和煎炸油生物柴油的碳煙生成特性。研究表明煎炸油生物柴油比棕櫚油生物柴油能更有效地減少碳煙的生成。

綜上所述，國內外學者針對生物柴油的碳煙生成特性開展了一定的研究。而加氫催化生物柴油作為一種新型燃油，其化學結構上與柴油類似，為飽和烷烴結構，十六烷值高、氧化安定性好、密度小、硫含量低，且具有與柴油相近的黏度和熱值，不含氮、氧等特點，關于其碳煙生成特性的研究目前還未大量開展。因此，針對該加氫催化生物柴油在高溫高壓的可視化定容燃燒彈內，開展了柴油以及混合燃油B50碳煙生成過程的對比研究，并探究其相互作用。

1 試驗裝置及研究方法

1.1 燃料及試驗方案

為了探究加氫催化生物對柴油機碳煙生成特性的影響，利用加氫催化生物柴油與0號國五柴油按質量比1∶1調和成混合燃油，使用國五柴油作為對比燃料，具體理化特性如表1所示,加氫催化生物柴油詳細的理化特性見文獻[8]。為了方便表述，本文以B50代表混合燃油。試驗方案如表2所示，以氧濃度15%、環(huán)境溫度870 K、噴油壓力100 MPa為基準工況，保持環(huán)境密度為20 kg/m3不變，依次改變氧濃度、環(huán)境溫度和噴油壓力研究不同工況下加氫催化生物柴油的碳煙生成特性，噴油持續(xù)期為3 500 s，為減少循環(huán)變動和多次噴油之間的誤差，每組工況噴油10次，噴油間隔為10 s。

表1 試驗燃油的理化特性

表2 試驗方案

1.2 定容燃燒彈

本文中所有試驗均在定容燃燒彈上進行，其主體材料為不銹鋼，以保證腔體能夠承受較高的壓力。定容燃燒彈主體為圓柱形，腔體四周正交分布4個視窗，視窗有效直徑為100 mm，視窗由厚度為80 mm的JGSJGS-1高透石英玻璃，定容燃燒彈腔體有效容積為12 L。腔體內裝有瞬時壓力和溫度傳感器，以監(jiān)測試驗中腔體內壓力和溫度波動，安全工作壓力最高為6 MPa，工作溫度為1 000 K。

1.3 碳煙濃度測量試驗裝置及試驗方法

本文中碳煙濃度測量方法為發(fā)散背景光消光法(DBIEI)，光路設置如圖1所示，整個光路以噴油器為中心在定容燃燒彈外圍對稱布置光源系統(tǒng)和圖像接收系統(tǒng)。其中，光源系統(tǒng)由高頻脈沖LED燈，菲涅爾透鏡和工程散射片組成。為減少光強損失，散射片靠近定容彈視窗放置，菲涅爾透鏡放置在散射片和光源之間，保持菲涅爾透鏡和LED光源兩者距離始終為菲涅爾透鏡的焦距長度，將兩者向后挪動逐漸遠離散射片，直到相機上出現(xiàn)光斑面積最大為止，同時，確保穿過視窗的光是發(fā)散的，以減少紋影效應。圖像采集系統(tǒng)由凸透鏡、450 nm帶通濾光片(半帶寬10 nm)和高速數(shù)碼相機(型號為Photron SA-Z)組成，鏡頭為105 mm尼康變焦鏡頭。

圖1 碳煙濃度測量原理圖

高速相機和脈沖LED的時序圖如圖2所示，設置高速數(shù)碼相機的拍攝頻率為60 000 fps，脈沖LED頻率設置為相機的一半，從而相機可以捕捉到LED連續(xù)兩次發(fā)光之間的碳煙自身輻射。高速數(shù)碼相機曝光時間為2.5 μs，像素密度為5.83 pixel/mm，分辨率為768×304。

圖2 高速相機和脈沖LED時序圖

基于“Beer-Lambert”定律[9]，高速DBIEI消光測試用于得到表征碳煙濃度(KL)值，如式(1)所示：

(1)

式中，Isum表示入射光源穿透碳煙后的光強I0,trans與碳煙自身輻射光強度If的總和，If表示LED頻閃之間碳煙自身的輻射強度，I0表示LED燈的入射光強。式(2)為碳煙質量計算公式：

Msoot=ρKLλ×pixelarea/ke

(2)

式中，λ表示入射光的波長，即450 nm，ke為無量綱消光系數(shù)，依據(jù)Rayleigh-Debye-Gans(RGB)理論，ke值選取7.81.其中假設碳煙密度為1.8 g/cm3?；谑?2)中的碳煙質量計算公式，將每一個像素點的值沿著y軸疊加，如式(3)所示：

(3)

x表示噴霧軸向，y表示噴霧徑向，y1和y2表示噴霧徑向上的邊界，計算結果如圖3所示。

圖3 碳煙生成的初始時刻和初始位置的確定

2 試驗結果及分析

2.1 火焰中碳煙濃度發(fā)展過程

在每個光路軸向位置上，測量所得的KL值正比于入射光在碳煙內光學長度的累積值。圖4給出了MO中氧濃度工況(噴油壓力100 MPa、環(huán)境溫度870 K、氧濃度18%)下B0和B50燃油的碳煙濃度二維分布，左邊為B0燃油，右邊為B50，其中B0燃油碳煙濃度中的黑色區(qū)域表示入射光無法穿過此處碳煙，即KL值大于5，白色虛線表示相應燃油在該工況下的火焰浮起長度。

圖4 MO工況(噴油壓力100 MPa、環(huán)境溫度870 K、氧濃度18 %)B0和B50燃油的碳煙濃度二維分布

由圖4可見，B50燃油燃燒時的碳煙生成的初始時刻遠遠早于B0燃油，主要是因為加氫催化生物柴油的十六烷值較高，大大縮短了B50燃油的著火延遲期，而著火延遲期會改變擴散火焰中油氣混合質量，從而影響整個燃燒過程。同時，較短的著火延遲期意味著更大比例的擴散燃燒和更小比例的預混合燃燒，油氣混合過程中卷吸空氣量也會大大降低，因此火焰浮起長度會縮短，有助于增大碳煙生成。此外，十六烷值較高的燃油裂解速率更快，然而也會加速碳煙前驅物的生成。一般來說，小分子燃料的碳煙生成較低，燃燒更完全，而碳煙的生成過程極其復雜，需要在不同的運行工況下進行具體性分析。噴油開始后(ASOI) 1 150 μs時，由于B50燃油火焰的頭部出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象，所以對應的碳煙頭部被邊界過濾掉。在碳煙生成初始時刻，B50燃油的碳煙濃度較大，在ASOI 1 800 μs之后，兩種燃油火焰中的碳煙分布趨于穩(wěn)定，并且B50燃油火焰中的碳煙濃度明顯小于純柴油。

2.2 碳煙生成的初始時刻和初始位置

柴油燃燒的碳煙生成主要存在于擴散火焰中，因此，火焰中碳煙濃度的大幅增加可以一定程度上表征擴散火焰的開始。

圖5(a)給出LT、MT和BA工況(不同環(huán)境溫度)下碳煙生成的初始時刻和初始位置的變化曲線，柱狀圖表示碳煙生成的初始時刻，折線圖表示碳煙生成的初始位置。由圖可得，在環(huán)境溫度770 K工況下，由于此時火焰浮起長度較長，預混燃燒較為充分，在視窗內無碳煙信號；在環(huán)境溫度823 K和870 K工況下，碳煙生成的初始時刻隨著環(huán)境溫度的升高而降低，且B50燃油下降的幅度小于B0燃油。同樣，碳煙生成的初始位置縮短的幅度也小于B0燃油，說明在大負荷工況下，加氫催化生物柴油降低碳煙生成的效果更好。

圖5(b)給出了BA、MO和HO工況(不同氧濃度)下碳煙生成的初始時刻和初始位置的變化曲線。其中B0和B50燃油的碳煙生成的初始時刻和初始位置均隨著氧濃度的增大而降低，且隨著氧濃度的增大，降低的幅度逐漸減小，直至在氧濃度21%工況下，兩種燃油的碳煙生成的初始時刻和初始位置幾乎沒有差別。

圖5(c)給出了BA、HI(不同噴油壓力)工況下碳煙生成的初始時刻和初始位置的變化曲線。與其他參數(shù)不同的是，隨著噴油壓力的增大，B0和B50的碳煙生成的初始時刻幾乎以相同的幅度增加，而對于碳煙初始生成位置，B50燃油幾乎保持不變。

圖5 B0和B50燃燒火焰中碳煙生成的初始時刻和初始位置

3 結論

(1)B50燃油的碳煙生成的初始時刻早于B0燃油，同樣，生成位置也更靠近噴嘴，而在火焰中心，B0燃油的KL值大于B50；

(2)環(huán)境溫度823 K和870 K工況下，碳煙生成的初始時刻隨著環(huán)境溫度的升高而降低，且B50燃油下降的幅度小于B0燃油。同樣，碳煙生成的初始位置縮短的幅度也小于B0燃油，說明在大負荷工況下，加氫催化生物柴油降低碳煙生成的效果更好；

(3)B50燃油在低環(huán)境溫度和低環(huán)境氧濃度工況下更有利于減少火焰中的碳煙生成，即在小負荷和高EGR率工況下，可以較好的發(fā)揮加氫催化生物柴油的PM減排效果。