肖合林 楊小龍 薛 琪 曾鵬飛 侯貝貝

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

0 引 言

甲醇、乙醇、生物柴油和正丁醇是當前研究最廣泛的燃料[1-5]，乙醇是目前唯一可以大規(guī)模制備的可再生代用燃料，但其使用受到自身許多缺點的限制.隨著新型制備方法的發(fā)現(xiàn)，一種可由果糖或葡萄糖高效制取的呋喃類燃料[6]——2-甲基呋喃(2-methylfuran，MF)引起了人們廣泛的關(guān)注.Cao等[7]通過雙向體系法生產(chǎn)MF，使高效率、低成本地生產(chǎn)MF成為可能.2-甲基呋喃可以用菊芋、玉米秸稈等非糧作物制取[8]，原料來源豐富，不會引起糧食價格的上漲.同時，MF還具有辛烷值較高、熱值相對乙醇高和微溶于水等優(yōu)勢，是一種非常有潛力的可替代能源之一.

MF具有和汽油相似的理化性質(zhì)，應(yīng)用在發(fā)動機上可以緩解能源危機和環(huán)境污染問題.各國學者對MF在發(fā)動機上的適用性做了廣泛研究.Thewes等[9]在一臺單缸直噴汽油機上研究對比了燃用MF、乙醇和汽油的燃燒與噴霧情況.研究表明，MF具有極好的燃燒穩(wěn)定性.Wang等[10]在單缸直噴汽油機上對比了MF、2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran，DMF)、乙醇和汽油的燃燒和排放性能.Xiao等[11]在一臺四缸四沖程水冷增壓直噴柴油機上研究了柴油摻混不同比例MF對柴油機燃燒及排放的影響.研究表明，MF具有良好的燃燒與排放性能.

目前，國內(nèi)外關(guān)于呋喃類燃料的研究主要集中在DMF，對MF的研究也主要集中在汽油機上，且對MF在柴油機上的適用性研究很少.本研究在YC4FA115-40水冷增壓直噴柴油機上，燃用MF/柴油的混合燃料研究了EGR和預噴射對發(fā)動機燃燒與排放性能的影響.

1 試驗裝置與研究方案

1.1 試驗設(shè)備

實驗在一臺改裝過的四缸四沖程水冷帶有高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的直噴柴油機上進行，試驗機的型號為YC4FA115-40，柴油機主要技術(shù)參數(shù)見表1.發(fā)動機與電渦流測功機通過聯(lián)軸器相連.發(fā)動機的工況由電子控制單元(ECU)控制.發(fā)動機的缸內(nèi)壓力使用Kistler 6025C壓力傳感器測量，壓力傳感器安裝在氣缸蓋上，缸壓信號由電荷放大器放大后被CB-466燃燒分析儀接受.壓力數(shù)據(jù)每隔0.25°CA采集一次，取發(fā)動機連續(xù)100個周期數(shù)據(jù)的平均值.進氣溫度控制在(25±0.5) ℃，發(fā)動機冷卻液由溫度控制系統(tǒng)自動控制在(85±1) ℃，機油溫度控制在(87±2) ℃，氣體排放使用AVL(李斯特內(nèi)燃機及測試設(shè)備)氣體分析儀測量.通過Combustion DMS500快速響應(yīng)顆粒分析儀對顆粒物的排放進行測量.

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗燃料

實驗中所用的燃料為傳統(tǒng)柴油和MF，MF純度達到99%，其理化性質(zhì)見表2.

試驗中的燃料是由質(zhì)量分數(shù)為10%，20%和30%的MF(純度為99%)混入柴油形成的MF/柴油混合燃料，分別記為M10，M20和M30，純柴油記為M0.

表2 柴油和MF理化特性

1.3 試驗方案

在本實驗中，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速保持在(1 800±5) r/min，發(fā)動機每循環(huán)供熱量為1 063 J，對應(yīng)當量柴油為25 mg，EGR率為30%，主噴油正時7.5°CA BTDC，預噴提前角分別為0，20，30，40，50，60 °CA BTOC.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性分析

預噴射提前角為30°CA BTDC，預噴比例為10%時，燃用M0，M10，M20，M30的缸壓、放熱率和缸內(nèi)溫度曲線見圖1.

在預噴射放熱階段，隨著MF比例的增大，缸內(nèi)壓力、放熱率和缸內(nèi)溫度均有所降低.這主要是由MF較高的汽化潛熱和較低的十六烷值造成的.

圖1 燃料屬性對缸壓、放熱率和缸內(nèi)溫度的影響

在主噴放熱階段，隨著MF摻混比例的增大，缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度峰值逐漸升高.由于混合燃料滯燃期的延長使得預混合階段形成更多的混合氣，在活塞上止點附近一起燃燒，使得缸壓、放熱率和燃燒溫度峰值升高.引入EGR可以降低缸內(nèi)氧含量與熱容量，從而降低燃燒溫度；引入預噴射可以縮短主噴的滯燃期，降低燃燒溫度.因此，最高溫度會受到EGR與噴油策略的影響而不會太高.

預噴比例為10%時，預噴射提前角對M20缸壓放熱率的影響見圖2.

圖2 燃用M20預噴射定時對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

相比于單次噴射，引入預噴策略后，缸壓峰值顯著升高，放熱率峰值降低.缸壓峰值升高是因為：預噴射燃料提前放熱，使得主噴燃油進入氣缸時缸內(nèi)溫度和壓力升高，促進主噴燃料的蒸發(fā)霧化，主噴燃料在滯燃期形成的混合氣數(shù)量增加，促進預混燃燒，使得最大缸壓升高；放熱率峰值降低可以歸結(jié)為以下兩點：主噴燃油放熱提前、放熱范圍擴大，使得主噴階段放熱率峰值降低；主噴燃油吸卷預噴射燃氣，抑制了最大燃燒放熱率.

圖3對比了燃用M0，M10，M20和M30預噴射量為10%，不同預噴射角時的滯燃期和燃燒持續(xù)期.滯燃期的定義是從主噴時刻開始到累計放熱達到10%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角.燃燒持續(xù)期的定義是從累計放熱10%～90%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角.反映了燃料的主要放熱時間.

與滯燃期相反，隨著混合燃料中MF比例的增加，燃燒持續(xù)期縮短.主要是因為滯燃期延長使得混合燃料能較好的與空氣混合，同時MF分子含氧，加速了燃料的燃燒，使得主要放熱時間縮短.

圖4對比了燃用M0，M10，M20和M30預噴量為10%時，不同預噴射角時的最大壓力升高率.隨著混合燃料中MF比例的增加，最大壓力升高率有所升高，這是因為混合燃料的滯燃期隨著MF比例的增大而延長，混合燃料能更好地與空氣混合.相比單次噴射，引入預噴策略后，最大壓力升高率明顯降低，這是因為加入預噴后，放熱起始時刻提前，放熱區(qū)域擴大，導致最大壓力升高率下降.

圖4 最大壓力升高率

2.2 排放特性

2.2.1HC的排放

燃料特性和預噴射定時對HC排放的影響見圖5.隨著混合燃料中MF的比例增加，HC排放量逐漸降低，這是由于MF為含氧燃料，有利于HC的完全燃燒以及后期氧化.但只有主噴時，燃用M30的HC排放明顯高于其他燃料，這是因為MF的十六烷值較低蒸發(fā)潛熱值大，引入30%EGR率時缸內(nèi)燃燒溫度降低，部分HC未完全氧化.

相比單次噴射，在較小預噴射角度20°CA BTDC時，HC排放顯著降低.這是因為預噴燃油噴入氣缸時，活塞已接近上止點，缸內(nèi)溫度和壓力較高，對主噴射燃油起到預熱作用，使得燃油與空氣能夠更好地混合，從而促進了HC的氧化.

圖5 不同燃料預噴射定時對HC排放量的影響

隨著預噴角度的增大，HC排放量逐漸升高.引起這一現(xiàn)象的原因主要來自兩個方面，一方面，預噴射角度大時，預噴射燃油噴入氣缸時缸內(nèi)溫度和壓力較低，燃料霧化效果較差，預噴燃油未完全燃燒，未氧化HC增多；另一方面，預噴射角度過大導致燃油會被噴入擠流區(qū)，在缸壁或活塞頂面形成壁面油膜，部分燃料不能完全燃燒，導致未燃HC增多.

2.2.2CO的排放

燃料特性和預噴射定時對CO排放的影響見圖6.單次噴射時，CO排放量隨著MF質(zhì)量分數(shù)的增加而升高.這是因為MF的十六烷值低、蒸發(fā)潛熱大，引入30%EGR率降低了缸內(nèi)壓力和燃燒溫度，未被氧化CO增多.

引入預噴策略后，同HC排放類似，混合燃料的CO排放均低于純柴油，且隨著預噴角度的增大，CO排放量逐漸升高，原因與HC排放類似，這里不再贅述.

圖6 不同燃料下預噴射定時對CO排放量的影響

2.2.3NOx的排放

燃料特性和預噴射定時對NOx排放的影響見圖7.NOx主要是一氧化氮(NO)，NO的生成主要取決于缸內(nèi)最高溫度、氧質(zhì)量濃度，以及高溫反應(yīng)時間.由圖7可知，引入30%EGR率時，由于缸內(nèi)溫度低于1 700 K，NO的生成速率極低，使得四種燃料的NOx排放量很低.除燃用M30外，隨著MF質(zhì)量分數(shù)的增大，NOx排放升高.

圖7 不同燃料下預噴射定時對NOx排放量的影響

相比單次噴射，引入預噴策略后，NOx的排放明顯降低.這是因為：①引入預噴射，縮短了主噴燃油滯燃期，抑制了NOx的生成.②引入預噴射，主噴油量相對減少，放熱率峰值降低，因此在主噴放熱階段缸內(nèi)最高溫度降低，NOx排放量減少.

隨著預噴角度的增大，NOx排放量先降低再升高.這是因為預噴角度較小時，主噴燃油很容易噴入由于預噴燃油燃燒所形成的缺氧區(qū)域，雖然此時缸內(nèi)溫度較高，但是缸內(nèi)局部過濃導致缺氧，抑制了NOx的生成.隨著主噴提前角的進一步增大，這種抑制效果減弱，導致NOx排放升高.

燃用MF20在不同預噴射角度下顆粒粒徑分布見圖8，碳煙尺寸均呈雙峰分布，且以核模態(tài)顆粒為主.隨著預噴射角度的增大，核模態(tài)粒子數(shù)目增加而聚集態(tài)粒子數(shù)目降低.引起這一現(xiàn)象的原因為：隨著預噴角度提前，預噴燃油釋放的熱量對主噴射燃油的預熱效果變差，主噴燃油滯燃期延長，擴散燃燒階段縮短，使得聚集態(tài)粒子數(shù)目降低.聚積態(tài)顆粒數(shù)量的降低會減少對氣相組分成核的抑制，促進小尺寸顆粒的生成.

圖8 燃用MF20在不同預噴射角度下顆粒粒徑分布

預噴射量為10%，預噴射角為30°CA BTDC時，燃料屬性對顆粒物尺寸分布的影響見圖9.相比純柴油，燃用混合燃料燃燒時，廢氣中核模態(tài)顆粒數(shù)目增多，聚集態(tài)顆粒數(shù)目降低.這是因為MF的添加延長了主噴燃料滯燃期，擴散燃燒階段縮短，減少了小顆粒的碰撞凝并.同時，MF是含氧燃料，有利于聚集態(tài)粒子氧化成核模態(tài)粒子，最終使大尺寸顆粒生成量減少，小尺寸顆粒生成量增多.

圖9 燃料屬性對顆粒物尺寸分布的影響

3 結(jié) 論

1) 隨著混合燃料中MF質(zhì)量分數(shù)的增大，缸內(nèi)壓力峰值、放熱率峰值和溫度峰值逐漸升高；隨著預噴射角度的增大，M20缸內(nèi)壓力峰值上升，放熱率峰值下降.

2) 隨著混合燃料中MF質(zhì)量分數(shù)的增大，HC和CO排放量均有顯著下降；隨著預噴射角度的增大，HC和CO排放量先降低后升高且在20°CA BTDC預噴射角度時最低.

3) 隨著混合燃料中MF質(zhì)量分數(shù)的增大，NOx的排放量有所升高；引入EGR和預噴策略可以有效降低NOx排放量，且在30°CA BTDC預噴射角度時最低.

4) 隨著預噴射角的提前，核模態(tài)粒子的數(shù)目有所升高，聚集模態(tài)粒子的數(shù)目有所下降.隨著MF質(zhì)量分數(shù)的增大，核模態(tài)粒子的數(shù)目有所升高，聚集模態(tài)粒子的數(shù)目有所降低.

5) MF具有和汽油相似的物理化學性質(zhì)，與柴油摻混燃燒表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性.MF是含氧燃料，可以改善燃燒過程，減小HC，CO與碳煙排放.

6) 采用較小的預噴射角30°CA BTDC，同時在柴油中加入20%質(zhì)量分數(shù)的MF時，有利于改善發(fā)動機燃燒與排放性能.

參考文獻

[1] 劉洪霞,馮益明.世界生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J].世界農(nóng)業(yè),2015(5):117-120.

[2] YAO M, CHEN Z, ZHENG Z, et al. Study on the controlling strategies of homogeneous charge compression ignition combustion with fuel of dimethyl ether and methanol[J]. Fuel, 2006,85(14):2046-2056.

[3] WALLNER T, MILES S A. Combustion behavior of gasoline/ethanol blends in a modern direct-injection 4-cylinder engine[J]. SAE,2008(1):71-77.

[4] KOUSOULIDOU M, FONTARAS G, NTZIACHRISTOS L, et al. Biodiesel blend effects on common-rail diesel combustion and emissions[J]. Fuel, 2010,89(11):3442-3449.

[5] LIU H, LEE C F, HUO M, et al. Combustion characteristics and soot distributions of neat butanol and neat soybean biodiesel[J]. Energy & Fuels, 2011,25(7):3192-3203.

[6] GEILEN F M, VOM S T, ENGENDAHL B, et al. Highly selective decarbonylation of 5-(hydroxymethyl)furfural in the presence of compressed carbon dioxide[J]. Angewandte Chemie, 2011,50(30):6963-6966.

[7] CAO L, SU H, MOSBACH S, et al. Studying the influence of direct injection on pcci combustion and emissions at engine idle condition using two dimensional CFD and stochastic reactor model [C].SAE Technical Paper,2008(2):159-167.

[8] 張俊華.玉米秸稈水解及其制備甲基呋喃類液體燃料的研究[D].廣州：華南理工大學,2011.

[9] THEWES M, MUETHER M, PISCHINGER S, et al. Analysis of the impact of 2-methylfuran on mixture formation and combustion in a direct-injection spark-ignition engine[J]. Energy & Fuels,2011,25(12):5549-5561.

[10] WANG C, XU H, DANIEL R, et al. Combustion characteristics and emissions of 2-methylfuran compared to 2,5-dimethylfuran gasoline and ethanol in a DISI engine[J]. Fuel,2013,103:200-211.

[11] XIAO H, ZENG P, LI Z, et al. Combustion performance and emissions of 2-methylfuran diesel blends in a diesel engine[J].Fuel,2016,175:157-163.