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汽油、正丁醇摻混柴油對部分預(yù)混壓燃的燃燒和排放影響

2020-08-31 21:53:06·  來源：內(nèi)燃機學報  
　
歐Ⅵ排放法規(guī)對內(nèi)燃機的NOx和PM排放限值分別為0.40 g/(kWh)和0.01 g/(kWh)，排放水平接近于零，對內(nèi)燃機的設(shè)計開發(fā)提出了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)柴油機內(nèi)的噴霧擴散燃
歐Ⅵ排放法規(guī)對內(nèi)燃機的NOx和PM排放限值分別為0.40 g/(kW·h)和0.01 g/(kW·h)，排放水平接近于零，對內(nèi)燃機的設(shè)計開發(fā)提出了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)柴油機內(nèi)的噴霧擴散燃燒方式會帶來大量的soot和NOx排放。部分預(yù)混壓燃(PPCI)燃燒模式具有實現(xiàn)柴油機高效、清潔燃燒的潛力，主要是利用較長的滯燃期在燃燒開始前提高燃油與空氣的混合質(zhì)量，同時保證充量具有一定的分層度，控制燃燒過程中的當量比和燃燒溫度歷程，避開soot和NOx排放的生成區(qū)域。研究表明該燃燒模式的燃燒過程和排放特性對燃料理化特性較為敏感，本期推文筆者針對汽油/柴油和正丁醇/柴油兩種混合燃料，研究其對PPCI燃燒模式燃燒過程、燃油經(jīng)濟性和排放特性的影響，以期尋找合適的柴油替代燃料，為現(xiàn)代重型柴油機實現(xiàn)清潔、高效燃燒和滿足排放法規(guī)升級提供參考。
 1 試驗裝置與研究方法 
 
試驗發(fā)動機為一臺直列6缸四沖程、增壓中冷電控重型柴油機，采用BOSCH高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗臺架如圖1所示，主要試驗設(shè)備如表2所示。
表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)
 
 
圖1 試驗臺架示意
表2 試驗儀器設(shè)備
 
試驗臺搭建了由高壓級EGR和低壓EGR構(gòu)成的復合EGR系統(tǒng)。高壓級EGR直接從高壓級增壓器渦輪前(廢氣未經(jīng)增壓系統(tǒng)利用)引出廢氣，經(jīng)EGR冷卻器冷卻后直接引入到發(fā)動機進氣端(增壓器增壓后)；低壓EGR從低壓級渦輪(廢氣能量經(jīng)過增壓系統(tǒng)利用)后引出廢氣，并經(jīng)EGR中冷器冷卻后引入到低壓級增壓器壓氣機進口端。試驗的缸內(nèi)廢氣引入方式為復合EGR，BMEP為0.48 MPa和0.95 MPa，采用恒定的高壓EGR閥開度(100%開度和40%開度)，以保證對應(yīng)的進氣壓力分別為(0.139±0.030) MPa和(0.198±0.050) MPa，如圖2所示。試驗中需不斷調(diào)節(jié)低壓EGR閥開度以實現(xiàn)EGR率的變化。
 
圖2 不同摻混燃料在兩個工況下的進氣壓力
試驗中發(fā)動機冷卻水溫度保證為(85±2) ℃。試驗在轉(zhuǎn)速為1 660 r/min、BMEP 分別為0.48 MPa 和0.95 MPa 負荷下進行，對應(yīng)轉(zhuǎn)矩為320 N·m和640 N·m，噴油壓力恒定為160 MPa。隨著EGR 率變化，0.48 MPa 工況的進氣溫度控制為(53±3) ℃，0.95 MPa 工況的進氣溫度控制為(61±3) ℃。試驗中采用的噴油策略均為單次噴油策略。試驗所用柴油為滿足國Ⅴ法規(guī)的低硫0號石化柴油，汽油型號為市售92號。表3為不同燃料的主要理化參數(shù)，其中92號汽油十六烷值為測試值。
表3 柴油、正丁醇和汽油的理化特性
 
為了表述方便，將摻混比例(體積分數(shù))為40%、60%和80%的汽油/柴油摻混燃料記為G40、G60和G80燃料，將摻混比例(體積分數(shù))為40%、60%和80%的正丁醇/柴油摻混燃料記為B40、B60和B80燃料。通過文獻[1-2]提出的方法估測所選摻混燃料的特性如表4所示。
表4 摻混燃料的性質(zhì)
 
由于各燃料的熱值存在差異，不同摻混燃料的有效燃油消耗率(BSFC)無法進行統(tǒng)一對比。因而對不同摻混燃料的燃油消耗率進行換算得到BSFCequ，以評價不同燃料對能量的利用率。其定義為
 
式中：BSFCb,f為試驗測得的摻混燃料有效燃油消耗率；LHVb,f為摻混燃料的低位熱值；LHVd為純柴油的低位熱值；r為摻混燃料的摻混比例；ρf為摻混燃料正丁醇或汽油的密度；ρd為純柴油的密度；LHVf為摻混燃料正丁醇或汽油的低位熱值。
soot排放是通過AVL公司的415S煙度計測量的FSN煙度經(jīng)過計算得到，計算公式為
 
式中：FSN為實測煙度值；ma為新鮮空氣每小時質(zhì)量流量；mf為摻混燃料每小時的當量柴油質(zhì)量流量。
NOx排放是通過Horiba MEXA-7100DEGR排氣分析儀測量廢氣中的NOx體積分數(shù)進行計算得到，計算公式為
 
式中：VNOx,c為廢氣中NOx的體積分數(shù)；KH,D為NOx排放的修正因子；Gexh,w為濕基的排氣質(zhì)量流量；Pb為發(fā)動機的凈功率。
EGR率是通過Horiba MEXA-7100DEGR排氣分析儀測量進氣與排氣中CO2體積分數(shù)確定，計算公式為
 
燃燒效率ηc的計算公式為
 
 
式中：VCO2,in為進氣中CO2體積分數(shù)；VCO2,ex為排氣中CO2體積分數(shù)；Qu為燃料燃燒未完全釋放的熱值；Qf為每循環(huán)進入缸內(nèi)燃料的熱值；mc為每循環(huán)進入缸內(nèi)的充量的質(zhì)量；Mf為每循環(huán)進入缸內(nèi)的摻混燃料的質(zhì)量；LHVCO、LHVH2和LHVHC分別為CO、H 2和HC的低位熱值；XCO、XH2和XHC為廢氣中的未燃產(chǎn)物CO、H2和HC的質(zhì)量分數(shù)。
使用自制的缸壓采集系統(tǒng)采集100個連續(xù)循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)，采樣間隔為0.5°CA。如式(8)所示，采用熱力學第一定律進行放熱率計算，即
式中：dQht/dθ為燃燒室壁面?zhèn)鳠崧?，采用Hohenberg公式進行計算；γ為比熱比；V為氣缸隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的容積；p為缸壓采集系統(tǒng)采集的缸壓。
預(yù)混燃燒比例定義為預(yù)混燃燒放熱量與燃燒總放熱量之比，如式(9)所示。預(yù)混燃燒放熱量通過對預(yù)混放熱率曲線的Gaussian擬合曲線進行積分得到，如圖3所示。由陰影包圍的填充面積為預(yù)混燃燒放熱量，其中Gaussian擬合曲線公式如式(10)所示
 
式中：G(θ)為擬合到的預(yù)混燃燒放熱規(guī)律；HRR(θ)為實際放熱率；A、θc和w為擬合參數(shù)，通過對實際放熱率曲線的預(yù)混燃燒部分擬合得到；θ為曲軸轉(zhuǎn)角。
 
圖3 預(yù)混燃燒比例示意
 2 試驗結(jié)果及分析
 
放熱率重心(CA50)是表征燃燒放熱規(guī)律最重要的特征參數(shù)之一，其直接影響著發(fā)動機熱效率、燃燒溫度、最高爆發(fā)壓力和壓力升高率。由于各摻混燃料之間燃料特性差異較大，因而在BMEP為0.48 MPa和0.95 MPa負荷下，分別固定CA50為4°CA ATDC和8°CA ATDC，試驗中最大壓力升高率(MPRR)小于1.4 MPa/(°)CA。
2.1 不同燃料和摻混比例結(jié)合EGR率在不同負荷下對燃燒和性能的影響
圖4和圖5分別示出BMEP為0.48 MPa和0.95 MPa兩個負荷下，汽油和正丁醇分別以40%、60%和80%體積比同柴油摻混時對滯燃期、預(yù)混燃燒比例、最大壓力升高率、燃燒持續(xù)期和燃燒效率等的影響。
 
 
圖4 BMEP為0.48 MPa時不同摻混燃料對燃燒過程的影響
 
 
圖5 BMEP為0.95 MPa時不同摻混燃料對燃燒過程的影響
圖4a和圖4b中，在BMEP為0.48 MPa負荷下，由于負荷較小，柴油的預(yù)混燃燒比例始終高于50%，滯燃期和預(yù)混燃燒比例隨EGR率增加僅有小幅度提升。在相同EGR率下，摻混燃料能夠明顯延長滯燃期和提高預(yù)混燃燒比例，影響的程度隨摻混比例的增加而顯著，并隨EGR率的增加而加強。這表明汽油和正丁醇的摻混柴油燃料結(jié)合EGR能夠?qū)崿F(xiàn)PPCI燃燒模式。將圖4a、圖4b與圖5a、圖5b進行對比，隨著BMEP提升至0.95 MPa，滯燃期和預(yù)混燃燒比例明顯降低，與柴油相比，延長滯燃期與提高預(yù)混燃燒比例對摻混燃料的作用更加明顯。當EGR率為35%時，B60在兩個工況下相比柴油燃料的滯燃期分別延長了5.0°CA和2.2°CA，而G60燃料相比柴油的滯燃期分別延長了3.1°CA和1.2°CA。這表明隨著發(fā)動機負荷的增加，高揮發(fā)性、低十六烷值摻混燃料對于滯燃期的延長作用會減弱。在相同摻混比例下，相較于92號汽油，由于正丁醇的辛烷值更高，正丁醇摻混燃料對滯燃期和預(yù)混燃燒比例的改善效果更加明顯。
圖4c和圖5c中，隨著EGR率增大，摻混比例變化對壓力升高率的影響更加顯著。在試驗中的兩個負荷下，B60燃料的壓力升高率約為柴油的1.5～2.4倍，小負荷工況下壓力升高率問題尤為嚴重。所以在中、低負荷工況采用高揮發(fā)性、低十六烷值的摻混燃料時，壓力升高率和噪聲污染的增加以及發(fā)動機機械負荷增加需引起足夠的重視。由圖4b、圖4c和圖4e可知，BMEP為0.48 MPa下各摻混燃料均可實現(xiàn)70%以上的預(yù)混燃燒比例，摻混燃料壓力升高率隨EGR率的變化趨勢主要受到燃燒效率的影響，即隨著EGR率提升，柴油燃料略有增加，摻混燃料則略有降低。圖5c中，由于BMEP為0.95 MPa工況的燃燒效率較高，摻混燃料的壓力升高率隨EGR率升高而逐漸增加。
圖4a、圖4b和圖4e中，BMEP為0.48 MPa工況的G60和B60燃料在較高EGR率區(qū)域時實現(xiàn)了噴油過程與燃燒室結(jié)構(gòu)的良好匹配，改善了油氣混合效果，燃燒效率得到一定改善。G80和B80燃料由于滯燃期過長，必須加大量EGR率抑制燃燒速率以滿足壓力升高率限制。在增加EGR率的過程中，為了保持CA50不變，需要將噴油時刻提前，噴油時刻過早導致噴油油束與燃燒室結(jié)構(gòu)匹配不當，影響油氣混合效果，燃燒效率下降，燃燒相位推遲，為了保證CA50相同，需要降低EGR率，因而存在圖4e中的折線圖。所以，采用高比例的摻混燃料在小負荷工況實現(xiàn)PPCI燃燒模式時會受到壓力升高率限制，同時噴油時刻過于靠前，油氣室的匹配不當會產(chǎn)生燃燒效率惡化的問題。
 
圖6 不同負荷下?lián)交烊剂蠈θ紵艧崧实挠绊?/div>
圖6為0.48 MPa 和0.95 MPa 兩個負荷下NOx排放為0.4 g/(kW·h)時各燃料瞬時放熱率。圖6a中，各燃料均呈現(xiàn)單峰放熱的高比例預(yù)混壓燃模式，放熱率變化趨勢差異并不大。主放熱峰迅速降低后尾燃部分的放熱過程屬于明顯的擴散燃燒部分。隨著柴油中摻混燃料比例提升，預(yù)混燃燒比例增加，放熱率峰值和燃燒定容度進一步提升，同時，摻混燃料的后燃擴散燃燒部分放熱率相較于柴油明顯降低。
圖6b中，當發(fā)動機負荷升至0.95 MPa時，柴油燃料放熱率顯示出明顯的擴散燃燒峰。同等摻混比例條件下，正丁醇摻混燃料可以獲得更高的預(yù)混燃燒峰值，燃燒持續(xù)期略微縮短。隨著摻混比例的增加，各摻混燃料放熱率形狀之間的差異逐漸增大，直至B80燃料的87%預(yù)混燃燒比例，使得其放熱率峰值達到了585J/(°)CA，而且燃燒后期的擴散燃燒比例減少，最大程度避免了容易生成soot排放的擴散燃燒過程。
2.2 不同燃料和摻混比例在不同負荷下對柴油機排放和燃油經(jīng)濟性的影響
圖7為不同負荷(0.48 MPa 和0.95 MPa)下?lián)交烊剂蠈Ox排放的影響。相同EGR 率下，汽油摻混燃料隨著摻混比例的升高，NOx排放相對柴油逐漸升高；正丁醇摻混燃料在40%摻混比例下的NOx 排放低于柴油，隨著摻混比例的提高，NOx 排放相對于柴油升高。低摻混比例的正丁醇摻混燃料NOx 排放低于柴油的主要原因是正丁醇具有較高的汽化潛熱，使得燃燒初始時刻缸內(nèi)溫度較低，高比例的預(yù)混燃燒保證了較短的燃燒持續(xù)期，使得缸內(nèi)的高溫持續(xù)期縮短，降低了NOx 生成。隨著摻混比例提高，預(yù)混燃燒放熱峰值迅速升高，缸內(nèi)燃燒最高溫度升高，使得NOx 排放相對于柴油升高。0.48 MPa 工況下的G80燃料部分工況點與B80 燃料的工況點由于燃燒效率大幅度降低導致缸內(nèi)燃燒溫度降低，所以NOx 排放低于柴油，從而減少了對EGR 的需求。隨著EGR 率的升高，柴油與摻混燃料的NOx 排放差異逐漸縮小。這是因為不斷增加的缸內(nèi)廢氣通過降低局部氧濃度以及燃燒溫度削弱了燃料特性對NOx生成的影響。
 
圖7 不同負荷下?lián)交烊剂蠈Ox排放的影響
 
圖8 不同負荷下?lián)交烊剂蠈oot-NOx的trade-off關(guān)系的影響
圖8為不同摻混燃料結(jié)合EGR在不同負荷下對soot-NOx的trade-off關(guān)系影響。圖8a中，在0.48 MPa BMEP負荷，通過中等EGR率使NOx排放降低到0.4 g/(kW·h)以內(nèi)，柴油的soot排放約為0.048 g/(kW·h)，而且soot排放對EGR變化較為敏感。各種摻混燃料均可大幅改善小負荷下NOx-soot的trade-off關(guān)系。其中B40、G40燃料均可滿足歐Ⅵ排放法規(guī)；G60、G80、B60和B80燃料的soot幾乎維持在零排放水平。
圖8b中，隨著負荷升至0.95 MPa BMEP，由于滯燃期的大幅縮短，各燃料NOx-soot的trade-off關(guān)系呈現(xiàn)出較大差異。相比于0.48 MPa BMEP負荷，柴油的soot排放在低NOx區(qū)域?qū)GR顯得更加敏感。相較于柴油，汽油摻混燃料由于獲得了更長的滯燃期，同時高揮發(fā)性能夠保證加快油氣混合過程，明顯改善soot排放，改善程度隨摻混比例提升而增加，但高摻混比例的G80燃料在NOx為0.4 g/(kW·h) 時仍然無法滿足歐Ⅵ排放標準。
試驗中柴油的硫含量為3.7mg/kg，芳香烴質(zhì)量分數(shù)為2.2%。如果采用正丁醇摻混，含硫量和芳香烴含量會繼續(xù)降低至極低水平。Cheng等、Choi等和堯命發(fā)等對含氧燃料的研究表明，燃料氧(原子氧)能有效抑制soot或PM生成。圖8b中，相比于G80燃料，B40可以在其較低的摻混比例下獲得更低的壓力升高率、soot排放。對于B80燃料，當NOx排放降至0.4 g/(kW·h)時仍未產(chǎn)生明顯的soot排放惡化，獲得了NOx和soot分別為0.4 g/(kW·h)和0.0015 g/(kW·h)的排放水平，但此時由于到達了壓力升高率安全限值，并未繼續(xù)增加EGR，降低NOx排放。正丁醇摻混燃料在更長的著火延遲期、燃料氧、低含硫量及低的芳烴含量綜合作用下，使得局部燃燒當量比得以改善，其相同摻混比例的soot排放明顯低于汽油摻混燃料，而且這種優(yōu)勢隨著負荷的提升表現(xiàn)得更加明顯。
綜上，著火延遲期和燃料氧是柴油機低溫燃燒中soot降低的兩個關(guān)鍵因素，相較于汽油摻混燃料，正丁醇摻混燃料更能適應(yīng)負荷拓展時改善soot排放的需求。
圖9和圖10分別為0.48 MPa、0.95 MPa負荷下各摻混燃料對CO、HC排放的影響。
 
圖9 BMEP為0.48 MPa時燃料對HC、CO排放的影響
 
圖10 BMEP為0.95 MPa時各燃料對HC、CO排放的影響
圖9中，G80和B80燃料必須采用高EGR率控制燃燒速率，以將壓力升高率控制在1.4MPa/(°)CA以內(nèi)，為了保持CA50為4°CA ATDC，燃油噴射時刻過于提前導致噴油油束和燃燒室結(jié)構(gòu)匹配不當，油氣混合效果變差，HC和CO排放迅速上升。除0.48 MPa下的G80、B80燃料之外，圖9a和圖10a中，兩個工況的HC排放均處于較低的水平，在0.95 Mpa BMEP負荷下不同摻混燃料對HC影響的差異比較明顯．燃料的十六烷值越低，滯燃期越長，HC排放則略高。
圖9b和圖10b中，兩個負荷的不同摻混燃料的CO排放呈現(xiàn)出較大差異。0.48 MPa工況摻混燃料的CO排放普遍高于柴油，而且隨摻混比例的提升而增加。在0.95 MPa工況，摻混燃料由于改善了油氣混合過程，燃燒定容度增加，燃燒溫度提升，使得CO排放隨著摻混比例的增加而降低。同時由于正丁醇的含氧特性，等摻混比例下，正丁醇摻混可以獲得更低的CO排放。
圖11為不同負荷下各燃料摻混對BSFC的影響。隨著摻混比例的提升，汽油摻混燃料的BSFC逐漸升高；正丁醇摻混燃料在0.45 MPa負荷下BSFC同樣隨摻混比例逐漸升高，但是低于同比例汽油摻混燃料，0.95 MPa負荷下的BSFC則與柴油保持同一水平；0.45 MPa負荷下B80和G80的BSFC升高主要是因為B80和G80燃料滯燃期過長導致燃燒效率降低。
 
圖11不同負荷下?lián)交烊剂蠈SFC的影響
 3 結(jié)論
 
(1)隨著汽油或正丁醇的摻混比例提高，相較于柴油，著火滯燃期和預(yù)混燃燒比例能夠顯著提升，提升程度隨摻混比例的增加而加強，并且隨EGR率的增加而加強。
(2)BMEP為0.48 MPa負荷下，各燃料均呈現(xiàn)單峰放熱的高比例預(yù)混壓燃模式；其中汽油摻混燃料以40%摻混比例可以滿足歐Ⅵ排放法規(guī)，即NOx＜0.4 g/(kW·h)，soot＜0.01 g/(kW·h)，80%比例的摻混燃料(G80和B80)在小負荷工況實現(xiàn)部分預(yù)混燃燒時受到壓力升高率極限和燃燒效率惡化的約束。
   (3)0.95 MPa負荷下，各燃料的滯燃期和預(yù)混燃燒比例相比0.48 MPa負荷均明顯降低，但不同摻混燃料之間的差異更加明顯，40%、60%摻混比例燃料在此工況均呈現(xiàn)明顯的擴散燃燒過程；正丁醇憑借其含氧特性和更高的辛烷值，在40% 摻混比例下比汽油獲得了更低的壓力升高率、BSFC和soot排放；正丁醇以80%的高摻混比例結(jié)合中等EGR率，實現(xiàn)了87%的預(yù)混燃燒比例， NO x和soot排放分別為0.4 g/(kW·h)和0.0015 g/(kW·h)。
 文獻來源和參考文獻
 
李臨蓬,毛斌,鄭尊清,等.汽油、正丁醇摻混柴油對部分預(yù)混壓燃的燃燒和排放影響[J].內(nèi)燃機學報,2020,(04):289-297.
[1]:Kalghatgi G T. The outlook for fuels for internal combustion engines[J]. International Journal of Engine Research,2014,15(4): 383-398.
[2]:Yang F,Yao C,Wang J,et al. Load expansion of a dieseline compression ignition engine with multi-mode combustion[J]. Fuel,2016,171:5-17.
 學報簡介
 
《內(nèi)燃機學報》是由中國內(nèi)燃機學會主辦的國家級高級學術(shù)刊物，是國務(wù)院學位委員會與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計用刊，被工程索引(EI)等多個國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目”能源與動力工程類前列?！秲?nèi)燃機學報》主要刊載內(nèi)燃機方面有較高學術(shù)價值和應(yīng)用價值的學術(shù)性論文，在海內(nèi)外有廣大的讀者群，是內(nèi)燃機工作者的良師益友，歡迎登錄《內(nèi)燃機學報》官方網(wǎng)站(www.transcsice.org.cn)投稿。
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