酯類含氧燃料組分對柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響研究

鄔齊敏，孫 平，梅德清，李國成

（江蘇大學(xué)汽車與發(fā)動機(jī)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(yán)重的汽車尾氣排放，各國在制定嚴(yán)格的發(fā)動機(jī)排放法規(guī)的同時(shí)，也加大了對內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)，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(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的性能最優(yōu)，從而促進(jìn)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(yàn)燃料，并對不同含氧燃料的燃燒過程、經(jīng)濟(jì)性和排放特性進(jìn)行深入研究。

1 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)選用186FA單缸風(fēng)冷柴油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1，主要測試設(shè)備見表2。試驗(yàn)在不調(diào)整發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，選取標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速3 000r／min下100%，75%，50%，25%4個(gè)負(fù)荷作為試驗(yàn)工況，依次向柴油機(jī)供給不同混合燃料，測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗和尾氣排放等數(shù)據(jù)，并選取100%負(fù)荷下的缸內(nèi)燃燒壓力、壓力升高率、放熱率進(jìn)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(jìn)行采集，采集間隔為0.5°，每個(gè)工況連續(xù)采集200個(gè)循環(huán)并進(jìn)行平均計(jì)算得到示功圖。在進(jìn)行油品切換時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)至穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，讓發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)足夠長的時(shí)間以消除油路中殘余燃料對試驗(yàn)結(jié)果的影響，再進(jìn)行試驗(yàn)測量。

表1 186FA柴油機(jī)的主要性能參數(shù)

表2 主要測試設(shè)備

試驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(shí)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(shí)缸內(nèi)壓力峰值和壓力升高率峰值出現(xiàn)位置較原機(jī)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(fù)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(kuò)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(gè)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(shí)改善柴油機(jī)的預(yù)混和擴(kuò)散燃燒。

一般認(rèn)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(xué)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(tuán)較多，碳鏈易斷裂，使化學(xué)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(jī)狀態(tài)延長約1°和2°。這是由于DMC中2個(gè)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(xué)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(xiàn)。從圖3還可看出，燃用B10后的放熱率峰值較原機(jī)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(jī)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(jìn)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(qiáng)的揮發(fā)性及適量的氧含量，因而，滯燃期較原機(jī)雖略有延長，但放熱率峰值較高，且接近上止點(diǎn)，能量利用率相對較高。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

圖4示出了發(fā)動機(jī)在n＝3 000r／min各負(fù)荷工況下4種燃料的當(dāng)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(jì)性具有一定的局限性。因此，引入當(dāng)量燃油消耗率來進(jìn)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(jī)燃用B5D5的當(dāng)量燃油消耗率最低，而B10和D10的當(dāng)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(jī)燃用B5D5時(shí)，DMC的低黏度和低沸點(diǎn)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(dāng)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(jì)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(jìn)一步優(yōu)化，具有進(jìn)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(jī)在n＝3 000r／min各負(fù)荷工況下4種燃料的NOx排放對比。柴油機(jī)NOx排放主要受高溫、富氧及高溫持續(xù)時(shí)間的影響。

由圖5可見，B10的NOx排放在中低負(fù)荷時(shí)與柴油相差無幾，而在全負(fù)荷時(shí)升高近7.9%。這是由于全負(fù)荷時(shí)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(yuǎn)大于其高含氧量形成的富氧環(huán)境對NOx生成的促進(jìn)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(gè)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(shí)NOx排放的降低幅度要比燃用同比例生物柴油時(shí)NOx排放的增加幅度更顯著。

圖6示出了發(fā)動機(jī)在n＝3 000r／min各負(fù)荷工況下4種燃料的炭煙排放對比。柴油機(jī)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(jī)平均降低約5.8%，10.4%和17.7%。柴油在高溫貧氧的擴(kuò)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(kuò)散燃燒期，燃油高溫裂解傾向減少。由于DMC黏度和沸點(diǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)煙度的降低情況與其自身的含氧量呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。

圖7示出了發(fā)動機(jī)在n＝3 000r／min各負(fù)荷工況下4種燃料的CO排放對比。B10的CO排放較原機(jī)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(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)較大，含氧燃料對燃燒過程的促進(jìn)作用削弱，而DMC的引入使原本較低的缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，不利于CO的氧化。而大負(fù)荷時(shí)，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(jī)在n＝3 000r／min各負(fù)荷工況下4種燃料的HC排放對比。柴油機(jī)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(jī)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(jī)燃用B5D5與D10時(shí)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(yuǎn)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(shí)降低NOx和炭煙排放，可改善傳統(tǒng)柴油機(jī)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(jī)的燃料”這一說法，B5D5這種燃料在柴油機(jī)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(shí)現(xiàn)對柴油的部分替代，還可以降低部分排放指標(biāo)。

3 結(jié)論

a）小比例摻混含氧燃料對柴油機(jī)缸內(nèi)壓力峰值和壓升率峰值影響不大；發(fā)動機(jī)燃用B10時(shí)放熱峰值略有降低，放熱時(shí)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(jī)燃用B5D5的當(dāng)量燃油消耗率最低，燃用B10和D10的當(dāng)量燃油消耗率與燃用柴油時(shí)基本相當(dāng)；

c）發(fā)動機(jī)燃用B10時(shí)HC，CO和炭煙排放降低，但NOx排放在全負(fù)荷時(shí)略有升高；而燃用B5D5和D10可同時(shí)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(jī)燃用B5D5后燃燒效率提高，經(jīng)濟(jì)性良好，NOx排放和煙度可同時(shí)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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