加氫催化生物柴油引燃汽油可視化

相英杰，王 謙，劉 旭，曹禮軒

(江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了應(yīng)對全球環(huán)境問題，我國部分地區(qū)開始實(shí)施國家第六階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(簡稱國六排放標(biāo)準(zhǔn))，更高的排放標(biāo)準(zhǔn)和新一代電動汽車的逐漸普及促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)行業(yè)對新技術(shù)的研發(fā)與突破，針對新型燃燒方式與新能源的開發(fā)逐漸成為技術(shù)主流。與傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒模式相比，低溫燃燒技術(shù)[1]能夠?qū)崿F(xiàn)更環(huán)保的排放。均質(zhì)充量壓縮燃燒(HCCI)是一種低溫燃燒的策略，具有較高的熱效率、更低的熱損失和更短的燃燒持續(xù)期[2]，但它的點(diǎn)火正時完全由被壓力、溫度和混合物組分支配的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制[3]。為了能夠像柴油機(jī)控制噴油正時或汽油機(jī)控制火花塞點(diǎn)火時刻一樣控制燃燒相位，研究者提出部分預(yù)混合燃燒策略(PCCI)[4]，采用早噴或晚噴策略使發(fā)動機(jī)在著火前將燃油混合，改善HCCI放熱率與壓力升高率過大的問題。為了擺脫P(yáng)CCI對于柴油機(jī)高廢氣再循環(huán)率(EGR)的依賴，使其能夠在全負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，將低活性燃油作為燃料的發(fā)動機(jī)具有更長的滯燃期，排放性能更好[5]。燃燒與微動力系統(tǒng)、生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等。E-mail: qwang@ujs.edu.cn。

區(qū)別于其他燃燒方式，反應(yīng)活性控制壓燃(RCCI)是雙燃料預(yù)混合燃燒方式，適用于全轉(zhuǎn)速全負(fù)荷。通過在進(jìn)氣道噴射低活性汽油，缸內(nèi)噴射高活性燃油，在缸內(nèi)形成燃油濃度梯度及活性梯度，實(shí)現(xiàn)了寬廣負(fù)荷下的高熱效率、低排放以及可控的燃燒相位[6-8]。姚登舉等[9]利用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理建立了RCCI燃燒模型并分析了汽、柴油比例和噴油時刻對燃燒過程和排放的影響。朱江濤等[10]、Ma等[11]研究了噴油策略對柴油引燃汽油RCCI噴霧燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)在上止點(diǎn)(TDC)前30°～40°內(nèi)改變噴油時刻能夠使燃燒滯后，滯燃期延長。Rahnama等[12]研究發(fā)現(xiàn)，2種燃料之間的大反應(yīng)性梯度有利于在高負(fù)荷下獲得較小的升壓速率和峰值壓力值。

含氧燃料的分子結(jié)構(gòu)、十六烷值和含氧量對發(fā)動機(jī)的燃燒過程具有較大的影響[13]。加氫催化生物柴油(HCB)屬于二代生物柴油，主要組分為C16、C17、C18的正構(gòu)烷烴，由于其十六烷值較大而具有超高的反應(yīng)活性，因此能夠顯著改善發(fā)動機(jī)的著火特性和排放特性[14-15]。

針對傳統(tǒng)柴油RCCI燃燒效率不高且排放物多的問題，本文中以HCB作為高活性燃油，汽油作為低活性燃油，在光學(xué)發(fā)動機(jī)上進(jìn)行低負(fù)荷雙燃料RCCI模式的試驗(yàn)研究，利用高速相機(jī)采集柴油機(jī)缸內(nèi)的火焰自發(fā)光圖像，結(jié)合缸內(nèi)壓力以及放熱數(shù)據(jù)，改變?nèi)加透邏褐眹姇r刻以及噴油比例，探討噴油策略對發(fā)動機(jī)燃燒的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用光學(xué)發(fā)動機(jī)為一臺四缸柴油機(jī)改造單缸機(jī)[16]，直噴壓力為80 MPa，進(jìn)氣道噴射壓力為0.5 MPa，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。光學(xué)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要包括進(jìn)氣道與缸內(nèi)直噴相結(jié)合的雙燃料噴射系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電子控制單元(ECU)控制系統(tǒng)。通過在進(jìn)氣口加裝加熱器并監(jiān)測溫度，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣溫度調(diào)控，利用ECU集成控制噴油時刻、噴油量、噴油壓力與高速相機(jī)觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)多種信號的同步控制。試驗(yàn)壓力及放熱信號由6058A型缸壓傳感器(德國KISTLER公司)采集，由DEWE-800型燃燒分析儀(奧地利DEWETRON公司)進(jìn)行計(jì)算，火焰自發(fā)光信號透過石英玻璃制成的活塞到達(dá)底部的反射鏡，由高速相機(jī)捕捉，從而觀測到缸內(nèi)噴霧燃燒過程。

表1 光學(xué)發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

ECU—電子控制單元；HCB—加氫催化生物柴油；PC—信號采集計(jì)算機(jī)。

高速相機(jī)型號為FASTCAM SA-Z(美國Photron公司)，其信號與噴油器信號同步，參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 高速相機(jī)參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)針對HCB與柴油分別引燃汽油開展，保持發(fā)動機(jī)倒拖轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，固定循環(huán)總能量為1 000 J，通過噴油脈寬標(biāo)定測試得到不同比例下的燃油噴油量。由于HCB凝點(diǎn)低，只有14 ℃，因此，為了能夠保持良好的流動性，在HCB油箱中連接溫度控制器并保持恒溫。

考慮到光學(xué)發(fā)動機(jī)強(qiáng)度要求，當(dāng)噴油信號給出后，發(fā)動機(jī)循環(huán)次數(shù)不超過30，且每次噴油燃燒試驗(yàn)結(jié)束均需拆卸缸體進(jìn)行清洗處理，以保證光學(xué)視窗的透光性。針對光學(xué)發(fā)動機(jī)改造后的壓縮比僅為12，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)柴油機(jī)的，試驗(yàn)中增加進(jìn)氣加熱裝置，保持進(jìn)氣溫度為80 ℃，發(fā)動機(jī)循環(huán)冷卻液溫度為90 ℃，在開機(jī)前使發(fā)動機(jī)充分預(yù)熱，利用進(jìn)氣加熱來對壓縮比進(jìn)行補(bǔ)償，使缸內(nèi)燃油混合氣穩(wěn)定著火。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴油比例對燃燒過程的影響

試驗(yàn)中高活性燃油與低活性燃油的總能量為1 000 J，缸內(nèi)直噴噴油時刻為上止點(diǎn)前30°，通過調(diào)節(jié)燃油的噴油脈寬，按照HCB熱值占總熱值的比例來控制噴油比例。圖2所示為噴油脈寬標(biāo)定結(jié)果，試驗(yàn)中使用雙燃料噴射策略，總噴油能量一定，由于采用HCB缸內(nèi)直噴、汽油進(jìn)氣道噴射，因此HCB噴射脈寬與汽油有較大差異。HCB的密度略小于柴油的，黏度稍大于柴油的，同時具有更大的低熱值，其十六烷值達(dá)到了103，比柴油的大2倍多，表明在相同工況下HCB更易著火，點(diǎn)火性能更好，因此試驗(yàn)中將HCB作為高活性燃油，與汽油形成RCCI雙燃料燃燒模式。

噴油比例—加氫催化生物柴油熱值占總熱值的比例。

圖3所示為噴油比例對缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率以及燃燒相位的影響的試驗(yàn)結(jié)果。從圖3(a)中可以看出，隨著噴油中HCB比例的增加，最高燃燒壓力不斷增大，放熱率峰值也不斷增加。當(dāng)噴油比例為 10%時，燃燒壓力較小，引燃效果差，不完全燃燒情況加劇。從圖3(b)中可以看出，隨著噴油中HCB比例的增加，燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期縮短。當(dāng)噴油比例增大為50%時，升壓速率增大，燃燒速率加快，發(fā)動機(jī)燃燒劇烈，穩(wěn)定性降低。

(a)缸壓和放熱率

發(fā)動機(jī)的滯燃期是表示發(fā)動機(jī)燃燒特性的重要指標(biāo)，一般根據(jù)放熱量來確定放熱滯燃期τdo。柴油機(jī)光學(xué)試驗(yàn)還包含化學(xué)發(fā)光滯燃期τcl和碳煙熾光滯燃期τsoot。在燃燒初期，燃油分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，燃燒室內(nèi)的氣態(tài)分子由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷，在這個過程分子自身發(fā)出輻射光；在燃燒中后期高溫碳煙粒子黑體輻射而形成碳煙熾光，其強(qiáng)度比化學(xué)發(fā)光要大很多。研究[17]表明，上述3種滯燃期長短排序?yàn)棣觗o<τcl<τsoot。本文中用噴油時刻至燃燒放熱量點(diǎn)總量的10%時對應(yīng)的轉(zhuǎn)角來定義放熱滯燃期τdo，用噴油時刻開始至光強(qiáng)升高率峰值來定義化學(xué)發(fā)光滯燃期τcl。圖4所示為噴油比例對化學(xué)發(fā)光滯燃期與放熱滯燃期的影響。由圖可知，隨著噴油中HCB比例的增加，在上止點(diǎn)前噴入的HCB蒸發(fā)吸熱量增大，從而導(dǎo)致放熱滯燃期推遲，著火時刻延遲，但HCB比例的增加同時使得缸內(nèi)燃油活性提高，燃燒速率加快。

噴油比例—加氫催化生物柴油熱值占總熱值的比例。

圖5所示為試驗(yàn)中拍攝到的HCB噴霧及RCCI燃燒過程，對應(yīng)工況為噴油比例為30%。為了更好地對燃燒過程進(jìn)行分析，采用MATLAB程序?qū)D像進(jìn)行后處理，圖6所示為經(jīng)過去背景以及偽彩程序處理之后得到的燃燒過程，分別為不同噴油比例工況下各曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的燃燒狀態(tài)圖像。通過觀察發(fā)現(xiàn)，噴油比例為10%時未見明顯著火燃燒過程，只出現(xiàn)局部點(diǎn)狀火焰，擴(kuò)散燃燒效果較差。隨著噴油比例增大，缸內(nèi)燃燒逐漸劇烈，從發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壁開始著火，在活塞凹坑HCB集中處火焰向中心擴(kuò)散?；钊纳闲袎嚎s與下行做功過程使得氣化后的燃料呈現(xiàn)旋流運(yùn)動，燃燒并不完全均勻。當(dāng)噴油比例增加時，燃燒室中心區(qū)域碳煙濃度增大，形成局部光強(qiáng)飽和點(diǎn)。當(dāng)噴油比例達(dá)到30%時，燃燒區(qū)域顯著增加，在擴(kuò)散燃燒作用下光強(qiáng)比低噴油比例時的提高很多。

(a)HCB噴霧過程

(a)噴油比例為10%

2.2 噴油時刻對燃燒過程的影響

燃料的噴射時刻對于RCCI燃燒過程和燃燒相位具有較大影響。當(dāng)噴油時刻不同時，發(fā)動機(jī)燃油混合氣濃度分層及活性分層都將發(fā)生改變。由于汽油在進(jìn)氣道內(nèi)噴入，因此只要保證在進(jìn)氣門開啟后噴射，汽油噴油時刻對于缸內(nèi)混合氣濃度及活性分層并無太大影響。試驗(yàn)中對進(jìn)、排氣門開啟、關(guān)閉時刻進(jìn)行了測定，設(shè)定進(jìn)氣提前角為10°，汽油噴油時刻保持在進(jìn)氣上止點(diǎn)前60°。同時，將噴油比例設(shè)為30%，研究HCB噴射時刻對RCCI低負(fù)荷燃燒的影響。

圖7所示為噴油時刻對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響。從圖中可以看出，HCB噴油時刻從上止點(diǎn)前30°延遲至20°，壓力與放熱率峰值逐漸增大。將噴油時刻減小至上止點(diǎn)前15°時，由于靠近上止點(diǎn)，噴入缸內(nèi)的HCB在蒸發(fā)吸熱作用下，放熱率出現(xiàn)短暫負(fù)值且活塞凹坑處HCB混合氣濃度降低，因此燃燒效率降低，放熱總量與噴油時刻為上止點(diǎn)前25°時相當(dāng)。當(dāng)噴油時刻從上止點(diǎn)前30°延遲至15°時，壓力與放熱率隨噴油時刻靠近上止點(diǎn)而先增后減，并在上止點(diǎn)前20°時達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)。

圖7 不同噴油時刻時的缸壓和放熱率

圖8所示為噴油時刻對燃燒相位和滯燃期的影響。由圖可見，噴油時刻從上止點(diǎn)前30°延遲20°時，燃燒放熱量占總量的50%時對應(yīng)的轉(zhuǎn)角向上止點(diǎn)靠近，且放熱滯燃期與化學(xué)發(fā)光滯燃期均縮短，說明滯燃期的縮短的原因在于前期放熱過程的壓縮。在減小噴油提前角后，噴油過程中活塞接近上止點(diǎn)，在壓縮過程中完成初期燃燒。當(dāng)噴油時刻為上止點(diǎn)前15°時，缸內(nèi)燃油濃度分層度低，未能形成較好的活性分層，導(dǎo)致燃燒重心延遲。

噴油時刻不同時缸內(nèi)不同曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的燃燒狀態(tài)如圖9所示。由圖可知，在噴油撞壁與進(jìn)、排氣門區(qū)域燃燒顯著，原因是較高的HCB濃度和溫度造成局部著火，并向四周和中心區(qū)域擴(kuò)散，最終完全燃燒。

(a)噴油時刻對應(yīng)轉(zhuǎn)角為-30°

3 結(jié)論

本文中針對加氫催化生物柴油在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并分析了反應(yīng)活性控制壓燃的燃燒規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)基于HCB的超高活性，在發(fā)動機(jī)中具備替代柴油的能力，有利于能源多元化發(fā)展利用。

2)隨著噴油中HCB比例的增加，最高燃燒壓力不斷增大，放熱率峰值也不斷增大；燃燒相位提前，放熱滯燃期與化學(xué)發(fā)光滯燃期均不斷縮短。

3)缸內(nèi)直噴HCB時刻從上止點(diǎn)前30°延遲至15°，壓力與放熱量均隨噴油時刻靠近上止點(diǎn)而先增后減，在噴油時刻為上止點(diǎn)前20°時達(dá)到峰值，且燃燒相位與滯燃期均先減后增。