納米SiO2和CeO2對柴油/生物柴油摻混燃料燃燒與排放的影響

劉勇強, 盧文健, 衛(wèi)將軍, 曾 楊, 銀增輝, 錢葉劍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

0 引 言

柴油機因具有較高的熱效率以及較好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等優(yōu)點,一直被大規(guī)模用作交通運輸車輛、工程機械和農(nóng)業(yè)機械的動力裝置。然而,柴油機消耗了大量的化石能源以及排放的多種污染物給能源儲存和環(huán)境治理帶來了巨大的壓力[1]。使用替代燃料是理想的選擇之一,其中生物柴油是可再生能源,其含氧量較高,燃燒性能好,生物降解能力強,燃油屬性與柴油相似[2]。國內(nèi)外大量研究表明,使用生物柴油替代燃料可以有效改善發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程,從而降低CO、HC、NOx和碳煙等污染物的排放[3-4];但由于生物柴油黏度較大、熱值較低的特點,導(dǎo)致發(fā)動機燃用生物柴油的油耗比柴油高,且熱效率降低[5]。而燃料添加劑常被用來改善生物柴油的燃料特性。試驗研究表明，納米顆粒添加劑能夠促進(jìn)燃料霧化,加速熱量傳遞,并能有效地改善燃料燃燒,從而提高發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)性,同時降低污染物的排放[6]。文獻(xiàn)[7]研究了生物柴油中添加納米二氧化硅(SiO2)顆粒對燃料特性和發(fā)動機排放的影響,發(fā)現(xiàn)燃料的黏度下降,缸內(nèi)燃燒得到優(yōu)化,進(jìn)而使得CO和NOx的排放顯著降低;文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn),柴油中添加納米SiO2后發(fā)動機油耗降低了19.8%,制動熱效率提高了18.8%,HC的排放降低了1.76倍。此外,由于納米二氧化鈰(CeO2)顆?？梢宰鳛檠趸呋瘎?促進(jìn)烴的氧化和氮氧化物的還原,因此被廣泛用作柴油發(fā)動機燃料的添加劑[9-10]。文獻(xiàn)[11]在四沖程單缸柴油機上研究了納米CeO2顆粒對生物柴油燃燒及排放的影響,發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)峰值壓力升高,燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善,CO和NOx的排放顯著降低。另外,也有研究結(jié)合了不同納米顆粒的優(yōu)點,使用納米顆?；旌咸砑觿﹣砀纳瓢l(fā)動機性能,文獻(xiàn)[12]發(fā)現(xiàn)納米氧化石墨烯和二氧化鈦混合添加劑在中、高負(fù)荷下可以顯著降低發(fā)動機油耗。在后處理方面,納米SiO2和CeO2添加劑及其燃燒產(chǎn)物能夠有效地被DPF捕集,并作為催化劑提高碳煙氧化速率,降低DPF的再生平衡溫度[13-14]。

因此,本文選取納米SiO2和CeO2作為混合添加劑,探究其對柴油/生物柴油摻混燃料的燃燒和排放性能的影響。研究結(jié)果以期為優(yōu)化生物柴油的應(yīng)用提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 試驗裝置、燃料及方法

1.1 試驗裝置

試驗所用發(fā)動機為常柴ZS1100單缸水冷直噴柴油機,其技術(shù)參數(shù)見表1所列。本試驗選用最大扭矩轉(zhuǎn)速為1 800 r/min的發(fā)動機,測定不同負(fù)荷5、15、25、35、45 N·m下發(fā)動機的燃燒及排放特性參數(shù)。主要測試設(shè)備有AVL GH14D缸壓傳感器、AVL HR-CA-B1燃燒分析儀、HORIBA MEXA-584L型尾氣分析儀及AVL Dismoke 4 000不透光煙度儀。對于每個試驗工況點,采集3組數(shù)據(jù)取平均值以減少測量誤差 (每組測量數(shù)據(jù)的相對偏差不能超過3%)。

表1 試驗用ZS1100柴油機參數(shù)

1.2 燃料配置及試驗方法

試驗所用基礎(chǔ)燃料為市售國六0#柴油和生物柴油。試驗測試燃料包括D100(純柴油)、B20、B20Si25Ce25、B20Si50Ce50、B20Si100Ce100。其中:B20為體積分?jǐn)?shù)20%的生物柴油和80%的柴油摻混后,通過磁力攪拌(MS-PB)制備的摻混燃料;B20Si25Ce25(B20+25 mg/kg SiO2+25 mg/kg CeO2)、B20Si50Ce50(B20+50 mg/kg SiO2+50 mg/kg CeO2)、B20Si100Ce100(B20+100 mg/kg SiO2+100 mg/kg CeO2)表示納米流體燃料。

在納米流體燃料配置過程中,先向B20中添加體積分?jǐn)?shù)為2%的表面活性劑(Span80),同時使用磁力攪拌器攪拌至混合液均勻狀態(tài),然后將配置好的納米SiO2和CeO2混合添加劑加入到該配置燃料中,繼續(xù)攪拌60 min左右,而后將配置好的燃料在40 kHz的頻率下超聲處理60 min。觀察發(fā)現(xiàn),配置而成的納米流體燃料具有良好的分散性和穩(wěn)定性。

試驗所用納米SiO2和CeO2顆粒的具體參數(shù)見表2所列。從表2可以看出,顆粒粒徑都小于50 nm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于噴油器噴孔直徑(0.32 mm),因此燃料在噴油器流動過程中不存在堵塞現(xiàn)象。

試驗所用測試燃料的理化特性見表3所列。在換測試燃油時,保證發(fā)動機至少運行30 min,以耗盡上一組測試燃料。試驗后,油箱及油管內(nèi)未發(fā)現(xiàn)納米SiO2和CeO2顆粒的吸附。

表2 試驗用納米SiO2和CeO2參數(shù)

表3 試驗用燃料理化特性

2 試驗結(jié)果分析

2.1 燃燒特性

不同負(fù)荷下各燃料缸內(nèi)壓力和放熱率曲線如圖1所示。

從圖1可以看出,隨著負(fù)荷的增大,由于發(fā)動機循環(huán)噴油量增加,缸內(nèi)峰值壓力和放熱率逐漸升高。在各負(fù)荷下,B20的缸內(nèi)峰值壓力和放熱率均低于D100,這是由于與柴油相比,生物柴油具有較低的熱值和較高的汽化潛熱,導(dǎo)致發(fā)動機燃用B20所產(chǎn)生的熱量低于D100[15];再者,生物柴油高運動黏度的特性不利于燃油的霧化,使預(yù)燃混合氣的形成速率降低,因此也可能導(dǎo)致缸內(nèi)壓力和放熱率峰值的下降[16];此外,通過缸壓曲線可以觀察到B20峰值壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相較于D100提前,這是由于生物柴油的十六烷值高于柴油,從而導(dǎo)致滯燃期縮短(圖1d),燃燒相位提前[3]。

從圖1還可以看出,B20中添加納米SiO2和CeO2混合顆粒后,在各負(fù)荷下的缸內(nèi)峰值壓力和放熱率峰值均有所增加。其中:在低負(fù)荷下,燃用B20Si25Ce25、B20Si50Ce50和B20Si100Ce100納米流體燃料的缸內(nèi)峰值壓力相較于B20(6.03 MPa)分別增加了0.02、0.03、0.18 MPa,放熱率峰值相較于B20(52.3 J/°CA)分別提高了3.6%、10.7%、13.9%;高負(fù)荷下,B20Si25Ce25、B20Si50Ce50和B20Si100Ce100的缸內(nèi)峰值壓力相較于B20(7.82 MPa)分別增加了0.04、0.07、0.09 MPa,放熱率峰值相較于B20(82.8 J/°CA)分別提高1.2%、2.3%、5.3%。

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，納米SiO2和CeO2顆粒優(yōu)化了生物柴油在缸內(nèi)的燃燒過程,促使缸內(nèi)峰值壓力和放熱率峰值提高,并且隨著納米顆粒添加量的增加,優(yōu)化效果更加明顯,這可能與納米顆粒自身的性質(zhì)有關(guān)。納米顆粒較高的表面活性和良好的傳質(zhì)導(dǎo)熱性能夠提高燃料液滴的蒸發(fā)速率,加快燃料的燃燒[11-17]。另外,納米SiO2顆粒較大的比表面積能夠促進(jìn)空氣與燃料充分接觸,從而實現(xiàn)燃料的完全燃燒[8]。同時,納米CeO2能起到催化氧化作用,在燃燒反應(yīng)過程中為燃料提供氧氣[9]。不難發(fā)現(xiàn)，納米SiO2和CeO2顆粒的添加對B20在不同負(fù)荷下的燃燒優(yōu)化程度并非一致,由于高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度急劇升高,燃料蒸發(fā)霧化效果較好,使得納米顆粒的優(yōu)化效果不再顯著。此外,與B20相比,添加納米SiO2和CeO2顆?？梢钥s短滯燃期,且隨著納米顆粒添加量的增加,這種趨勢更加明顯。這是由于納米顆粒良好的傳質(zhì)導(dǎo)熱特性提升了燃料的著火性,致使燃燒始點提前。

圖1 不同負(fù)荷下各燃料缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率曲線

比油耗(brake specific fuel consumption,BSFC)即燃油消耗率,是衡量發(fā)動機經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo),其變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同負(fù)荷下各燃料BSFC的變化規(guī)律

從圖2可以看出,隨著負(fù)荷的增加,BSFC逐漸下降。在低負(fù)荷時,由于缸內(nèi)溫度較低,燃油蒸發(fā)霧化效果較差,油氣混合不均勻致使燃燒不充分,進(jìn)而導(dǎo)致燃油消耗率較高;隨著負(fù)荷的增加,缸內(nèi)溫度得到提高,改善了油氣混合,燃油消耗逐漸下降;在各負(fù)荷下,發(fā)動機燃用B20的BSFC均高于D100;尤其是高負(fù)荷(45 N·m)下,B20的BSFC升幅最大為5.0%。

盡管生物柴油含氧,但并不能彌補其熱值較低的劣勢,因此發(fā)動機要消耗更多的B20燃料以輸出與D100相同的功率;同時,生物柴油較高的運動黏度不利于燃油霧化,導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒變差,進(jìn)而增加燃油消耗量[18]。

此外,B20中添加納米SiO2和CeO2顆粒后,發(fā)動機各負(fù)荷下燃油消耗率能夠降低0.69%～5.9%,且隨著納米顆粒添加量的增加,降幅愈發(fā)明顯。這與燃燒規(guī)律的分析結(jié)果一致,即納米顆粒對缸內(nèi)燃燒起到優(yōu)化作用,使得燃料燃燒更加充分,進(jìn)而降低了燃油消耗量。文獻(xiàn)[19]將納米CeO2顆粒作為純柴油的添加劑,發(fā)現(xiàn)隨著納米CeO2添加量的增加,BSFC逐漸降低,最大降幅達(dá)到9.5%。然而,文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)柴油中添加少量(25 mg/kg)納米SiO2顆粒后會導(dǎo)致油耗升高,當(dāng)添加量增大到50 mg/kg時才能起到降低油耗的作用。

不同負(fù)荷下發(fā)動機燃用各燃料的制動熱效率(brake thermal efficiency,BTE)變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同負(fù)荷下各燃料BTE的變化規(guī)律

從圖3可以看出,發(fā)動機燃用不同燃料時BTE隨負(fù)荷的變化一致,都呈上升趨勢。這是由于隨著負(fù)荷增加,缸內(nèi)溫度升高優(yōu)化了燃油的霧化,降低了發(fā)動機BSFC,進(jìn)而提高了熱效率。與D100相比,發(fā)動機燃用B20的BTE降低了1.2%～3.3%，這歸因于生物柴油較高的運動黏度不利于燃油蒸發(fā)霧化,導(dǎo)致B20燃燒變差[16]。而B20中添加納米顆粒后,BTE能夠提升0.37%～4.9%,隨著納米顆粒添加量的增加升幅更加明顯。尤其是發(fā)動機燃用B20Si100Ce100時,其BTE能達(dá)到與D100相同的水平，這是因為與B20相比,燃油中添加納米顆粒加速了燃燒過程中的不穩(wěn)定反應(yīng),所以提升了燃油燃燒的熱效率[20]。文獻(xiàn)[9]使用納米CeO2和CNT作為混合添加劑以期改善柴油/乙醇燃料的燃燒性能,結(jié)果顯示BTE最大僅能提高1.9%。

2.2 排放特性

柴油機燃用不同燃料時CO比排放量隨負(fù)荷變化的規(guī)律如圖4所示。

圖4 CO比排放量隨負(fù)荷變化的曲線

從圖4可以看出,各燃料CO的排放隨發(fā)動機負(fù)荷的增加而降低,并在高負(fù)荷下略有增加。柴油機CO主要源于燃油噴注中過濃部分的不完全燃燒[1]。低負(fù)荷工況下,缸內(nèi)溫度過低,燃料蒸發(fā)霧化效果較差,因此燃料不完全燃燒的現(xiàn)象增多,進(jìn)而導(dǎo)致 CO 的排放較高[2];隨著負(fù)荷的增加,燃燒室內(nèi)燃燒溫度逐漸升高,缸內(nèi)更好的蒸發(fā)霧化條件促進(jìn)了燃料的完全燃燒,進(jìn)而降低了 CO 排放;在高負(fù)荷下,雖然缸內(nèi)燃燒溫度較高,但缸內(nèi)混合氣過濃,同時燃油后燃較嚴(yán)重,這同樣會促進(jìn) CO排放。

各負(fù)荷下,柴油中添加生物柴油會導(dǎo)致CO排放降低。由于生物柴油中含有氧,可以增加局部富油區(qū)域的空燃比;同時,燃料分子中含有的氧可以改善擴散燃燒后期CO的氧化過程,因而降低了CO排放[5]。此外數(shù)據(jù)顯示,B20中添加納米SiO2和CeO2顆粒能夠進(jìn)一步降低CO排放,且隨著納米顆粒添加量的增加,CO排放量逐漸降低,這是由于納米顆粒的添加優(yōu)化了缸內(nèi)燃燒過程,使得燃料的燃燒更加充分。再者,納米CeO2顆粒能夠參與燃燒反應(yīng)生成O2,這勢必會加快CO的氧化速率[21]。B20添加納米SiO2和CeO2后,各負(fù)荷下對CO排放的降低幅度在19%～67.7%。同樣,文獻(xiàn)[21]發(fā)現(xiàn)相較于純生物柴油,添加納米CeO2可降低26%的CO排放。

發(fā)動機燃用不同燃料時未燃碳?xì)浠衔颒C比排放量隨負(fù)荷增加的變化趨勢如圖5所示。

從圖5可以看出,隨著負(fù)荷的增加,HC排放逐漸降低。在燃油噴注區(qū)域的外圍,過稀混合氣的未燃是柴油機HC排放的主要來源[1]。低負(fù)荷時,空燃比較大,同時較低的缸內(nèi)溫度不利于燃料蒸發(fā)霧化,更多未燃混合氣進(jìn)入排氣導(dǎo)致 HC 污染物排放較高；隨著負(fù)荷的增加,缸內(nèi)溫度逐漸升高,燃料更好地蒸發(fā)霧化,使得油氣混合更加均勻,燃燒更加充分,因此降低了HC的排放。

圖5 未燃HC比排放量隨負(fù)荷變化的曲線

與D100相比,使用B20混合燃料會導(dǎo)致HC排放量顯著增加。在所有負(fù)荷下,HC排放的增幅在37%～51%之間。盡管B20含氧可以改善燃燒,但由于生物柴油的運動黏度較高,使得B20的霧化效果變差,易形成較大的燃料液滴導(dǎo)致燃燒不完全,從而增大了HC排放。在文獻(xiàn)[17]的研究中也觀察到,發(fā)動機燃用生物柴油會導(dǎo)致HC排放的升高;然而,同樣是生物柴油在單缸柴油機上的應(yīng)用,文獻(xiàn)[22]卻發(fā)現(xiàn)生物柴油能夠有效降低HC的排放,且最大降幅能達(dá)到近70%。這一截然不同的趨勢可能與生物柴油的組分不同有關(guān)。相較于B20,發(fā)動機燃用納米流體燃料在各負(fù)荷下對HC排放的降幅在11.8%～41.9%,并且隨著納米顆粒添加量的增加,HC排放逐漸降低。尤其是發(fā)動機燃用B20Si100Ce100時,其HC排放在各負(fù)荷下都能達(dá)到低于D100的水平。這歸因于納米顆粒改善了燃燒,使得燃料燃燒更加充分。此外,納米CeO2顆粒能夠與碳?xì)浠衔锇l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即CeO2+CxHy→Ce2O3+CO2+H2O,使HC繼續(xù)被氧化而減少[9]。在文獻(xiàn)[19]的研究中也發(fā)現(xiàn)納米CeO2能夠有效降低HC的排放。但并不是所有納米顆粒添加劑都對HC排放有降低作用,如文獻(xiàn)[23]的研究發(fā)現(xiàn)納米Si和納米Al顆粒會增加HC排放。

不同負(fù)荷下發(fā)動機燃用各燃料的氮氧化合物NOx比排放量的變化趨勢如圖6所示。

高溫、富氧以及反應(yīng)持續(xù)時間是影響NOx排放的主要因素[1]。從圖6可以看出,隨著負(fù)荷的增大,NOx的比排放量呈下降趨勢。盡管負(fù)荷增大后,缸內(nèi)溫度升高會引起NOx排放的體積分?jǐn)?shù)上升,但功率的增幅更加顯著,因而導(dǎo)致NOx的比排放降低。

圖6 NOx比排放量隨負(fù)荷變化的曲線

從圖6還可以看出,發(fā)動機燃用B20的NOx排放比D100低8.9%～15.8%。如前所述,生物柴油具有較低的熱值和較高的汽化潛熱,導(dǎo)致發(fā)動機燃用B20的缸內(nèi)溫度比D100低,因此降低了NOx的排放。B20中添加少量的納米顆粒能夠進(jìn)一步降低NOx的比排放,然而大量添加納米顆粒后反而會造成NOx的比排放升高。與B20相比,發(fā)動機燃用B20Si25Ce25最大能夠降低約4.9%的NOx排放量，可能的原因是CeO2在燃燒過程中參與反應(yīng)生成的Ce2O3充當(dāng)還原劑，與NO發(fā)生反應(yīng)，即Ce2O3+NO→CeO2+N2,將NO還原為N2,從而降低了NOx的排放量[9]。而相對于B20,發(fā)動機燃用B20Si50Ce50和B20Si100Ce100的NOx比排放分別增加了約3.4%和6.8%，這是由于大量的納米SiO2和CeO2顆粒添加劑顯著增強了燃燒過程并導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高,使得NOx的生成速率超過了其被還原的速率,進(jìn)而增加了NOx的排放量。盡管如此,納米流體燃料的NOx排放量仍然低于D100。而同樣使用生物柴油作為替代燃料,文獻(xiàn)[24]的研究發(fā)現(xiàn)添加納米Al2O3顆粒會導(dǎo)致NOx排放增加4.8%～7.95%,且高于純柴油的NOx排放量。

不同負(fù)荷下各燃料碳煙排放(不透光率)的變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7可以看出,隨著負(fù)荷的增加,碳煙的排放量逐漸升高。這是由于隨著負(fù)荷的增加,循環(huán)噴油量增多,導(dǎo)致缸內(nèi)可燃混合氣過濃；同時噴油持續(xù)期也隨著負(fù)荷的增大而延長,使得擴散燃燒期變長[1]。在這2個因素的共同作用下,燃料不充分燃燒的現(xiàn)象加劇,導(dǎo)致碳煙的排放升高。

圖7 碳煙排放(不透光率)隨負(fù)荷變化的曲線

此外,發(fā)動機燃用B20的碳煙排放量在各負(fù)荷下都低于D100,且最大降低幅度達(dá)34.4%。這是由于生物柴油自供氧的能力可以降低燃燒室中過濃混合氣的比例,使燃燒更加充分;再者,生物柴油中高分子烴類(如芳香烴)含量比柴油少,高分子烴屬于難以燃燒完全的物質(zhì),燃油中較少的高分子烴含量可以減少過濃區(qū)燃料裂解的發(fā)生,從而降低煙度[15]。

同時,B20中添加納米顆粒后,發(fā)動機的碳煙排放能夠進(jìn)一步降低,隨著納米顆粒添加量的增加,降幅會更加明顯。一方面,隨著納米顆粒添加量的增加,缸內(nèi)燃燒得到改善,使得燃料燃燒更加充分;另一方面,CeO2與碳煙反應(yīng)，即CeO2+Csoot→Ce2O3+CO2,從而進(jìn)一步降低碳煙排放[9]。數(shù)據(jù)顯示,相對于D100和B20,納米流體燃料分別能夠降低約77.0%和66.7%的碳煙排放。碳煙是柴油機最主要的排放,而結(jié)合生物柴油和納米SiO2和CeO2添加劑能夠有效地降低其排放量。

3 結(jié) 論

本文在一臺單缸四沖程柴油機上研究了納米SiO2和CeO2添加劑對柴油/生物柴油摻混燃料燃燒和排放特性的影響。主要結(jié)論如下:

(1) 納米SiO2和CeO2顆粒優(yōu)化了柴油/生物柴油摻混燃料的燃燒,使得缸內(nèi)峰值壓力和放熱率升高,燃燒始點提前,滯燃期縮短,并且隨著納米顆粒添加量的增加,優(yōu)化程度愈發(fā)明顯。

(2) 柴油中摻混生物柴油會導(dǎo)致發(fā)動機油耗升高,BTE下降。使用納米SiO2和CeO2添加劑能夠有效改善生物柴油的燃料特性,從而降低發(fā)動機油耗,提升熱效率。在柴油/生物柴油摻混燃料中分別添加100 mg/kg的納米SiO2和CeO2顆粒后,發(fā)動機BSFC最大可降低5.9%,BTE最大能提高4.9%且能夠恢復(fù)到與柴油相同的水平。

(3) 生物柴油的添加可以降低發(fā)動機CO、NOx和碳煙排放,但會導(dǎo)致HC排放升高。而添加納米SiO2和CeO2顆粒后,CO和碳煙的排放能夠進(jìn)一步下降,同時HC排放也能降低到低于柴油的水平,且隨著納米顆粒添加量的增加,降幅更加明顯。數(shù)據(jù)表明,納米顆粒的添加能夠使CO、碳煙和HC排放分別降低約67.7%、66.7%和41.9%。此外,在柴油/生物柴油摻混燃料中分別添加25 mg/kg的納米SiO2和CeO2顆粒可以使NOx排放降低約4.9%,而隨著納米顆粒添加量的增加,會導(dǎo)致NOx排放升高,但仍低于柴油的NOx排放量。

(4) 向柴油/生物柴油摻混燃料中添加納米SiO2和CeO2可以提高發(fā)動機性能并減少污染物排放。這種技術(shù)有助于提高生物柴油的添加比例,進(jìn)而減少對化石燃料的依賴。