正丁醇對(duì)柴油機(jī)燃燒性能和排放的影響

近年來，國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)具有代表性的新型燃料燃燒方法進(jìn)行了廣泛的研究，提出了幾種新的燃料燃燒方法，如均勻壓力燃燒、預(yù)混壓燃燒和低溫燃燒。等。這些燃燒方法的共同特點(diǎn)是，通過噴油控制內(nèi)混合氣濃度的分布，通過元件環(huán)的氣循環(huán)，控制內(nèi)燃燒溫度，通過高壓噴油提高燃油混合速度，通過延長egr高峰，實(shí)現(xiàn)大比例預(yù)混合燃燒。在柴油機(jī)新型燃燒方式中,低溫燃燒(lowtemperaturecombustion,LTC)是一種有潛力的燃燒新技術(shù),它可以同時(shí)降低柴油機(jī)NOx和碳煙排放,低溫燃燒也是近年來柴油機(jī)燃燒研究的熱點(diǎn).在LTC中,廢氣再循環(huán)是重要控制手段.前期的研究結(jié)果表明,柴油機(jī)NOx排放主要由EGR率決定,但碳煙排放隨EGR率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),并且在中間區(qū)域存在一個(gè)碳煙排放峰值,只有采用高比例EGR率時(shí),碳煙才會(huì)降低到較低的水平,但此時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性惡化.如何在低NOx排放條件下,實(shí)現(xiàn)低碳煙排放,減小對(duì)EGR率的要求并提高燃油經(jīng)濟(jì)性是EGR控制的LTC需要解決的一個(gè)重要課題.采用含氧燃料或延長滯燃期都可以降低碳煙排放,因此改變?nèi)剂咸匦砸彩菍?shí)現(xiàn)低碳煙排放減少對(duì)EGR率的依賴、改善燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)途徑.正丁醇是近年來國內(nèi)外關(guān)注的新型替代燃料,正丁醇可以從生物質(zhì)制取,與甲醇及乙醇相比,正丁醇與柴油有更好的互溶性、不需要添加劑即可以實(shí)現(xiàn)完全互溶,且熱值較高,有較好的潤滑性能.此外,正丁醇燃料含有氧,十六烷值比柴油低.這些特性表明,摻入部分正丁醇有利于改善柴油機(jī)的低溫燃燒性能.因此,這一研究對(duì)探索通過燃料改性改善柴油機(jī)LTC性能的途徑、實(shí)現(xiàn)柴油的部分替代有重要的理論意義和工程實(shí)際意義.1試驗(yàn)測(cè)試與分析對(duì)一臺(tái)6缸增壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)上的第6缸進(jìn)行了改造,獨(dú)立出其進(jìn)、排氣系統(tǒng),其余5缸保持不變,發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示.圖1是試驗(yàn)裝置示意圖,通過調(diào)節(jié)背壓閥,可以改變EGR率,EGR率大小由HoribaMEXA-7100DEGR排氣分析儀監(jiān)視.噴油由一套電控系統(tǒng)控制,可靈活調(diào)節(jié)噴油量、噴油時(shí)刻、軌壓等參數(shù).缸內(nèi)壓力采用了自行開發(fā)的缸壓采集及放熱率實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)采集,氣體測(cè)量采用HoribaMEXA-7100DEGR排氣分析儀,煙度測(cè)量采用了AVL415煙度計(jì).試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1,400,r/min(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速),每循環(huán)噴油量為50,mg(50%負(fù)荷油量),噴油提前角為上止點(diǎn)前6.2°CA,文中排放結(jié)果都是指示結(jié)果.通過調(diào)節(jié)背壓閥,實(shí)現(xiàn)不同的EGR率,研究不同EGR率條件下、不同的正丁醇比例對(duì)燃燒、性能和排放的影響.正丁醇摻入的比例按體積計(jì)算,例如加入體積分?jǐn)?shù)為10%的正丁醇,記為B10(以下類推).試驗(yàn)燃料質(zhì)量低熱值為式中:HL、HLd和HLe分別為混合燃料、柴油和正丁醇的低熱值,MJ/kg;ρd和ρe分別為柴油和正丁醇密度,kg/m3;E為混合燃料中正丁醇所占體積分?jǐn)?shù),%.燃料中的含氧量計(jì)算為實(shí)驗(yàn)中混合燃料熱值和含氧量結(jié)果見表2.對(duì)經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià),采用折合的指示燃油消耗率進(jìn)行比較,折合指示油耗率是將混合燃料的油耗率根據(jù)能量消耗折算成能量等值的柴油消耗率,用r來表示折合油耗率,折合油耗率單位為g/(kW·h);b表示指示燃油消耗率,計(jì)算為圖2為噴油規(guī)律曲線,噴油時(shí)刻分為靜態(tài)噴油時(shí)刻和動(dòng)態(tài)噴油時(shí)刻,靜態(tài)噴油時(shí)刻是指加電時(shí)刻,動(dòng)態(tài)噴油時(shí)刻是指開始噴油時(shí)刻,兩者之間有時(shí)間延遲,即圖2中的t1,本文的噴油時(shí)刻都是指動(dòng)態(tài)噴油時(shí)刻.2正丁醇比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)“退火”的影響在進(jìn)氣壓力為0.15,MPa,每循環(huán)噴油質(zhì)量為50,mg,噴油時(shí)刻為-6.2°CAATDC,壓縮比為16時(shí)對(duì)各燃燒特性參數(shù)的分析見圖3.圖3(a)是在EGR率為47%時(shí),燃料為純柴油、B10和B20時(shí)缸內(nèi)壓力和放熱率曲線,圖3(b)為壓力升高率曲線,圖3(c)則是在不同EGR率條件下的上述3種情況著火滯燃期比較.本文中滯燃期的定義為從噴油開始到壓縮突然升高時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角.圖3表明,隨燃料中正丁醇比例變大,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低、著火時(shí)刻后移.這是正丁醇汽化潛熱較大、十六烷值低,熱值低等因素共同作用的結(jié)果.并且隨著正丁醇比例的變大,燃燒持續(xù)期變長.在圖3(b)中,壓力升高率變化和放熱率有相似的規(guī)律.隨正丁醇比例的變大,最大壓力升高率降低,這主要是燃料熱值變低、滯燃期延長使主放熱推遲到上止點(diǎn)后10°CA附近區(qū)域.圖4是與圖3相同條件下不同EGR率及燃料中不同比例正丁醇時(shí),平均指示壓力隨EGR率的變化關(guān)系.由圖4可知,B10燃料和純柴油相比,平均指示壓力差別不大,在EGR率較小時(shí),比純柴油略大,而當(dāng)正丁醇比例達(dá)到20%時(shí),平均指示壓力則明顯降低.EGR率較低時(shí),B10比純柴油的平均指示壓力大些,是因?yàn)锽10燃料主放熱時(shí)刻更有利于提高熱效率;而B20的平均指示壓力降低,是因?yàn)檎〈紵嶂递^低.因此,要和純柴油達(dá)到相同的功率,正丁醇比例較大時(shí)應(yīng)加大噴油量.由圖4也可發(fā)現(xiàn),隨正丁醇比例變大,發(fā)動(dòng)機(jī)“失火”點(diǎn)對(duì)應(yīng)的EGR率變小.圖5是在與圖3相同條件下,折合油耗率隨EGR率的變化關(guān)系.由圖5可知,純柴油的折合油耗率最高,而B10的折合油耗率最低.這是由兩個(gè)原因造成的:(1)隨正丁醇比例變大,汽化潛熱增大,B20十六烷值降低,燃燒過于推遲;(2)混合燃料中含有氧,有利于提高燃燒效率.因此,在柴油中滲入適量的正丁醇,對(duì)動(dòng)力性和油耗都有所改善,對(duì)于高比例正丁醇,噴油時(shí)刻需要進(jìn)一步優(yōu)化.3排放分析3.1燃料特性對(duì)碳煙排放的影響圖6是在3種不同進(jìn)氣壓力下,純柴油、B10和B20共3種燃料的煙度隨EGR率的變化曲線(每循環(huán)噴油質(zhì)量為50,mg,噴油時(shí)刻為-6.2°CAATDC,壓縮比為16).圖6表明,在3個(gè)進(jìn)氣壓力下,隨著EGR率變大,碳煙排放先升高后降低,隨著正丁醇的比例變大,碳煙排放明顯降低.因?yàn)殡SEGR率的變大,氧濃度降低,碳煙生成量變大,且缸內(nèi)溫度降低,碳煙氧化量減小,造成碳煙排放升高.隨EGR率的進(jìn)一步變大,著火滯燃期延長,燃油與空氣混合充分,同時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度降低,達(dá)不到碳煙的生成條件,碳煙排放降低.隨著正丁醇比例增大,發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放明顯降低.這是由于一方面添加正丁醇后汽化潛熱高、十六烷值降低使滯燃期明顯延長,燃燒前燃油與空氣混合更加充分,另一方面正丁醇含氧導(dǎo)致碳煙排放降低,但這兩個(gè)因素誰起主導(dǎo)作用仍需要進(jìn)一步研究.圖6還表明,碳煙隨EGR率的變化中,3種燃料的碳煙峰值隨正丁醇比例增大而大幅度降低,且峰值對(duì)應(yīng)的EGR率降低,煙度隨EGR率變化趨勢(shì)更加“平坦”.但是進(jìn)氣壓力增大,其煙度排放峰值反而增加,3種燃料都有共同的趨勢(shì),這是由于進(jìn)氣壓力增大導(dǎo)致滯燃期縮短所導(dǎo)致的.這說明,在低NOx排放條件下,通過改變?nèi)剂咸匦詫?shí)現(xiàn)低碳煙排放可以減小對(duì)EGR率的依賴,并且可以避免過大的碳煙峰值,這有利于控制低溫燃燒變工況過大的煙度排放.因此,燃料特性的改變有利于實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低NOx和微粒排放的目標(biāo).3.2進(jìn)口壓力對(duì)nox排放的影響圖7是與圖6相同條件下在3個(gè)不同進(jìn)氣壓力下,純柴油、B10和B20共3種燃料的NOx排放.圖8是在進(jìn)氣壓力為0.15,MPa、無EGR時(shí)3種燃料的缸內(nèi)平均溫度.由圖7可知,在這3個(gè)進(jìn)氣壓力下,純柴油和B10的NOx排放差別不大,而隨著進(jìn)氣壓力增大,B20降低NOx排放效果越來越明顯.這是因?yàn)椴裼椭刑砑诱〈?一方面燃料熱值降低,滯燃期延長使著火推遲,導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低(圖8所示),從而使NOx排放降低;另一方面,燃料富氧從某種程度會(huì)導(dǎo)致NOx排放升高.當(dāng)正丁醇比例較大時(shí),燃燒溫度降低起主導(dǎo)作用,NOx排放明顯降低.且隨著進(jìn)氣壓力增大,B10對(duì)缸內(nèi)溫度的影響越明顯,導(dǎo)致NOx排放降低越明顯.3.3燃料co排放的影響圖9是在與圖6相同條件下(3個(gè)不同進(jìn)氣壓力),純柴油、B10和B20共3種燃料的CO排放隨EGR率變化曲線.圖9表明,隨EGR率增大,CO排放增加,正丁醇比例對(duì)CO排放的影響與進(jìn)氣壓力有關(guān).進(jìn)氣壓力為0.15MPa時(shí),純柴油的CO排放最大,進(jìn)氣壓力為0.19MPa時(shí),3種燃料CO排放差別不大,而進(jìn)氣壓力為0.24MPa時(shí),B20燃料CO排放最大.因?yàn)镃O排放主要受氧濃度和缸內(nèi)溫度的影響,在0.15MPa時(shí),純柴油作為燃料時(shí)CO排放最大,加入正丁醇后,雖然缸內(nèi)溫度較高,但正丁醇是含氧燃料,促進(jìn)了CO的氧化.進(jìn)氣壓力為0.24MPa時(shí),缸內(nèi)有充足的氧氣,此時(shí)缸內(nèi)溫度成為影響CO生成的重要因素.由于B20熱值較低,著火滯燃燒期延長,燃燒推遲導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低,使CO排放較高.3.4不同燃料對(duì)燃料thc排放的影響圖10是在與圖6相同條件下(3個(gè)不同進(jìn)氣壓力),純柴油、B10和B20共3種燃料的THC排放隨EGR率的變化曲線.由圖10可知,THC排放與CO排放變化趨勢(shì)相似.與CO變化不同之處在于,在進(jìn)氣壓力為0.15,MPa和0.19,MPa時(shí),3種燃料的THC排放差別不大,添加正丁醇的燃料THC排放略低于純柴油,進(jìn)氣壓力為0.24,MPa時(shí),在低EGR率條件下,3種燃料THC排放相當(dāng),但在高EGR率條件下,由于缸內(nèi)溫度降低,B20的THC排放比純柴油和B10燃料明顯增大.因?yàn)楹跞剂显谌紵^程中能提供更多的氧,使燃燒充分,有利于HC的氧化,但添加正丁醇使燃燒溫度降低又不利于THC氧化.在進(jìn)氣壓力為0.24,MPa、高EGR率條件下,燃燒溫度降低成為導(dǎo)致THC排放升高的主導(dǎo)因素.4正丁醇對(duì)燃料co(1)柴油中添加正丁醇燃料使著火滯燃期延長,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和燃燒溫度降低,低溫燃燒“失火”的EGR率降低,指示油耗降低,燃油經(jīng)濟(jì)性改善.(2)柴油中添加正丁醇可明顯降低碳煙排放,使煙度隨EGR率變化趨勢(shì)更加“平坦”,煙度峰值對(duì)應(yīng)的EGR率變低,正丁醇比例越高,煙度越低,并可減少