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        酯類含氧燃料組分對柴油機燃燒與排放特性的影響研究

        2013-04-15 07:58:08鄔齊敏梅德清李國成
        車用發(fā)動機 2013年4期
        關(guān)鍵詞:燃用含氧混合氣

        鄔齊敏,孫 平,梅德清,李國成

        (江蘇大學汽車與發(fā)動機排放研究所,江蘇 鎮(zhèn) 江 212013)

        鑒于目前世界石油資源的過度消耗和日益嚴重的汽車尾氣排放,各國在制定嚴格的發(fā)動機排放法規(guī)的同時,也加大了對內(nèi)燃機替代能源的研究力度。眾多研究表明[1-5],含氧燃料在不調(diào)整發(fā)動機結(jié)構(gòu)的前提下,能夠部分替代柴油參與燃燒,并能夠減少柴油機污染物排放,尤其能大幅度降低炭煙排放,甚至具有降低NOx排放的潛力,從而可以解決傳統(tǒng)柴油機NOx和PM排放控制中存在的此消彼長的矛盾。目前,針對含氧燃料中醇類、醚類和酯類燃料的研究較多。其中,酯類燃料中的生物柴油(脂肪酸單酯)和碳酸二甲酯(DMC)在某些燃料特性上優(yōu)于柴油,且能與柴油以任意比例互混[6-7],因此,這兩種酯類燃料在替代含氧燃料的研究中備受關(guān)注。

        生物柴油具有較高的十六烷值,但黏度高,DMC具有較低的黏度,但十六烷值低,因此,二者互混可使各自的不足之處得以互補,并能夠充分發(fā)揮各自的含氧優(yōu)勢。因此,在柴油中適量添加這兩種燃料可得到燃料特性占優(yōu)的含氧燃料,并能實現(xiàn)發(fā)動機的性能最優(yōu),從而促進含氧燃料的大規(guī)模推廣。本研究在柴油比例不變的前提下,分別摻混生物柴油、DMC以及DMC與生物柴油的混合燃料,加上純柴油組成4種試驗燃料,并對不同含氧燃料的燃燒過程、經(jīng)濟性和排放特性進行深入研究。

        1 試驗裝置和方法

        試驗選用186FA單缸風冷柴油機作為試驗樣機,其主要技術(shù)參數(shù)見表1,主要測試設(shè)備見表2。試驗在不調(diào)整發(fā)動機結(jié)構(gòu)的前提下,選取標定功率轉(zhuǎn)速3 000r/min下100%,75%,50%,25%4個負荷作為試驗工況,依次向柴油機供給不同混合燃料,測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗和尾氣排放等數(shù)據(jù),并選取100%負荷下的缸內(nèi)燃燒壓力、壓力升高率、放熱率進行分析,來反映不同燃料的燃燒特性差異。缸內(nèi)燃燒壓力采用Dewetron燃燒分析儀進行采集,采集間隔為0.5°,每個工況連續(xù)采集200個循環(huán)并進行平均計算得到示功圖。在進行油品切換時,調(diào)節(jié)發(fā)動機至穩(wěn)態(tài)工況點,讓發(fā)動機運轉(zhuǎn)足夠長的時間以消除油路中殘余燃料對試驗結(jié)果的影響,再進行試驗測量。

        表1 186FA柴油機的主要性能參數(shù)

        表2 主要測試設(shè)備

        試驗燃料是在柴油占混合燃料體積90%的前提下,按體積比分別摻混10%生物柴油、5%生物柴油與5%DMC以及10%DMC,并與純柴油組成4種測試燃料,分別記為B10,B5D5,D10和柴油。表3示出了4種測試燃料的主要理化特性。從表3中可以看出,生物柴油和DMC添加至柴油中后混合燃料的黏度、十六烷值、低熱值基本與純柴油接近,且保留較為適量的含氧優(yōu)勢。

        表3 測試燃料主要理化特性

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 燃燒特性分析

        圖1和圖2示出了轉(zhuǎn)速n=3 000r/min,pme=0.46MPa工況下4種燃料的缸內(nèi)壓力和壓力升高率曲線。發(fā)動機燃用B10,B5D5和D10后缸內(nèi)壓力峰值和壓升率峰值與燃用柴油時基本接近,更換后的燃料仍與原有的燃燒系統(tǒng)匹配良好,未出現(xiàn)燃燒沖擊載荷異常狀況。受燃料十六烷值的影響,燃用B10時缸內(nèi)壓力峰值和壓力升高率峰值出現(xiàn)位置較原機提前約1°,相反,燃用B5D5與D10缸內(nèi)壓力峰值和壓升率峰值出現(xiàn)位置向后推遲約0.5°和1.5°。結(jié)合表2得出,4種燃料的缸內(nèi)壓力峰值及壓力升高率峰值出現(xiàn)位置與各自十六烷值存在負的線性關(guān)系。

        圖3示出了n=3 000r/min,pme=0.46MPa工況下4種燃料的放熱率曲線對比。由圖3可見,放熱率曲線呈現(xiàn)雙峰分布,第1放熱峰是由預(yù)混燃燒引起的,第2放熱峰則是由擴散燃燒引起的,且各種燃料的第2峰呈現(xiàn)出與其第1峰相似的變化規(guī)律,這主要與燃料十六烷值、黏度和含氧量等性質(zhì)相關(guān)。對比4種燃料的2個放熱峰值可以得出,相比生物柴油這種含氧燃料,同比例的DMC可同時改善柴油機的預(yù)混和擴散燃燒。

        一般認為,放熱率峰值位置主要由燃料的滯燃期決定[8]。滯燃期分為物理延遲和化學延遲兩階段,其影響因素主要取決于燃料性質(zhì)、混合氣濃度及相應(yīng)溫度和壓力條件。與燃用柴油相比,B10的滯燃期縮短約1°,這是由于生物柴油中直鏈正構(gòu)烷烴和烯烴基團較多,碳鏈易斷裂,使化學延遲期縮短。DMC的引入則使得混合燃料滯燃期相對延長,且添加量越多,滯燃期越長。B5D5與D10的滯燃期較原機狀態(tài)延長約1°和2°。這是由于DMC中2個甲醇基共用同一羰基,結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,難以斷裂;此外DMC的沸騰汽化吸熱減緩了燃油蒸氣與空氣混合氣的焰前反應(yīng),使化學延遲期延長。對比B10,B5D5和D10的滯燃期可得出,燃用DMC造成的著火延遲效應(yīng)要比燃用同比例生物柴油造成的著火提前效應(yīng)更明顯。

        放熱率峰值大小則與滯燃期內(nèi)的可燃混合氣數(shù)量及質(zhì)量有關(guān)[8]。對含氧燃料而言,燃料中氧含量對其也會產(chǎn)生重要貢獻。從圖3還可看出,燃用B10后的放熱率峰值較原機降低約0.62kJ/(°),且其出現(xiàn)位置提前約1°。這是由于B10的滯燃期相對縮短,而生物柴油的高黏度又減緩油氣混合,滯燃期內(nèi)可燃混合氣的數(shù)量減少。燃用B5D5和D10的放熱率峰值較原機分別升高約 2.29kJ/(°)和4.08kJ/(°),其出現(xiàn)位置也相應(yīng)推遲約1°和3°。如前所述,DMC的加入減緩了B5D5和D10燃燒放熱過程的進行,而其良好的揮發(fā)性則會加速油氣混合,滯燃期內(nèi)積聚的可燃混合氣數(shù)量增多,其“自攜氧”屬性促使放熱速率加快,放熱率峰值急劇升高,且隨DMC含量增多而升高。

        綜合來看,含氧燃料中較多的生物柴油會使混合氣過早著火,而過多的DMC則會使混合氣燃燒相位過于推遲,相比而言,B5D5保留有生物柴油較高的著火能力、DMC較強的揮發(fā)性及適量的氧含量,因而,滯燃期較原機雖略有延長,但放熱率峰值較高,且接近上止點,能量利用率相對較高。

        2.2 經(jīng)濟性分析

        圖4示出了發(fā)動機在n=3 000r/min各負荷工況下4種燃料的當量燃油消耗率對比。由于生物柴油、DMC和柴油熱值相差較大,直接采用燃油消耗率來考察燃料的經(jīng)濟性具有一定的局限性。因此,引入當量燃油消耗率來進行分析,其定義為

        式中:Hu,b為混合燃料的熱值;Hu,d為柴油的熱值。

        從圖4中可以看出,發(fā)動機燃用B5D5的當量燃油消耗率最低,而B10和D10的當量燃油消耗率與柴油相差不大。這主要是燃料黏度、含氧量和著火能力綜合作用的結(jié)果。發(fā)動機燃用B5D5時,DMC的低黏度和低沸點解決了B10黏度升高的問題,因而改善混合燃料的霧化效果;而生物柴油的高十六烷值克服了D10的低十六烷值的缺陷,因而改善混合氣的著火性能;再加上二者共有的含氧優(yōu)勢,促使燃燒更迅速完善。從圖3放熱率曲線亦能看出,B5D5燃燒放熱集中且等容度較高,有助于燃燒效率提高。因此,當量燃油消耗率是燃油消耗率和有效熱效率的綜合體現(xiàn)。從節(jié)能的角度來說,B5D5是經(jīng)濟性良好的含氧燃料,如對生物柴油和DMC在柴油中的調(diào)配比例進一步優(yōu)化,具有進一步降低混合燃料燃油消耗率的潛力。

        2.3 排放特性分析

        圖5示出了發(fā)動機在n=3 000r/min各負荷工況下4種燃料的NOx排放對比。柴油機NOx排放主要受高溫、富氧及高溫持續(xù)時間的影響。

        由圖5可見,B10的NOx排放在中低負荷時與柴油相差無幾,而在全負荷時升高近7.9%。這是由于全負荷時缸內(nèi)燃燒溫度較高,且生物柴油中氧與混合氣中氮的碰撞概率增加,NOx排放急劇升高。而B5D5和D10的NOx排放較柴油平均降低約4.5%和13.1%,這是由于DMC汽化吸熱作用和燃燒相位推遲引起的溫度降低對NOx生成的降低作用遠大于其高含氧量形成的富氧環(huán)境對NOx生成的促進作用。這些不同燃料的NOx排放也從側(cè)面反映出,與混合氣中氧含量這個因素相比,缸內(nèi)燃燒溫度對于NOx的形成是更具決定性的因素。對比B10,B5D5和D10的NOx排放可以得出,燃用DMC時NOx排放的降低幅度要比燃用同比例生物柴油時NOx排放的增加幅度更顯著。

        圖6示出了發(fā)動機在n=3 000r/min各負荷工況下4種燃料的炭煙排放對比。柴油機燃用含氧燃料后煙度都有不同程度的降低,B10,B5D5和D10的煙度較原機平均降低約5.8%,10.4%和17.7%。柴油在高溫貧氧的擴散燃燒過程中會裂解生成大量的炭煙。生物柴油和DMC的引入可改善濃混合氣區(qū)的缺氧燃燒,縮短擴散燃燒期,燃油高溫裂解傾向減少。由于DMC黏度和沸點遠低于生物柴油和柴油,燃油霧化效果改善更明顯,加上其含53.3%的氧,對濃混合氣區(qū)的減少程度遠優(yōu)于生物柴油,炭煙排放降低幅度更顯著。結(jié)合表2發(fā)現(xiàn),燃用B10,B5D5和D10時煙度的降低情況與其自身的含氧量呈二次多項式關(guān)系。

        圖7示出了發(fā)動機在n=3 000r/min各負荷工況下4種燃料的CO排放對比。B10的CO排放較原機有所降低,而含氧燃料中DMC的加入使CO排放有所上升,這是由于中小負荷時,缸內(nèi)過量空氣系數(shù)較大,含氧燃料對燃燒過程的促進作用削弱,而DMC的引入使原本較低的缸內(nèi)溫度進一步降低,不利于CO的氧化。而大負荷時,缸內(nèi)溫度較大,缸內(nèi)過量空氣系數(shù)減小,含氧燃料的影響作用增大,CO氧化作用明顯,因而4種燃料的CO排放基本接近。

        圖8示出了發(fā)動機在n=3 000r/min各負荷工況下4種燃料的HC排放對比。柴油機HC排放主要來源于油束邊緣的極稀混合氣,受控于滯燃期的長短,而含氧燃料中氧在油束邊緣的激發(fā)狀態(tài)亦會部分影響HC生成。B10的滯燃期較原機縮短,燃油噴注與空氣混合過程中稀化程度減弱,混合氣中氧增加促使該區(qū)域燃燒完全,故燃用B10的HC排放平均降低約2.8%。而發(fā)動機燃用B5D5與D10時HC排放顯著增加,且隨DMC添加量呈線性增加關(guān)系。這是由于B5D5與D10延長的滯燃期以及DMC沸騰汽化促使混合氣向著火稀限區(qū)域發(fā)展,而DMC吸熱降溫又難以激發(fā)出燃料中氧的活性,因而對著火稀限區(qū)域內(nèi)的HC氧化改善有限。對比B10,B5D5與D10的HC排放可得出,燃用DMC對著火稀限區(qū)域的影響程度遠比燃用同比例生物柴油顯著。

        值得注意的是,與柴油相比,B5D5和D10兩種含氧燃料可同時降低NOx和炭煙排放,可改善傳統(tǒng)柴油機NOx和炭煙排放此消彼長的關(guān)系。針對“柴油是目前最適合柴油機的燃料”這一說法,B5D5這種燃料在柴油機上應(yīng)用表現(xiàn)出來的燃燒特征和排放特性等與柴油最接近,既可實現(xiàn)對柴油的部分替代,還可以降低部分排放指標。

        3 結(jié)論

        a)小比例摻混含氧燃料對柴油機缸內(nèi)壓力峰值和壓升率峰值影響不大;發(fā)動機燃用B10時放熱峰值略有降低,放熱時刻提前,而燃用B5D5和D10的放熱峰值明顯升高,放熱峰值延遲明顯;

        b)發(fā)動機燃用B5D5的當量燃油消耗率最低,燃用B10和D10的當量燃油消耗率與燃用柴油時基本相當;

        c)發(fā)動機燃用B10時HC,CO和炭煙排放降低,但NOx排放在全負荷時略有升高;而燃用B5D5和D10可同時降低NOx和炭煙排放,且DMC含量越多,降低幅度越明顯;

        d)綜合來看,發(fā)動機燃用B5D5后燃燒效率提高,經(jīng)濟性良好,NOx排放和煙度可同時降低,因而B5D5是一種性能優(yōu)良的復(fù)配型含氧燃料。

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