弱含氧燃料在柴油機上的燃燒過程與排放特性

梅德清，張永濤，肖淑梅，孫 平

（1. 江蘇大學(xué) 汽車學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013； 2. 揚州職業(yè)大學(xué) 汽車工程系，江蘇，揚州 225009）

隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展和汽車保有量的高速增長，能源需求和環(huán)境保護(hù)問題的雙重壓力日益增加，因而迫切需要發(fā)展可以替代的燃料，其中含氧燃料的研究和應(yīng)用是關(guān)鍵[1-4]。含氧燃料通常是指分子結(jié)構(gòu)中含有氧元素的醇類、醚類、酯類等可以在內(nèi)燃機中單獨作為燃料或以添加劑的形式與汽油、柴油混合使用的含能物質(zhì)。目前，在眾多的柴油機代用燃料中，生物柴油、乙醇柴油等弱含氧燃料以良好的經(jīng)濟性、動力性和排放特性而大受歡迎，同時具有無需對發(fā)動機進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造而能直接應(yīng)用等優(yōu)勢，使其倍受各國青睞[5-6]。

針對醇類、醚類、酯類等含氧燃料各自與普通柴油在發(fā)動機上的比對應(yīng)用，國內(nèi)外做了大量研究工作，并已得到了各類燃料的燃燒與排放特性差異及機理性的解釋,含羥基的燃料主要為短碳鏈物質(zhì)，而酯類則以長碳鏈為代表。本文在同一臺發(fā)動機上，進(jìn)行發(fā)動機燃燒這些含氧燃料和普通柴油的燃燒分析和排放性能測試，研究低含氧量不同含氧屬性（羥基和酯基）帶來的發(fā)動機性能差異，協(xié)調(diào)這類弱含氧燃料在發(fā)動機上的運用。

1 試驗裝置及方法

在不改變柴油機結(jié)構(gòu)形式和供油提前角，僅微調(diào)供油量實現(xiàn)原機功率的基礎(chǔ)上，進(jìn)行柴油機分別燃用生物柴油、乙醇柴油、微乳化生物柴油和普通柴油4種燃料的燃燒過程和排放特性試驗研究，分析含氧燃料在發(fā)動機上的應(yīng)用特點。

試驗樣機為YZ4DB3，主要技術(shù)參數(shù)以及試驗設(shè)備見表1和表2。試驗測量了柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷工況下燃用4種燃料時的缸內(nèi)燃燒壓力、燃油經(jīng)濟性和排放特性。

試驗的基礎(chǔ)燃料是0#柴油。生物柴油(Biodiesel)是由餐飲廢油經(jīng)酯交換工藝制備而成的。微乳化生物柴油（Micro Emulsion-Biodiesel , MB）按照柴油︰表面活性劑︰水的質(zhì)量比為15∶2∶1配制而成。乙醇柴油（E20）是以正丁醇為助溶劑(體積比5%)，柴油中摻混20%（體積比）乙醇的調(diào)合燃料。試驗用柴油與各含氧燃料的理化特性見表3。

表1 試驗用柴油機主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗所用的主要儀器

表3 柴油與含氧燃料的理化特性

2 燃燒過程分析

圖1為在n=2 900 r/min，pme=0.77 MPa工況下，發(fā)動機燃用4種燃料的缸內(nèi)壓力示功圖、瞬時放熱率和缸內(nèi)溫度等曲線圖。從圖1（a）可以看出，與燃用柴油相比，3種含氧燃料中生物柴油的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力略低，而MB和E20兩者的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力均大于柴油。從圖1（b）瞬時放熱率曲線可以看出，與燃用柴油相比，長鏈的酯基燃料——生物柴油較高的十六烷值使著火時刻提前約2°CA，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量較少，且酯類燃料較高的粘度限制了缸內(nèi)混合氣的形成速度，后續(xù)燃燒延緩，放熱率峰值略有降低。

發(fā)動機燃用E20和MB時，兩者的放熱時刻明顯較柴油和生物柴油滯后，但兩者的放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都比柴油高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于短鏈醇和水的加入使燃料的十六烷值降低，著火延遲期相對延長；低沸點的乙醇以及微乳化的水這兩者微爆引起二次霧化現(xiàn)象[7-8]，使滯燃期內(nèi)燃料和空氣混合比較充分；此外乙醇和微乳化油都是含氧燃料，氧的助燃作用又促使混合氣燃燒速度加快，燃燒放熱過程更加集中。良好的霧化性能又加速了擴散燃燒的進(jìn)度，使燃燒終點提前，故而E20和MB的燃燒持續(xù)期縮短。

從燃料化學(xué)的角度，燃料中氧或者水只對燃燒過程起到調(diào)節(jié)作用，并不能增加燃料氧化釋放出來的熱量。因此，隨燃料進(jìn)入整個燃燒反應(yīng)系統(tǒng)的氧或者水，隨著反應(yīng)容器內(nèi)溫度的升高，吸收一部分熱量使其內(nèi)能提高，因而3種含氧燃料的缸內(nèi)工質(zhì)平均溫度都比柴油有不同程度的降低，如圖1（c）所示。與燃用柴油相比，生物柴油盡管在進(jìn)入氣缸后最先著火，但在初期放熱結(jié)束之后因其粘度較高，油氣混合的速度比柴油燃料低，因此燃燒放熱速度下降，缸內(nèi)燃燒溫度降低。MB因燃料中含有水，其缸內(nèi)溫度比生物柴油略有降低。而E20因汽化吸熱和低熱值等因素，其缸內(nèi)溫度最低。

圖2為發(fā)動機在n=2 900 r/min轉(zhuǎn)速下各個負(fù)荷工況下（各個目標(biāo)工況一致）有效熱效率的對比。從圖中可看出，3種含氧燃料的有效熱效率都比柴油高。在n=2 900 r/min、pme=0.77 MPa工況下，發(fā)動機燃用生物柴油、MB和E20的有效熱效率分別比柴油高出4.1%、8.7%和15.7%。生物柴油中氧的存在提高了混合氣中的氧氣氛，致使燃燒過程進(jìn)行完全。而柴油中乙醇以及微乳化油中水的加入，與前文圖1（b）中瞬時放熱率解釋一致，較長的著火延遲期、沸騰汽化帶來的良好霧化性能和燃料自供氧的助燃作用，在這三者的綜合效應(yīng)下，使缸內(nèi)燃燒放熱過程相對集中、等容度高，熱量轉(zhuǎn)換為功的效率高。因此，MB和E20的熱效率進(jìn)一步上升。酯基或羥基物質(zhì)用作燃油后，發(fā)動機有效熱效率有不同程度的提高，燃料放熱節(jié)奏的改變是主因，而含氧屬性只能是其中輔助的因素。

3 排放特性分析

3.1 NOx排放

由Zeldovich NO形成的熱力學(xué)機理可知，影響NOx生成的最主要的因素有3個：（1）溫度。（2）過量空氣系數(shù)（φa大，則造成富氧環(huán)境，有利于NOx生成）。（3）反應(yīng)在高溫中的停留時間。圖3是在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)動機燃用不同含氧燃料的NOx排放。在中低負(fù)荷工況下，生物柴油、E20以及MB對發(fā)動機NOx排放影響不大，而在高負(fù)荷工況下，較高的燃燒溫度對NOx的生成影響起著決定的作用，各含氧燃料的 NOx排放有一定程度的上升。在最大負(fù)荷工況點，發(fā)動機燃用生物柴油和MB時的NOx排放分別增加了11.1%和9.3%，這主要是由于缸內(nèi)可燃混合氣中參與化學(xué)反應(yīng)的活性氧量上升，更易形成NOx排放。而發(fā)動機燃用E20時的NOx排放相對增加量較少，為7.2%。從缸內(nèi)工質(zhì)的平均溫度圖1（c）可以看出，由于乙醇汽化吸收熱量且高含氧低熱值乙醇進(jìn)入氣缸使燃料質(zhì)量增多，發(fā)動機燃用E20時缸內(nèi)溫度最低，因而其NOx排放在這3個含氧燃料中最低。由此可見，在較高的缸內(nèi)溫度下，由酯基或羥基提供的更多的氧成為NOx快速增長的主要要素。

3.2 CO排放

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機燃用4種燃料的CO排放如圖4所示。CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要受燃燒溫度和氧濃度大小的影響。在各負(fù)荷工況下，生物柴油的CO排放比普通柴油的CO排放要低，主要是由于燃料中的氧的存在增加了混合氣中氧氛圍，改善了燃燒過程；燃料中加入水的MB，其CO排放性能介于二者之間，因為水的汽化吸熱在一定程度上降低了缸內(nèi)燃燒溫度，使CO排放相對于生物柴油略有上升，但和柴油的CO排放差別不大。在10%負(fù)荷工況下，發(fā)動機燃用乙醇柴油的CO排放為普通柴油的1.5倍，而在全負(fù)荷下，兩者大致相當(dāng)。原因主要有：在低負(fù)荷時缸內(nèi)溫度較低，加之乙醇較高的汽化潛熱進(jìn)一步降低了缸內(nèi)燃燒溫度，CO進(jìn)一步氧化的進(jìn)程被抑制；而在高負(fù)荷下，缸內(nèi)溫度相對較高，乙醇汽化使缸內(nèi)溫度降低的作用弱化且燃料自供的氧又能促進(jìn)燃料燃燒，因而CO排放下降。

E20在高低負(fù)荷下CO排放的顯著差異，說明了燃料含氧屬性不能被無限放大，此時醇的另外特性（汽化吸熱）成為顯性要素。生物柴油、MB和普通柴油這三者燃料主體的碳鏈長度接近，此時CO排放規(guī)律可由含氧屬性來解釋。

3.3 HC排放

圖5為發(fā)動機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下燃用4種燃料的HC排放。由圖可看出，發(fā)動機燃用生物柴油和MB時HC排放比柴油降低幅度較大，因為生物柴油是含氧燃料，增加了混合氣中的氧氛圍，使燃燒更完全；再者生物柴油相對的不易揮發(fā)性以及高十六烷值使著火延遲期縮短，混合氣形成階段由于時間尺度縮短而使著火稀限區(qū)域減少。與生物柴油相比，發(fā)動機燃用MB，因燃料含水降低了缸內(nèi)溫度限制了燃燒，而使HC略有增高。而發(fā)動機燃用E20時，在中低負(fù)荷下，由于缸內(nèi)燃燒溫度原本較低，具有較高汽化潛熱的乙醇進(jìn)缸后吸熱汽化使缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，加之乙醇沸騰汽化會形成更多的著火稀限區(qū)域，因而HC排放增加，達(dá)到普通柴油的1.7倍；而在高負(fù)荷下，發(fā)動機缸內(nèi)溫度較高，乙醇的汽化吸熱造成的缸內(nèi)溫度降低效應(yīng)變?nèi)酰藭rHC排放比發(fā)動機燃用柴油時還低，與另兩種含氧燃料的HC排放相接近。可見，含羥基的短碳鏈的易揮發(fā)性是造成HC排放增多的主要根源。

3.4 碳煙

圖6為標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速工況下4種燃料的由光吸收系數(shù)表示的碳煙排放對比。碳煙的形成主要是由于燃燒室內(nèi)局部混合氣過濃引起的不完全燃燒。由圖6可以明顯看出各種混合燃料的煙度排放低于柴油的煙度值。生物柴油以及E20為含氧燃料，其氧原子在燃燒過程中可以助燃，因而碳煙排放會大幅度下降。

MB碳煙排放較低的機理在于MB燃燒時混合氣均勻度提高，此外混合燃料中含氧，減緩了局部缺氧現(xiàn)象。加之，燃燒過程中形成的C會與水蒸氣發(fā)生水煤氣反應(yīng)以及OH自由基對活性碳原子的消耗，均會使煙度值降低，其機理見式（1）和式（2）[9-10]。

在柴油中添加乙醇后，含氧量上升，此外乙醇的沸騰汽化使混合氣均勻度提高，促使燃油液滴與空氣混合充分，碳煙排放下降，最大負(fù)荷工況下降幅達(dá)到47%。總體而言，長鏈酯基結(jié)構(gòu)的燃料消煙效果比短鏈醇基結(jié)構(gòu)燃料更明顯。

4 結(jié)論

（1）在標(biāo)定點工況下，與以柴油作為發(fā)動機工作的燃料相比較，生物柴油著火時刻約提前2°CA，著火延遲期縮短，放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都略低于柴油；而MB和E20開始放熱時刻相對滯后，但放熱過程更集中，放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力都較發(fā)動機燃用柴油時升高。

（2）在大負(fù)荷工況下，與柴油相比，發(fā)動機燃用3種含氧燃料總體表現(xiàn)為NOx排放增加，而表征不完全燃燒產(chǎn)物的HC、CO和煙度等均有不同程度的下降。生物柴油和柴油的燃料結(jié)構(gòu)相似，其對排放的影響都可以從燃料結(jié)構(gòu)中含氧和十六烷值來解釋；加入水的MB使缸內(nèi)溫度略有降低，其排放性能與生物柴油相近；但考慮到E20的汽化吸熱和易揮發(fā)性，在中低負(fù)荷時HC和CO排放明顯較高。

（3）含氧的酯類及醇類的加入同時也帶來了燃料特性（含氧量、沸點、汽化潛熱、粘度和CN值等）等其它方面的改變，對發(fā)動機燃燒及排放性能產(chǎn)生很大的影響。因此，需要依據(jù)酯或醇的燃料屬性，優(yōu)化添加比例，使現(xiàn)有發(fā)動機能夠滿足相應(yīng)的排放法規(guī)。

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