噴油時刻和EGR對Diesel/MF混合燃料燃燒和排放的影響?

肖合林，王 儒，曾鵬飛，侯貝貝

前言

隨著石油能源日益減少和排放法規日趨嚴格，尋找可再生能源和降低內燃機排放已成為當今社會關注的焦點。在我國，隨著汽車數量的增加汽車排放儼然成為城市環境污染的主要來源[1]。生物燃料作為清潔能源可有效地解決資源短缺和環境污染等問題。

目前普遍使用的可再生燃料是生物柴油，生物柴油不僅具有與石化柴油相似的理化性質而且還具有排放低的優點[2-3]。生物乙醇是另一種常用的替代燃料，其使用方法是與汽油或柴油按一定的比例混合[4]。但是，生物乙醇易溶于水、對金屬和橡膠件的腐蝕性限制了生物乙醇的使用。

近年來，隨著新型制備方法的出現，2-甲基呋喃(MF)作為替代燃料可通過果糖脫水和加氫的方法獲得[5]。第1步，果糖經過脫水處理去掉3個氧原子生成5-羥甲基糠醛(HMF)，第2步，通過氫解作用去掉2個氧原子生成2-甲基呋喃。2-甲基呋喃具有理想的理化特性見表1。與生物柴油相比，2-甲基呋喃具有更低的黏度和更高的氧含量，使其更容易形成可燃混合氣并促進混合氣的燃燒；與生物乙醇相比，2-甲基呋喃具有更低的汽化潛熱，可提高發動機的冷起動性能，更高的能量密度降低了2-甲基呋喃的燃油消耗；這些都使2-甲基呋喃成為一種具有光明前景的替代燃料。

表1 燃料的理化性質

目前，國內外很多學者已對MF的燃燒和排放特性進行了研究。文獻[6]中在柴油機上對不同比例的2-甲基呋喃和柴油混合燃料進行了研究，結果表明:與燃燒純柴油相比，混合燃料產生更高的熱效率，碳煙排放顯著降低，NOx排放隨MF摻混比例的增大而升高。文獻[7]中在一臺點燃式發動機上比較了MF、低比例汽油與MF混合燃料和純汽油的燃燒和排放特性。Matthias等[8]首先研究了MF在缸內直噴發動機中混合氣的形成和燃燒性能，結果表明:與傳統汽油燃料相比，特別是在寒冷條件下，MF具有更好的燃燒穩定性。綜上所述，MF具有較好的燃燒特性，而有關MF在壓燃式發動機中燃燒的研究還很少。

柴油機采用廢氣再循環技術可明顯降低NOx排放[9]。柴油噴射提前角決定了混合燃燒系統的著火時間，對混合燃燒的性能尤其是工作粗暴性的影響極大[10]。本研究在一臺4缸4沖程增壓水冷直噴柴油機上，采用MF/柴油混合燃料研究噴油提前角和廢氣再循環對發動機燃燒和排放的影響。

1 試驗裝置與研究方案

1.1 試驗設備

試驗在一臺4缸4沖程水冷直噴柴油機上進行，表2為發動機的技術參數。噴油時刻和廢氣再循環由電控單元調節，本試驗的EGR系統由EGR閥、電子控制單元和中冷器組成。試驗過程中通過調節EGR閥門的開度來控制EGR率。試驗前，先對試驗工況EGR閥門開度所對應的EGR率進行了測量。發動機缸內壓力由Kistler壓力傳感器測量，CB-466燃燒分析儀接收由電荷放大器放大的缸內壓力信號。壓力數據每隔0.25°CA取一次樣，壓縮機和空氣調節系統分別調節進氣壓力和進氣溫度。尾氣排放由AVL氣體分析儀測量，不透光煙度計測量碳煙排放，DMS500測量顆粒物排放。試驗系統如圖1所示。

表2 試驗發動機參數

1.2 試驗燃料

試驗燃料為柴油與質量分數為20%的MF(柴油和MF的質量比為4∶1，M20)的混合燃料。柴油由中國石化提供，MF由滕州宏立生物科技有限公司提供，純度為99%。混合燃料現場配置。

圖1 試驗系統

1.3 試驗方案

試驗中發動機的轉速為1 800r/min，發動機輸出轉矩為90N·m，保持不變，EGR閥門開度分別為0，20%，50%，80%和100%，表3為EGR閥門開度對應的EGR率，主噴提前角由上止點前2.5°CA開始以5°CA間隔提前到上止點前22.5°CA，冷卻水和機油溫度均維持在85℃，進氣溫度為15℃，進氣壓力為0.11MPa，以此探究EGR和噴油時刻對燃用M20混合燃料柴油機的燃燒和排放的影響。

表3 EGR閥門開度對應的EGR率 %

2 試驗結果與分析

MF作為含氧燃料，燃燒速率較快，缸內燃燒溫度較高，通過廢氣再循環技術能在傳統的柴油機燃燒模式下降低進氣的氧濃度，從而降低缸內溫度，起到改善NOx排放的效果。燃料與空氣的混合程度直接受噴油正時的影響，因此，合適的EGR率和噴油正時對發動機的燃燒與排放尤為重要。

2.1 缸內壓力與放熱率

圖2為噴油正時在 7.5°和 17.5°CA BTDC時EGR閥門開度對M20缸內壓力和放熱率的影響曲線。由圖可見，隨著EGR閥門開度的增加缸內壓力峰值和放熱率峰值均逐漸下降。缸內燃料的燃燒主要受氧濃度和溫度的影響，隨著EGR率的增大，進氣比熱容增加而氧濃度降低，缸內壓縮溫度下降；此外，EGR中的惰性氣體對氣缸內的化學反應速率具有阻滯作用，這些因素都導致缸內壓力峰值和放熱率峰值的降低。

圖2 不同EGR閥門開度對缸壓放熱率的影響

由圖2(a)和圖2(b)的對比可知:噴油正時為17.5°CA BTDC的缸內壓力峰值明顯高于噴油正時為7.5°CA BTDC時的缸內壓力峰值，原因是當噴油正時為17.5°CA BTDC時，燃燒主要發生在上止點附近，定容燃燒增加，缸內燃燒壓力升高；噴油正時為7.5°CA BTDC時，缸內壓力曲線出現明顯的雙峰，這是由于在此工況下M20的滯燃期延長，氣缸內形成的預混合可燃氣增多，預混合燃燒階段的壓力、溫度升高，出現明顯的雙峰。

2.2 滯燃期與燃燒持續期

在本次研究中，滯燃期定義為從噴油時刻起到燃料燃燒10%時所對應的曲軸轉角間隔，燃燒持續期定義為從燃料燃燒10%到燃料燃燒90%時所對應的曲軸轉角間隔。

圖3為M20滯燃期隨EGR閥門開度和噴油正時變化的規律曲線。由圖可知:在相同噴油正時下，隨著EGR閥門開度的增加，滯燃期延長；在相同EGR閥門開度下，隨著噴油正時的提前，滯燃期先縮短后延長，并在17.5°CA BTDC時達到最短。

圖3 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對滯燃期的影響

隨著EGR閥門開度的增加，進氣氧濃度下降，惰性氣體濃度上升，進氣比熱容增大，缸內溫度降低，滯燃期延長。當噴油時刻為22.5°CA BTDC時，其滯燃期相對17.5°CA BTDC的滯燃期有所延長，這是因為在22.5°CA BTDC噴油時刻下缸內溫度壓力較低，混合燃料達到著火的時刻相對延長，滯燃期因此延長；當噴油時刻靠近上止點時，即使缸內溫度和壓力較高，但作用時間縮短，著火前活塞已經下行，滯燃期仍會延長。由曲線的變化趨勢可以得出:在17.5°CA BTDC附近存在最短的滯燃期。

EGR閥門開度和噴油正時對混合燃料燃燒持續期的影響如圖4所示。與滯燃期的變化趨勢相反，M20的燃燒持續時間隨噴油正時的提前呈先增大后減小的趨勢。在同一噴油正時下，隨著EGR率的增大燃燒持續期逐漸降低，這是因為:加入EGR之后滯燃期延長，油氣混合更加均勻，預混合燃燒充分并促進了M20的擴散燃燒；根據Donahue和Foster[11]的研究，在噴霧階段，混合燃料中的氧元素能降低熱解并促進氧化，燃燒持續時間因此縮短。

圖4 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對燃燒持續期的影響

2.3 CO排放

EGR閥門開度和噴油正時對CO排放的影響如圖5所示。CO是碳氫燃料在燃燒過程中生成的主要中間產物[12]，汽車排放污染物中的CO是燃油在氣缸內燃燒不充分所致。噴油時刻從2.5°提前到7.5°CA BTDC時，CO排放急速下降至很低水平，噴油時刻從7.5°提前至17.5°CA BTDC時，CO排放徐緩降至零；在2.5°-12.5°CA BTDC范圍內時，隨著EGR率的增加，CO排放量逐漸升高，當噴油提前角大于17.5°CA時，CO排放都保持為零，與 EGR率無關。

圖5 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對CO排放的影響

CO形成的條件是低溫缺氧，EGR率增大，氣缸內惰性氣體濃度增加，氧氣含量降低，不利于CO的氧化；當噴油時刻靠近上止點時，燃燒主要發生在活塞下行階段，較低的燃燒溫度為CO的形成提供了低溫條件；噴油提前角較大時，燃燒主要發生在上止點附近，缸內燃燒溫度、壓力升高，燃燒產生的不完全燃燒產物減少，CO排放降低；此外，混合燃料中的MF作為含氧燃料能降低燃燒過程的局部當量比并促進CO的氧化。

2.4 NO x排放

圖6為NOx排放隨EGR閥門開度和噴油正時變化的規律曲線。由圖可知:在同一噴油正時下，隨著EGR閥門開度的增加，NOx排放呈下降的趨勢；隨著噴油正時提前，NOx排放呈上升趨勢。這說明:推遲噴油和廢氣再循環有利于降低NOx排放。高燃燒溫度、高氧濃度和較長的高溫燃燒反應時間是促進NOx生成的主要因素。隨著EGR率的增加，惰性氣體濃度增加，氧濃度含量降低，燃燒溫度降低，抑制了NOx的生成，燃燒持續時間縮短，NOx在高溫燃燒條件下的生成反應減少，也降低了NOx排放。

圖6 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對NO x排放的影響

在相同的EGR閥門開度下，不同的噴油時刻會造成缸內燃燒溫度的不同，噴油提前角較大時，燃燒主要發生在上止點附近，缸內的燃燒溫度、壓力升高，促進了NOx排放，此外，MF中的氧元素對NOx排放也起到促進作用。本研究表明:適當的EGR率和噴油正時對降低柴油-MF混合燃料的NOx排放具有顯著意義。

2.5 碳煙排放

EGR閥門開度和噴油正時對碳煙排放的影響如圖7所示。由圖可知:除100%EGR閥門開度、噴油正時為2.5°CA BTDC工況下，碳煙排放保持在較低的水平，這說明:混合燃料對降低碳煙排放具有顯著的效果。文獻[13]中表明，混合燃料中的氧含量與碳煙的降低有很強的相關性。碳煙的生成主要發生在擴散燃燒階段，MF的加入會延長混合燃料的滯燃期，并促進了預混合燃燒，較少的混合燃料燃燒發生在擴散燃燒階段，降低了碳煙的生成。MF中的氧元素可促進燃燒階段碳煙以及碳煙先驅體的氧化，降低碳煙排放。

圖7 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對碳煙排放的影響

隨著EGR閥門開度的增大碳煙排放有所增加，這是因為較低的氧濃度和燃燒溫度不利于碳煙的氧化。當噴油時刻為靠近上止點的2.5°CA BTDC和EGR閥門開度為100%工況下，碳煙排放出現明顯升高，這是因為:在較高的EGR率下，氧濃度很低，燃燒不充分；此外，在較遲的噴油時刻下，燃燒發生在膨脹行程，遠離上止點，燃燒溫度降低；這兩方面的原因導致較高的碳煙排放。

2.6 碳煙顆粒尺寸分布

EGR閥門開度對碳煙顆粒尺寸分布函數(PSDF)的影響如圖8所示。當噴油時刻為7.5°CA BTDC時，增大EGR可以明顯降低顆粒物數量，這是因為:EGR的增大會導致滯燃期延長，而在有利于碳煙顆粒生成的擴散燃燒階段的燃燒持續時間縮短，更低的燃燒溫度也會抑制碳煙顆粒的氧化；而噴油時刻為17.5°CA BTDC時，EGR對降低顆粒數量的效果不明顯，滯燃期的縮短和擴散燃燒程度的增強會導致小顆粒的凝結和聚集，從而產生更多的大顆粒物。

圖8 不同EGR閥門開度對碳煙顆粒尺寸分布的影響

當顆粒尺寸大于300nm，EGR率為0時，碳煙顆粒的數目很少，EGR對大顆粒排放的影響較大，這是因為:在EGR的影響下，更多的小顆粒物凝結和聚集并產生更大的碳煙顆粒；此外，EGR的廢氣中含有上一循環的碳煙粒子，本循環生成的碳煙更容易聚集沉淀在這些顆粒物上面，使顆粒尺寸進一步增大，因此，在EGR的影響下會出現顆粒尺寸大于300nm的情況。

2.7 碳煙顆粒數量濃度

圖9為碳煙顆粒數量濃度隨噴油正時和EGR開度變化的柱狀圖。噴油正時為2.5°-12.5°CA BTDC時，隨著EGR率的增加，顆粒物數量濃度明顯降低；而在噴油正時為17.5°和22.5°CA BTDC時，EGR的加入對顆粒物數量濃度的影響較小。顆粒物的數量濃度主要受峰值顆粒數的影響，噴油正時為7.5°CA BTDC時，無EGR影響時的顆粒數量濃度最高，隨著EGR閥門開度的增大顆粒物的數量逐漸降低，滯燃期和燃燒溫度對顆粒數量的降低起到關鍵作用。

圖9 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對碳煙顆粒數量濃度的影響

2.8 碳煙顆粒質量濃度

碳煙顆粒質量濃度隨噴油正時和EGR開度的變化曲線如圖10所示。由圖可知:碳煙顆粒質量濃度隨噴油正時變化總的趨勢是隨著噴油正時提前，碳煙顆粒質量濃度先增高后降低；而其隨EGR開度的變化，卻未呈現明顯的規律性，噴油時刻靠近上止點時，在EGR的影響下，顆粒質量濃度呈下降趨勢；而噴油時刻在 12.5°-22.5°CA BTDC范圍時，在EGR的影響下顆粒質量濃度呈上升趨勢。顆粒質量濃度主要受大尺寸顆粒的影響，噴油正時為7.5°CA BTDC時，EGR可明顯降低尺寸為 100～300nm的碳煙顆粒數量，而噴油正時為17.5°CA BTDC時，EGR對尺寸為100～300nm的碳煙顆粒的影響不明顯。

圖10 M20不同EGR閥門開度和噴油正時對顆粒質量濃度的影響

3 結論

(1)隨著EGR增大，MF-柴油混合燃料柴油機的缸內壓力峰值和放熱率峰值逐漸下降；噴油正時為17.5°CA BTDC時的缸內壓力峰值明顯高于噴油正時為7.5°CA BTDC時的缸內壓力峰值。

(2)相同的噴油正時下，增大EGR，滯燃期延長；在相同的EGR閥門開度下，隨著噴油正時的提前，滯燃期先縮短后延長，并在17.5°CA BTDC時達到最短。MF-柴油混合燃料柴油機的燃燒持續期與滯燃期呈現相反的變化趨勢。

(3)增大EGR，CO排放逐漸升高，當噴油提前角大于17.5°CA BTDC時，CO排放幾乎為零。

(4)推遲噴油和廢氣再循環可明顯降低NOx排放；MF-柴油混合燃料對降低柴油機碳煙排放具有顯著的效果。

(5)噴油時刻靠近上止點，EGR可降低碳煙顆粒質量濃度，噴油提前角較大時，EGR使顆粒質量濃度升高。