正丁醇預混合氣對輕型柴油機熱效率和排放的影響

田維， 何文瀟， 馬帥， 吳學舜， 韓志強

(西華大學汽車與交通學院, 四川 成都 610039)

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正丁醇預混合氣對輕型柴油機熱效率和排放的影響

田維， 何文瀟， 馬帥， 吳學舜， 韓志強

(西華大學汽車與交通學院, 四川 成都 610039)

對1臺輕型柴油機進氣道進行改裝，從而在進氣道中形成均質丁醇預混合氣。研究了在不同工況下正丁醇預混比對發動機指示熱效率和排放的影響。研究結果表明：隨著丁醇預混比例的增加，發動機指示熱效率呈現上升的趨勢，轉速為3 350 r/min，平均指示壓力為1 MPa時指示熱效率的提升率達到最大為4.3%；壓力升高率過大，限制了在大負荷條件下使用更高的丁醇預混比例；隨著丁醇預混比例的增加，發動機soot和NOx排放明顯改善，而CO和HC排放均隨著丁醇預混比的增加而增大。

柴油機； 丁醇； 混合燃料； 指示熱效率； 排放

柴油機以其較高的熱效率成為現代工業、物流運輸最主要的動力源。然而，在柴油機的燃燒過程中，燃燒溫度、燃油與空氣混合物當量比的不均勻分布[1]，會造成在燃燒瞬間生成大量的炭煙(soot)和NOx[2]，其中soot和NOx之間還存在著折中關系[3-4]，使得要通過缸內凈化的方法對其處理的難度大大增加。為了使柴油機能夠適應越來越嚴格的排放法規，世界各國的科研人員采用各種措施來降低柴油機的排放[5-6]，如在柴油機上加裝廢氣再循環(EGR)和柴油機顆粒捕集(DPF)裝置或者選擇性催化還原后處理(SCR)裝置[7]。這些后處理裝置雖然可以有效地改善柴油機排放，但大大增加了柴油機的開發成本和周期。與此同時，一些科研人員致力于發展清潔的可再生替代能源來降低柴油的消耗和排放，如LPG、DME、生物柴油、醇類燃料[8]等。其中以醇類燃料為代表的含氧燃料以其能夠在不導致NOx排放惡化的前提下改善soot排放而倍受人們關注[9-10]。丁醇作為新一代的極具競爭力的含氧燃料[11]，相對于甲醇、乙醇等具有許多優點，如理化性質接近烴類，能量密度高，與汽油和柴油互溶性好且大比例混合時不存在分層等[12]，使其能夠很好地應用于現存柴油機。

目前，國內外學者對丁醇在壓燃式發動機上的研究可大致分為兩個方向：一種為以丁醇、柴油摻混形成混合改性燃料，并通過缸內直噴來探索降低柴油機排放的途徑。研究結果表明，在柴油中以不同比例摻入丁醇，可以使柴油具有更長的滯燃期，同時降低了soot和NOx排放[13-15]。另一種則是通過在進氣道噴射丁醇建立均質混合氣，與缸內直噴的柴油實時混合，實現混合氣活性的分層，且混合比例可以隨負荷進行改變。研究結果表明，這種方式可以延長滯燃期[16]，降低缸內最大燃燒壓力和燃燒溫度[17]，與EGR配合使用可以改變soot與NOx的折中關系，大幅度降低排放[18-19]。

綜上所述，丁醇與柴油的雙燃料模式可以在不對現有柴油機進行大幅度結構改造的情況下，優化其燃燒和排放。因此本研究基于1臺4缸輕型柴油機，通過增加一套低壓多點噴射系統，利用開放式ECU分別對丁醇、柴油供給系統進行控制，在缸內實現了柴油在丁醇預混合氣氛圍下與丁醇的復合燃燒。研究了發動機分別在不同轉速和負荷下，丁醇預混比對發動機指示熱效率和排放的影響。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

試驗用發動機為1臺輕型柴油機，發動機參數見表1。在進氣道上加裝多點低壓噴射裝置，其噴射壓差恒定0.35 MPa，采用BOSCH高壓共軌系統對柴油進行缸內直噴。由自主開發的開放式ECU實現對兩種燃料的噴射控制。通過改變噴射脈寬來改變丁醇的噴射量，與此同時，柴油機的噴射壓力、噴射正時、噴射量和噴射次數均可控。發動機試驗系統示意見圖1。

表1 柴油機主要技術參數

圖1 發動機試驗系統示意

尾氣成分的測量采用Horiba MEXA-7100DEGR排氣分析儀，煙度的測量采用AVL415煙度計。缸壓的測量采用KISLER 6125C缸壓傳感器以及配套的電荷放大器和采集程序。缸壓采集由光電編碼器觸發，每0.5°曲軸轉角采集一次。

試驗工況及各工況下對應的柴油和丁醇的噴射量見圖2。試驗過程中，柴油的噴射壓力為120 MPa，噴射正時為0° ATDC。各轉速和負荷下，保持發動機轉速和輸出扭矩不變。柴油與丁醇的主要理化特性參數見表2。

圖2 各工況點所對應轉速、平均指示壓力和燃油噴射量

燃料柴油丁醇化學式C10～C15C4H10O平均相對分子質量180～20074密度(20℃)/g·cm-30.840.81低熱值/MJ·kg-143.0433.1氧質量分數/%021.6能量密度/MJ·L-136.626.8汽化潛熱(25℃)/kJ·kg-1250716沸點/℃180～370118十六烷值>50約25化學計量空燃比14.311.2

1.2 參數定義

1) 丁醇預混比Pr：

(1)

式中：MPI,MDI分別為丁醇噴射量和柴油噴射量；Hu1為丁醇的低熱值；Hu2為柴油的低熱值；Q為丁醇與柴油總熱量；QPI為丁醇熱量。

2) 指示熱效率ηi：

(2)

式中：pi為缸內平均指示壓力，通過缸壓傳感器直接測量；V為氣缸容積；N為發動機轉速；Qc為燃料燃燒累計放熱量。

3) 變化率φ：

(3)

式中：αt為不同Pr所對應的參數值；α0為Pr為0所對應的參數值。

2 結果與討論

2.1 不同工況下Pr對發動機ηi的影響

圖3示出在不同轉速不同負荷下Pr對發動機ηi的影響。從整體變化趨勢來看，除了2 250r/min轉速，pi=0.5MPa時隨著Pr的增加ηi相對柴油模式有一定的下降外，其余工況下指示熱效率ηi隨丁醇預混比Pr的增加呈上升的趨勢，在中高轉速(n≥2 800r/min)高負荷(pi≥1MPa)時，負荷越高ηi上升的趨勢越明顯，其中3 350r/min轉速pi=1MPa負荷時，ηi的變化率φ最大，達到4.3%。這是由于ηi主要有兩個影響因素：滯燃期和燃燒速度[20]。隨著丁醇噴射量的增加，丁醇預混合氣的濃度增加，由于丁醇汽化潛熱和辛烷值較大，一方面降低了缸內溫度，另一方面在缸內建立了活性分層，使得主燃燒著火時刻推遲，燃燒速度加快。隨著負荷的升高，壓縮上止點缸內溫度和壓力較高，這進一步促進了燃燒持續期的縮短，傳熱損失減小，這有利于熱效率的上升，但是燃燒速度的加快進一步加重了缸內的爆震趨勢，使得壓力升高率過高，這直接限制了在高負荷下使用更高的Pr。

圖3 Pr對ηi的影響

2.2 不同工況下Pr對發動機排放的影響

圖4至圖6示出在不同轉速不同負荷下，Pr對發動機排放的影響。soot排放在各轉速和負荷下略有不同，其中轉速較小時(n≤2 800r/min)和負荷較小時(pi≤0.8MPa)，soot排放基本維持在較小水平，且φ較小，而在大負荷(pi≥1MPa)時，發動機的soot排放均隨著Pr的增加而下降，且負荷越高，soot排放隨著Pr降低的趨勢越明顯，此時φ>60%，其中在2 800r/min轉速，pi=1.2MPa工況下Pr=29.8%時φ達到79.8%。NOx的排放首先隨著發動機轉速和負荷的增加呈現降低的趨勢，與此同時在各負荷下也隨著Pr的增大而下降，且φ整體均維持在大于20%的水平，其中在2 250r/min轉速，pi=1.1MPa負荷時φ達到最大，為29.7%。CO和HC在各轉速下隨著負荷的增加呈現減小的趨勢，但在各負荷下均隨著Pr的增大而增大。

圖4 2 250 r/min下Pr對發動機排放的影響

圖5 2 800 r/min下Pr對發動機排放的影響

圖6 3 350 r/min下Pr對發動機排放的影響

soot和NOx排放隨著Pr的增大而下降主要受丁醇的物理化學性質的影響，一方面在丁醇汽化過程中吸收了缸內的熱量降低了缸內溫度，遏制了NOx生成條件，另一方面丁醇分子中自帶氧原子，使得其裂解燃燒的方式區別于傳統柴油的擴散燃燒；在負荷較低的工況(pi≤0.8MPa)時，soot變化趨勢隨丁醇預混比無明顯變化，這是由于在低負荷時，丁醇的汽化降低了缸內的溫度，柴油在壓縮上止點位置噴入氣缸，燃燒發生在上止點之后，這部分柴油擴散燃燒生成大量的炭煙，沒有在燃燒末期被充分氧化。隨著發動機轉速和負荷的增加NOx排放下降的原因可能是由于發動機增壓器在高負荷高轉速工況下增壓效率較大，進氣量的增加使得缸內充量的熱容量上升，降低了缸內壓縮終點的溫度。CO和HC排放升高主要是由于丁醇與空氣的預混合氣的燃燒火焰在燃燒室的邊緣區域和活塞與氣缸縫隙發生淬冷，導致燃燒不完全[21]，且丁醇預混合比例增加，不完全燃燒的比例增加；隨著負荷的上升，缸內壓力和溫度上升，這利于CO和HC 的氧化。

3 結論

a) 發動機在低轉速低負荷時采用丁醇預混合的方式指示熱效率呈降低的趨勢，隨著發動機轉速和負荷的上升指示熱效率得到不同程度的提升；

b) 隨著丁醇預混比例的增加，發動機的NOx和soot排放明顯改善，然而在低轉速低負荷時soot改善趨勢不明顯；

c) CO和HC排放隨著丁醇預混比的增加而增加，在同一轉速下，CO和HC隨著負荷的增大而減小。

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[編輯: 李建新]

Effects of N-butanol Premixed Charge on Indicated Thermal Efficiency and Emission of Light Duty Diesel Engine

TIAN Wei, HE Wenxiao, MA Shuai, WU Xueshun, HAN Zhiqiang

(School of Automobile & Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to form homogeneous premixed air/n-butanol mixture inside intake port, the intake manifold of a light duty diesel engine was modified. The effects of n-butanol premixed ratio on engine indicated thermal efficiency and emissions were studied under different conditions. The results show that the indicated thermal efficiency increases with the increase of n-butanol ratio. The indicated thermal efficiency of diesel/n-butanol compound combustion mode is 4.3% higher than that of the pure diesel model under the conditions of 3 350 r/min and 1 MPa IMEP. However, the too large pressure rise rate will limit the premix ratio of n-butanol at high load. In addition, the soot and NOxemissions decrease, but the CO and HC emissions increase.

diesel engine; n-butanol; blended fuel; indicated thermal efficiency; emission

2017-03-27;

2017-04-20

教育部春暉計劃項目(Z2015083)；教育部流體及動力機械省部共建重點實驗室學術成果配育項目(SBZDPY-11-19)

田維 (1981—)，男，博士，主要研究方向為內燃機工作過程優化及控制;tianviv@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.011

TK411.26

B

1001-2222(2017)03-0063-05