肖合林，李勝君，薛?琪，鞠洪玲

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EGR率對乙醇/生物柴油混合燃料燃燒及排放特性的影響

肖合林1, 2，李勝君1, 2，薛?琪1, 2，鞠洪玲1, 2

(1. 武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070； 2. 武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

在一臺經過深度改裝的四缸直噴水冷柴油機上，燃用乙醇與生物柴油的混合燃料，研究了EGR率與燃料特性對柴油機燃燒及排放的影響．結果表明：EGR系統(tǒng)的介入以及乙醇的摻混均可減小燃燒過程中缸內壓力和放熱率峰值．燃用同種摻混比的燃料，隨著EGR率的增大，滯燃期和燃燒持續(xù)期出現了不同程度的延長，當量燃油消耗率升高，有效熱效率降低．EGR率不變時，燃用不同摻混比的混合燃料，隨乙醇質量分數的增加，滯燃期與燃燒持續(xù)期逐漸延長，當量燃油消耗率逐漸降低，有效熱效率逐漸升高．NO的排放量在EGR引入后出現了顯著下降，HC排放量升高．相同EGR率下，隨著乙醇摻混比的提高NO排放量略微下降，HC排放量表現出先減小后升高的趨勢．相比純生物柴油，乙醇的摻混可以顯著減少大粒徑顆粒物的數量．EGR率的變化對核模態(tài)粒子的數量影響不明顯，但聚集態(tài)粒子的數量會隨著EGR率的提高出現較為明顯的增多．將乙醇、生物柴油和EGR系統(tǒng)三者相耦合可改善柴油機的燃燒及排放特性．

EGR率；乙醇；生物柴油；燃燒；排放

代用燃料在發(fā)動機上的應用從未停止，這不僅是出于能源安全的考慮，即石油資源告罄后需要代用燃料的技術儲備，也是出于解決傳統(tǒng)常規(guī)燃料對大氣環(huán)境造成較大污染的現實要求．由于生物柴油具有與傳統(tǒng)柴油相近的理化特性，近年來成為國內外學者研究的熱點．研究表明：燃用生物柴油可顯著降低CO、HC和PM的排放，但因其分子的含氧特性(約10.8%)促進了NO的生成導致排放量有所上升[1]．由于生物柴油具有運動黏度大，低溫流動性差、噴射錐角小、貫穿距離長等缺點[2]，導致燃油霧化質量差與空氣混合不均，容易形成局部缺氧區(qū)域，使得發(fā)動機燃燒和排放性能變差；而乙醇運動黏度小、低溫流動性好、揮發(fā)性好，與生物柴油摻混使用可改善上述缺點[3].其次，乙醇的十六烷值含量較低，發(fā)火性能差，混合使用后生物柴油的高十六烷值恰好能得到中和．因此，乙醇與生物柴油的混合實際上是兩種燃料理化特性的互補．

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(exhaust gas recirculation system)是目前柴油機減少NO排放最有效的手段[4-7].艾曉威[8]在1臺四缸直噴柴油機上研究了大EGR率工況下柴油機燃用生物柴油的工作特性．結果表明：傳統(tǒng)柴油機燃燒模式存在Soot和NO排放的trade-off關系，通過超高EGR率實現低溫燃燒工作模式能夠很有效地實現Soot排放和NO排放的雙降．張全長[9]對柴油機的低溫燃燒理論和燃燒控制策略進行了實驗性研究．結果表明：隨著EGR率的升高，在Soot-Bump出現之前碳煙排放略有增大，在Soot-Bump峰值后碳煙排放急劇下降，在高EGR率工況下，可同時實現NO和Soot超低排放，但CO和THC排放量急劇增加，燃油消耗率升高10%～20%．

綜合國內外的研究不難發(fā)現，不論是生物柴油還是醇類與柴油的混合燃料，又或是EGR系統(tǒng)的應用都能在一定程度上減少有害排放物的排放量，但與此同時又會產生其他問題．為了找尋利與弊之間的平衡點，筆者基于1臺經過改裝的四缸直噴柴油機，研究了在不同EGR率下發(fā)動機燃用不同比例乙醇(質量分數為0、10%和20%)摻混的乙醇/生物柴油混合燃料時的燃燒及排放特性．

1?實驗裝置和研究方法

1.1?發(fā)動機實驗裝置

實驗搭建了燃燒分析和排放物測試平臺，如圖1所示．表1為實驗機的主要技術參數．實驗機曲軸動力輸出端通過聯(lián)軸器與電渦流測功機相連，調整測功機轉速將發(fā)動機穩(wěn)定在1800r/min(±5r/min)，發(fā)動機電子控制單元為Bosch公司提供的可進行實時標定的開放式ECU，實驗機工況參數通過上位機的ELECK軟件進行實時在線調整，選用Kistler6125C壓力傳感器對缸壓進行測量，測量信號經電荷放大器放大后傳入CB-466分析儀，采樣頻率為：曲軸每轉動0.25°進行1次缸壓采樣，為了減小誤差連續(xù)采樣100個工作循環(huán)取其平均值．為保證實驗數據的可靠性以及可重復性，進氣壓力控制在(110±0.3)kPa，進氣溫度由臺架實驗室內的恒溫控制系統(tǒng)控制在25℃(±0.5℃)，實驗機冷卻水與機油溫度經外部循環(huán)控制系統(tǒng)分別穩(wěn)定在85℃(±0.5℃)和87℃?(±2℃)．尾氣排放使用AVL DiGas 4000氣體分析儀進行測量，測量氣體包括NO、HC、CO、CO2和O2．

表1?柴油機基本參數

Tab.1?Specifications of diesel engine

圖1?實驗裝置示意

1.2?實驗燃料

實驗所用燃料為國藥集團化學試劑有限公司提供的純度為99.7%的無水乙醇，生物柴油由滕州宏利生物科技公司提供，表2為柴油、生物柴油和乙醇3種燃料的理化特性對比．

表2?柴油、生物柴油和乙醇的理化特性

Tab.2 Physicochemical properties of diesel，biodiesel and ethanol

1.3?實驗方案

實驗將發(fā)動機轉速穩(wěn)定在1800r/min，噴油壓力設定為110MPa．將純度為99.7%的乙醇與生物柴油均勻混合，分別配置乙醇質量分數為10%、20%的乙醇/生物柴油混合燃料，且分別用E10和E20表示，純生物柴油則用E0表示，表3為混合燃料的理化特性．實驗中分別燃用E0、E10和E20并采集數據．為保證燃用不同摻混比的燃料所提供的循環(huán)供熱量相同，發(fā)動機在1800r/min、30%負荷下燃用純生物柴油，此時循環(huán)噴油量為22mg對應循環(huán)供熱量為825J，保證每循環(huán)供熱量不變，此時E10、E20的每循環(huán)噴射量分別為：22.64mg、23.32mg．在此條件下探究EGR率為6%、17%、27%時對生物柴油以及乙醇/生物柴油混合燃料燃燒及排放特性的影響．

表3?混合燃料的理化特性

Tab.3?Physicochemical properties ofblended fuel

2?實驗結果及分析

2.1?缸內壓力及放熱率

圖2為實驗機燃用E20時不同EGR率對缸壓與放熱率的影響．從圖中可以看出，隨著EGR率的升高，放熱率與缸壓峰值都出現了一定幅度的下降和燃燒相位推遲．這是因為：①EGR的引入增加了H2O、CO2等比熱容較高的多原子氣體，降低缸內溫度的同時抑制了燃燒過程的化學反應；②廢氣再循環(huán)中的未完全燃燒產物以及各種廢氣排放物使得進氣中的氧濃度降低，導致燃燒速率降低．在以上兩方面因素的共同作用下，缸壓和放熱率峰值均降低且燃燒相位出現后移．

圖3為不同EGR率下燃料特性對缸壓和放熱率的影響．當EGR率為17%時，隨著乙醇質量分數的升高，缸壓峰值依次降低，放熱率峰值依次升高，峰值相位均出現后移．缸壓峰值下降的原因是：乙醇氣化潛熱較高、十六烷值較低和自燃溫度較高的特點，導致缸內壓縮終了時的溫度較低，同時較低的十六烷值使得混合燃料發(fā)火困難，著火時刻推遲，滯燃期延長，大部分燃料的燃燒集中發(fā)生在活塞遠離上止點的做功行程，導致缸壓峰值降低，峰值相位出現后移．放熱率峰值升高的原因是：較長的滯燃期使混合燃料有足夠的時間與空氣混合，增強了預混燃燒階段，加上乙醇的低運動黏度、高揮發(fā)性提高了混合燃料的霧化效果，增加了與空氣混合的均勻性；此外其高含氧量也為混合燃料的燃燒提供了良好的氧化氛圍，使得混合燃料的燃燒更為完全．以上所有因素的共同作用，導致放熱率峰值升高，峰值相位后移．當EGR率升高至27%時，隨著乙醇質量分數的升高，燃料著火時刻、缸壓變化規(guī)律與EGR率17%時一致．但放熱率峰值隨著乙醇摻混比例的升高呈現先升高后降低的趨勢．這是因為EGR率升高后，燃油著火時刻推遲，使得發(fā)動機燃用E20時，燃燒相位過于滯后，而且高EGR率下不利于低十六烷值燃料著火燃燒，最終導致E20燃料的預混燃燒階段減弱，放熱率峰值降低．

圖2?燃用E20時EGR率對缸壓和放熱率的影響

圖3?不同EGR率下燃料特性對缸壓與放熱率的影響

2.2?滯燃期與燃燒持續(xù)期

定義CA10和CA90分別為循環(huán)累積放熱量為總放熱量10%和90%時所對應的曲軸轉角，滯燃期為噴油時刻到CA10之間的曲軸轉角間隔，燃燒持續(xù)期為CA10到CA90的曲軸轉角間隔．圖4為發(fā)動機在30%負荷下，不同的EGR率對滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響．由圖可知，隨著EGR率的升高，滯燃期和燃燒持續(xù)期均呈現逐漸增長的趨勢．如前所述，EGR系統(tǒng)的介入增加了缸內高比熱容氣體的含量，氧氣含量占比減小，導致壓縮行程末段缸內溫度較低，燃燒反應速率減緩．與E0相比，乙醇的摻混延長了滯燃期，縮短了燃燒持續(xù)期．這是因為：乙醇較低的十六烷值和較高的汽化潛熱削弱了混合燃料的著火性能，引起滯燃期相對延長；而滯燃期的延長，使得燃料與空氣有更充分的時間混合均勻，同時乙醇較高的含氧量有利于加快燃燒反應，從而縮短了燃燒持續(xù)期．

圖4?不同EGR率下的滯燃期與燃燒持續(xù)期

2.3?燃油消耗率和熱效率

圖5為EGR率對當量燃油消耗率和有效熱效率的影響．隨著EGR率的升高，當量燃油消耗率逐漸升高，有效熱效率逐漸降低．這是因為隨著EGR率的增大，引入缸內的惰性氣體含量增加，在一定程度上抑制了燃燒過程中的化學反應，另外進氣氧濃度也相應減小導致缸內燃燒處于缺氧狀態(tài)，從而熱效率降低，當量燃油消耗率升高．隨著乙醇質量分數的提高，當量燃油消耗率降低，有效熱效率升高．這是因為加入乙醇后，混合燃料的霧化效果得到改善，配合較長的滯燃期加上乙醇的高含氧量，改善了缸內的燃燒狀態(tài)，加快了燃料燃燒速度，有效熱效率因此得到提高．

圖5 EGR率對當量燃油消耗率和有效熱效率的影響

2.4?NOx的排放

圖6為EGR率和燃料屬性對NO排放量的影響．從圖中可以看出，隨著EGR率的升高，NO排放量顯著降低，隨著乙醇摻混比的升高NO的排放先升高后降低．EGR率27%工況下，燃用E0、E10和E20時的NO排放量相比EGR率為0時分別下降了84.5%、84%和96.8%．由于NO的生成機理是高溫、富氧和濃混合氣，隨著EGR率的升高，進入缸內的高比熱容氣體和惰性氣體增多，吸收較多缸內熱量的同時降低了缸內燃燒速率，使得缸內燃燒溫度降低；此外，EGR率的升高加強了廢氣稀釋效應，缸內氧濃度下降，抑制了NO的生成．乙醇是一種高含氧燃料，汽化潛熱較高，NO的主要生成條件是高溫、富氧以及反應滯留時間，燃用E10時，乙醇的摻入量較少，其汽化潛熱造成的溫度降低對NO的減少作用不如乙醇中氧元素促進NO的生成作用；而E20正好相反，由于乙醇添加量增多，較高的汽化潛熱使得氣缸內壓縮終了的溫度大幅下降，降低了最高燃燒溫度，極大地抑制了NO的生成，這是燃用E10時NO排放最高，有別于其他規(guī)律的主要原因．

圖6?EGR率和燃料屬性對NOx排放量的影響

2.5?HC的排放

圖7為EGR率和燃料屬性對HC排放量的影響．由圖可知HC的排放量與EGR率呈正相關，且隨著乙醇摻混比的增大，曲線逐漸抬升．原因是：乙醇較大的汽化潛熱使得壓縮行程末段缸內溫度較低，著火條件惡劣，同時乙醇的十六烷值低，混合燃料的滯燃期延長，雖然著火時形成的混合氣量和區(qū)域均較大，預混燃燒部分增加，且燃燒速度快，但受著火始點較晚的拖累，大量燃料放熱時活塞已下行較遠，缸內體積增大，散熱面積增加，因而導致缸內燃燒溫度較低，這有利于降低NO的排放．也正是由于缸內溫度較低，氧化反應進行不完全、不充分，壁面和活塞縫隙對火焰的淬熄作用加強，使得HC排放較之純生物柴油顯著增加[10]．

圖7?EGR率和燃料屬性對HC排放量的影響

2.6?顆粒物排放

圖8為燃料屬性對顆粒物尺寸分布的影響．與純生物柴油(E0)相比，燃用E10時粒徑大于8nm的顆粒物數量減少，但是粒徑小于8nm的顆粒物數量略有增多；燃用E20時以10nm為分界尺寸，大于10nm的顆粒物數量有所減少，但是粒徑小于10nm的顆粒物數量有所增多．總體來說，乙醇的摻混可以降低大粒徑顆粒物數量．同E0相比，混合燃料具有較低的含碳量和較高的含氧量，燃料中的氧在改善預混燃燒和擴散燃燒的同時還促進顆粒物的進一步氧化，較低的碳含量可以抑制部分顆粒物的形成；且摻混乙醇能抑制碳煙前驅物多環(huán)芳香烴的生成；此外，乙醇的C—O鍵對C—C鍵的聚合有阻礙作用[11]．在以上3點因素的共同作用下，大粒徑顆粒物數量明顯減少．

圖8?燃料屬性對顆粒物尺寸分布的影響

圖9為EGR率對排放顆粒物尺寸分布的影響.可以看出，以70nm為分界尺寸，EGR率的升高使得粒徑小于70nm的顆粒物數量略有降低，但粒徑大于70nm的顆粒物數量升高．這是由于EGR的引入導致：①缸內溫度和氧濃度降低，燃燒速率減緩，不利于大粒徑顆粒物的進一步氧化；②缸內揮發(fā)性碳氫化合物增加，有利于顆粒物的生長，形成大粒徑顆粒物，而大顆粒物的增加又抑制了碳煙成核過程，使得小顆粒物數量減少[12]；③廢氣循環(huán)中存在大量碳核，這部分碳核通過生長碰撞繼續(xù)長大，使得顆粒物生成量增加．在以上因素共同作用下，大粒徑顆粒物數量增多，小粒徑顆粒物數量減少．

圖9?EGR率對顆粒物尺寸分布的影響

3?結?論

(1) 隨EGR率的增大，缸內壓力與放熱率曲線峰值降低．小EGR率工況下，隨乙醇摻混比例提高，缸內壓力峰值逐漸降低，放熱率峰值逐漸升高；大EGR率工況下，缸內壓力峰值隨乙醇摻混比例的變化與小EGR率類似，但放熱率峰值呈現先增大后減小的趨勢．

(2) 隨EGR率的增大，不論是混合燃料還是純生物柴油，滯燃期與燃燒持續(xù)期均呈現正相關的變化規(guī)律．在同一EGR率下，隨乙醇質量分數的提高，滯燃期延長，燃燒持續(xù)期縮短．

(3) 較大的EGR率會降低有效熱效率，增加當量燃油消耗量．適當提高乙醇的摻混比有利于減小燃油消耗量，提高有效熱效率．

(4) EGR系統(tǒng)的引入可大幅降低NO的排放量，相同的EGR率下，提高乙醇占比可進一步減少NO排放量．EGR率的提高會引起HC的排放量增多，且較大的乙醇摻混比會導致HC排放量大幅提高.

(5) 在生物柴油中摻混乙醇能夠顯著減少大粒徑顆粒物的數量，EGR率的變化對核模態(tài)粒子的數量影響不明顯，但聚集態(tài)粒子的數量會隨著EGR率的提高明顯增多．

(6) 乙醇與生物柴油混用后，配合合適的EGR率可以有效減少有害排放物的排放量，優(yōu)化柴油機的燃燒及排放特性．

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Effects of EGR Rate on Combustion and Emission Characteristics of Blends of Ethanol and Biodiesel

Xiao Helin1, 2，Li Shengjun1, 2，Xue Qi1, 2，Ju Hongling1, 2

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Experiments were carried out on a deeply modified four-cylinder DICI engine，and the blends of etha-nol and biodiesel were used to study the effects of exhaust gas re-circulation(EGR)rate and fuel characteristics on the combustion and emissions of diesel engine．Results show that both the intervention of EGR system and ethanol blending could reduce the peak cylinder pressure and heat release rate during combustion．With fuels at the same blending ratio and the increase in the EGR rate，the ignition delay and combustion duration were prolonged to varying degrees；the equivalent fuel consumption rate increased，whereas the effective thermal efficiency de-creased．When the EGR rate was constant，the mixed fuel at different blending ratios was used. As the mass fraction of ethanol increased，the ignition delay and combustion duration were gradually prolonged，the consumption rate of equivalent fuel decreased，and the effective thermal efficiency increased．After the introduction of EGR，NOemissions dropped significantly，whereas HC emissions increased．At the same EGR rate，the NOemissions decreased slightly with the increase in the ethanol blending ratio，and the HC emissions initially decreased and then increased．Compared with pure biodiesel，ethanol blending could significantly reduce the number of large size particles．The effects of changes in EGR rate on the number of nucleation mode particles were not obvious，but the number of aggregated particles increased significantly with the growing EGR rate．The coupling of ethanol，biodiesel and EGR system could improve the combustion and emission characteristics of diesel engine．

EGR rate；ethanol；biodiesel；combustion；emission

TK421

A

1006-8740(2019)03-0237-07

2018-05-09.

國家自然科學基金資助項目(51706163).

肖合林（1967—??），男，博士，副教授.

肖合林，hlxiao_qcxy@whut.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201805012