納米Al2O3對甲醇/柴油摻混燃料燃燒及排放特性的影響研究

陳雪鋒, 衛將軍, 劉 屹

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,為了解決全球石油需求增長過快帶來的石油供給不足問題,同時滿足日趨嚴格的排放法規的要求[1],國內外眾多學者對柴油機清潔可再生替代燃料和燃油添加劑進行了大量的研究。在眾多替代燃料中,甲醇因具有高汽化潛熱、產量豐富、常溫常壓下為液態、經濟性好等優點,被認為是最有前景的替代燃料之一[2]。

目前,甲醇應用于柴油機的方式主要有2種:① 采用進氣道噴射甲醇、缸內噴柴油的雙燃料協同燃燒方式[3];② 采用助溶劑(或乳化劑)將甲醇溶于柴油進而直接噴入缸內燃燒[4]。后者相比于前者因不需要對發動機進行大的改動而倍受青睞。已有研究表明,柴油中摻混甲醇可優化缸內燃燒,提高發動機燃燒熱效率[5],降低發動機氮氧化合物(NOx)和顆粒物(particulate matter,PM)排放[6],但會導致碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放增加[7]。

此外,近年來納米顆粒材料技術獲得了長足的發展,內燃機研究者們將納米顆粒添加到柴油機燃料中進行試驗,發現其能促進燃料的霧化,加速熱量傳遞,并能有效地改善燃料燃燒,降低發動機污染物排放[8]。在眾多納米顆粒添加劑中,納米AL2O3因其具有成本低廉、催化燃燒及減排性能優良而受到更廣泛的關注。文獻[9]在水柴油乳化燃料中摻混納米AL2O3顆粒,并在單缸四沖程柴油機上進行試驗,發現發動機性能顯著提高,HC、NOx和碳煙排放降低,CO排放略有升高；文獻[10]研究了以納米AL2O3、乙醇和異丙醇的混合物作為添加劑對大豆生物柴油-柴油混合燃料的影響,結果表明最大爆發壓力和放熱率峰值增加,制動熱效率提高,同時觀察到排氣溫度降低，CO和HC排放均降低。

為了充分發揮甲醇和納米顆粒添加至柴油中所表現出的優勢,本文選取納米AL2O3作為添加劑,探究其對于甲醇/柴油摻混燃料的燃燒和排放性能的影響。研究結果旨在為甲醇替代燃料以及燃油添加劑在柴油機上的應用提供一定的理論指導。

1 試驗裝置、燃料及方法

1.1 試驗裝置

試驗在常柴ZS1100單缸直噴柴油機上進行,該柴油機技術參數見表1所列。其中，BTDC表示上止點前。

表1 試驗用ZS1100柴油機參數

本試驗在轉速1 400 r/min時,測定不同油門開度(25%、50%、75%、100%)下發動機的燃燒及排放參數。試驗使用AVL GH14D缸壓傳感器、KISTLER 5018型電荷放大器及AVL HR-CA-B1燃燒分析儀測定缸內壓力及燃燒特性參數;使用HORIBA MEXA-584L型尾氣分析儀采集分析CO、HC、NOx等排放數據;使用AVL Dismoke 4000不透光煙度儀測量發動機的煙度排放。主要測試設備見表2所列。

表2 主要測試設備及精度

發動機每個工況運轉穩定后,采取3次數據取平均值以減少測量誤差 (每組測量數據的相對偏差不能超過3%)。

1.2 燃料配置

試驗用基礎燃料為市售0#柴油和99.9%分析純甲醇。由于甲醇與柴油互溶性差,通常需要添加一定體積的助溶劑,如異辛醇、正辛醇和正十二醇等。但助溶劑(添加量一般較大)勢必會對柴油機燃燒及排放產生影響,進而不能真實反映甲醇對柴油機的作用效果。因此，本研究采用機械處理的方法配置及供給甲醇/柴油摻混燃料和納米流體燃料。

試驗測試燃料包括D100(純柴油)、M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100等5種。其中:M10為體積比10%甲醇和90%柴油摻混后,先通過40 kHz超聲處理30 min,再在125 r/min下機械攪拌30 min制得；M10AL25、M10AL50和M10AL100分別表示在M10中添加0.002 5%、0.005 0%、0.010 0%的納米AL2O3而制得的納米流體燃料。配置過程中需向M10中加入體積比0.2%的表面活性劑(Triton X-100),并經40 kHz超聲處理30 min。配置成的納米流體燃料能維持3～5 d不分層且無明顯沉淀現象,即保證其具有良好的分散性和穩定性。

試驗用納米AL2O3參數見表3所列。試驗用柴油及甲醇理化特性見表4所列。

表3 試驗用納米AL2O3參數

表4中:密度為20 ℃時的值;運動黏度為40 ℃時的值。

表4 試驗用燃料理化特性

2 試驗結果分析

2.1 燃燒特性

不同負荷(25%、50%、75%、100%)下各燃料缸內壓力和放熱率曲線如圖1所示。其中，ATDC表示上止點后。

從圖1可以看出,隨著負荷的增加,由于發動機循環噴油量增加,缸內峰值壓力逐漸增加。

圖1 不同負荷下各燃料缸內壓力和燃燒放熱率曲線

在低負荷(25%)下,燃用M10比D100缸內峰值壓力降低,且燃燒始點推遲,放熱率峰值增加;這是由于低負荷下缸內溫度較低,甲醇高汽化潛熱使燃油霧化困難,預燃混合氣的形成惡化,降低了缸內峰值壓力,而燃燒始點推遲導致預混和燃料增多,從而放熱率峰值增大。而在50%、75%、100%負荷下,M10比D100缸內峰值壓力大,燃燒始點提前;這是由于負荷增加后缸內溫度逐漸升高,甲醇高汽化潛熱的影響被削弱,同時甲醇低沸點和低運動黏度的特性可以促進燃油的霧化,使預燃混合氣的形成速率加快，燃燒始點因此提前,缸內峰值壓力也升高。該試驗得出的規律符合其他研究[11]中甲醇摻燒對柴油機燃燒的影響規律。

從圖1還可以看出,M10中加入納米AL2O3顆粒后,各負荷下的缸內峰值壓力和放熱率峰值均有增加,同時燃燒始點略微提前。低負荷下,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100納米流體燃料的缸內峰值壓力相較于M10(6.05 MPa)分別增加0.4、1.0、1.7 MPa,放熱率峰值相較于M10(48.5 J/°CA)分別提高2.1%、4.3%、5.8%;滿負荷下,M10AL25、M10AL50、M10AL100的缸內峰值壓力相較于M10(8.53 MPa)分別增加0.6、1.4、2.1 MPa,放熱率峰值比M10(78.9 J/°CA)分別提高6.2%、10.6%、12.2%。

此結果表明,納米Al2O3優化了缸內燃燒,促使缸內峰值壓力和放熱率峰值提高,這可能與納米Al2O3的比面積大、表面活性高和傳質導熱性良好等特性有關。一方面較大的比表面積可使空氣與燃料充分接觸，促進燃料完全燃燒;另一方面較高的表面活性和良好的傳質導熱性可以加快燃燒速率。兩方面因素共同導致缸內峰值壓力和放熱率峰值的提高。早期文獻[12]在水乳化柴油中添加納米鋁顆粒并在單缸柴油機上試驗,結果發現缸內峰值壓力和放熱率峰值均升高,并推測此現象與納米鋁表面的氧化鋁有關;在文獻[13]的研究中詳細介紹了10～50 mg/L的納米AL2O3添加劑對于生物甲酯/柴油共混燃料燃燒的影響,結果表明30 mg/L的納米AL2O3效果最佳,燃燒峰值壓力和放熱率峰值分別提升了4.5%和14.0%。

著火延遲期(噴油時刻到放熱率達10%時所經歷的曲軸轉角)和CA50(放熱率達50%時對應的曲軸轉角)的變化規律分別如圖2所示。其中，ATDC表示上止點后。

圖2 不同負荷下各燃料著火延遲期和CA50的變化規律

從圖2可以看出,隨著負荷的增加(25%～100%),著火延遲期逐漸縮短,CA50逐漸增大。這是由于隨著負荷的增大缸內燃燒溫度升高,促進了燃料霧化及混合氣形成,使得燃燒提前;但噴油量的增加導致燃燒持續期延長,CA50隨之延后。低負荷(25%)下燃用M10，與燃用D100相比,著火延遲期略微增加,這是由于低負荷下缸內平均溫度較低,甲醇高汽化潛熱降低了燃油霧化效果，使著火延遲期延長;而當負荷增加,燃用M10的著火延遲期相較于D100均減小,這是由于缸內平均溫度隨負荷的增加而升高,使得甲醇汽化潛熱大的影響被削弱。此外,各負荷下燃用M10，與D100相比,CA50均減小,這是由于甲醇自身高含氧特性可以加速燃料燃燒,促使缸內燃燒持續期縮短,CA50提前。

與M10相比,各負荷下燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的著火延遲期均有一定的程度縮短；這可能是納米Al2O3添加劑改善了甲醇低十六烷值的影響,使燃油著火性提升,從而縮短著火延遲期。同時可以看出,隨著添加劑量的增多,著火延遲期的縮短程度越來越明顯。其中,低負荷下燃用M10AL100的著火延遲縮短最多，達到0.65 °CA。

此外,各負荷下M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100的CA50呈現依次從大到小的規律。其中,低負荷下燃用M10AL100的CA50提前程度最大,為0.68 °CA。添加納米Al2O3使CA50提前可能是由于其較大的比表面積加快了燃油的燃燒速率，使得燃燒持續期縮短。文獻[14]通過在熱板上進行的液滴點火試驗發現，納米Al2O3可以改善柴油的著火性;文獻[15]在柴油機上的試驗發現，燃用添加納米Al2O3的乙醇/生物柴油/柴油混合燃料的著火延遲期縮短了0.24～0.72 °CA。

燃油消耗率和熱效率是衡量發動機經濟性能的重要指標。不同負荷下各燃料燃油消耗率和制動熱效率的變化規律如圖3所示。

圖3 不同負荷下各燃料燃油消耗率和制動熱效率的變化規律

從圖3可以看出,隨著負荷的增加,燃油消耗率下降,制動熱效率增加。各負荷下,燃用M10均比燃用D100的燃油消耗率增加,制動熱效率升高。這是由于甲醇低熱值比柴油低,導致輸出相同功率的燃油消耗率增加;但甲醇的含氧特性使熱釋放速率加快,從而提高了燃料的制動熱效率。相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的燃油消耗率呈降低趨勢,制動熱效率呈升高趨勢,且添加劑量越多該趨勢越明顯。這與上文對于燃燒規律的分析結果一致,即納米Al2O3對于燃燒起優化作用,使得燃料燃燒更加充分。

對比發現,中高負荷(75%)下燃用M10AL100的燃油消耗率降低幅度最大，達到3.1%,制動熱效率升幅最大，達到3.2%。各研究顯示納米Al2O3對于不同燃料的燃油消耗率和制動熱效率的改善幅度不同。文獻[16]發現純柴油添加納米Al2O3后燃油消耗率降低0.6%,制動熱效率提升1.1%;文獻[17]將納米Al2O3添加至甲酯/柴油混合燃料,結果顯示燃油消耗率降低6%,制動熱效率提升10%。

不同負荷下各燃料排氣溫度的變化規律如圖4所示。

圖4 不同負荷下各燃料排氣溫度的變化規律

從圖4可以看出,隨著負荷增加,排氣溫度呈升高趨勢。這是由于燃燒的燃料隨負荷的增加而增多,而更多的燃料燃燒放熱使得缸內燃燒溫度升高。

各負荷下隨著燃料的變化,排氣溫度均按D100、M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100的順序依次增加。該規律表明添加甲醇和納米Al2O3對燃料燃燒均具有優化作用,同時熱釋放量隨之增加,最終導致排氣溫度逐漸升高，納米Al2O3的優化作用隨著添加量的增多而更加明顯。在排溫影響上，其他文獻研究的結果不盡相同。文獻[18]在單缸柴油機上的研究表明,純柴油中添加納米Al2O3會使排氣溫度上升;但同樣在單缸柴油機上進行試驗,文獻[13]發現甲酯/柴油混合燃料中添加納米Al2O3使排氣溫度顯著降低。

2.2 排放特性

CO排放隨負荷變化的規律如圖5所示。

圖5 CO排放隨負荷變化的曲線

從圖5可以看出,隨著負荷的增加，各燃料CO排放均呈升高趨勢。這主要是由于空燃比隨負荷的增大而減小,缸內局部缺氧現象逐漸嚴重,燃料燃燒不完全,CO排放隨之增加。各負荷下燃用M10的CO排放比D100均有明顯降低，這得益于甲醇高含氧特性對于局部缺氧現象的緩解作用，相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100等的CO排放均有一定幅度的降低,且降幅隨添加劑量的增多而加大。這可能是由于納米Al2O3改善了混合氣的形成,抑制了局部缺氧區域的形成；此外,納米Al2O3的催化氧化特性加強了O2對CO的氧化作用。其中,燃用M10AL100在滿負荷下降幅最大,與M10相比達49%，這可能是因為滿負荷下較高的燃燒溫度增強了納米Al2O3的催化氧化活性。

納米顆粒添加劑由于具有高反應活性和催化氧化性而被期望能夠大幅降低CO排放。文獻[19]研究表明，納米Al2O3可以降低生物柴油/柴油混合燃料的CO排放達56.6%;但不是所有納米顆粒添加劑都對CO排放有降低作用,文獻[20]研究發現納米FeCl3顆粒會略微增加CO排放。

未燃HC排放隨負荷變化的曲線如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著負荷的增加，各燃料未燃HC排放逐漸升高。這是由于噴油量隨負荷的加大而增多，油氣混合過稀區域增加,更多燃料無法完全燃燒導致HC排放升高。各負荷下隨著燃料的變化,燃用M10產生的HC排放相較于D100均顯著增加。這時甲醇沸點較低,易從噴霧油束中蒸發并在油束外圍與空氣混合形成低溫、過稀的混合氣,該區域的燃料更難完全燃燒,導致更多的HC排出。相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100等的HC排放均隨添加劑量的增加而呈遞減的趨勢。這可能是由于納米Al2O3良好的傳質導熱性抑制了低溫、過稀的混合氣,減少了HC的生成。此外,在燃燒后期納米Al2O3的催化特性可使HC繼續被氧化而減少。M10添加納米Al2O3后,各負荷下對于HC排放的降低幅度為10.0%～32.4%。文獻[21]研究表明，添加納米ZnO和TiO2后HC排放分別降低23%～35%和11%～29%;文獻[22]研究顯示,納米Si和納米Al會分別增加4%和9%的HC排放。

圖6 未燃HC排放隨負荷變化的曲線

各燃料NOx排放隨負荷變化的曲線如圖7所示。

圖7 NOx排放隨負荷變化的曲線

從圖7可以看出,25%～75%負荷下，各燃料NOx排放隨負荷的增加均呈上升趨勢,而在100%負荷時下降。這是由于25%～75%負荷下空燃比相對較大,燃料始終處于富氧燃燒,NOx排放受燃燒溫度升高的影響而逐漸增多；但達到100%負荷時空燃比急劇降低,NOx排放受氧氣濃度限制而降低。這與文獻[23-24]在ZS1100柴油機上的研究結果一致。各負荷下燃料性質的不同對于NOx排放的影響規律如下:① 低負荷下燃用M10的NOx排放比D100略低,而負荷增加后M10的NOx排放均高于D100；這是由于低負荷的缸內平均溫度較低,受甲醇高汽化潛熱影響明顯,燃燒溫度降低,導致NOx生成量減少；但隨著負荷增加,缸內平均溫度升高，削弱了高汽化潛熱的影響,而甲醇高含氧特性對于燃燒的優化作用使得燃燒溫度升高,NOx排放物生成量隨之增多；② 相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的NOx排放均呈依次增加趨勢；這是由于納米Al2O3優化燃燒使缸內的燃燒溫度升高,NOx生成速率加快；其中,燃用M10AL100相比于M10在各負荷下對NOx排放的增幅為3.2%～10.0%。

同樣在單缸柴油機上的試驗,文獻[25]在生物柴油/柴油混合燃料中添加納米Al2O3也發現NOx排放增加了4.80%～7.95%;但文獻[26]研究發現，純柴油中添加納米Al2O3會使NOx排放降低6%。

各燃料碳煙排放(不透光率)的變化規律如圖8所示。

圖8 碳煙排放(不透光率)隨負荷的變化曲線

從圖8可以看出,隨著負荷的增加碳煙排放呈升高趨勢。這是由于隨負荷的增加噴油量增多,導致混合氣過濃的缺氧區域增加；同時噴油持續期也隨負荷增加而延長,擴散燃燒比例隨之加大。2個因素都會加劇燃料的不完全燃燒而增加碳煙的生成量,最終導致碳煙排放升高。相較于D100,燃用M10在各負荷下的碳煙排放均有明顯的降低。這主要是由于甲醇屬于含氧燃油,可加速混合氣的形成,即抑制混合氣過濃區域的出現,碳煙的生成量也隨之降低。除此之外,柴油裂解所產生的C—C鍵是碳煙初期成核的關鍵,而甲醇為不含C—C鍵的單碳醇,這就抑制了碳煙初期的成核過程,從而降低碳煙的生成量。相較于M10,各納米流體燃料M10AL25、M10AL50、M10AL100的碳煙排放均呈降低趨勢,且隨著添加劑量的增大降低的趨勢越明顯。其中,燃用M10AL100的碳煙排放相較于M10在各負荷下分別降低了43%、47%、35%、30%。因為納米Al2O3一方面可以加速燃油霧化,減少混合氣過濃區域的形成,抑制碳煙的生成；另一方面其較大的比表面積使得燃油與空氣充分接觸,燃燒更加充分,從而減少碳煙的生成量。

碳煙作為柴油機最主要的排放,眾多學者都試圖找到對其改善效果最佳的納米添加劑。文獻[27]研究發現，納米CuO2添加至生物柴油能降低碳煙排放8.1%～18.7%;文獻[28]中報導Ag2O能降低碳煙排放18.0%～31.8%;文獻[29]研究了納米CeO2對于生物柴油影響,結果顯示碳煙排放降低了6.4%～19.8%。

3 結 論

(1) 柴油中添加甲醇，低負荷下,缸內峰值壓力及放熱率峰值降低,燃燒始點推遲,滯燃期延長;高負荷下,峰值壓力升高且燃燒始點提前,放熱率峰值無明顯變化。柴油中添加甲醇會加速燃燒過程,使CA50在各負荷下都提前。納米Al2O3的添加優化了甲醇/柴油摻混燃料的燃燒,使得缸內峰值壓力及放熱率峰值升高,燃燒始點提前,滯燃期縮短,CA50減小,且隨著納米Al2O3添加量的增加,優化程度更加明顯。

(2) 柴油中添加甲醇會使發動機燃油消耗率升高,制動熱效率增加;添加納米Al2O3后燃油消耗率均有一定幅度的降低,制動熱效率進一步提高。這說明添加納米Al2O3有效地提高了甲醇/柴油摻混燃料的燃油經濟性,且隨著納米Al2O3添加量的增加,發動機燃油經濟性越來越好。研究發現,燃用納米流體燃料的燃油消耗率可降低3.1%,制動熱效率提升3.2%。此外,排氣溫度也因納米Al2O3的添加而升高,且隨著添加量的增加發動機排氣溫度越來越高。

(3) 與柴油相比,燃用甲醇/柴油摻混燃料使CO排放降低,HC及NOx排放增加,碳煙排放減少。添加納米Al2O3后,發動機CO、HC和碳煙等排放均有較大幅度的降低,且隨著納米Al2O3添加量的增加,降低幅度更加明顯。研究表明,甲醇/柴油摻混燃料中添加0.010 0%納米Al2O3后,發動機CO、HC和碳煙的排放分別降低了49.0%、32.4% 、47.0%；然而納米Al2O3的添加使發動機NOx排放增加,但增加幅度低于10%。

綜上所述,在甲醇/柴油摻混燃料中添加納米Al2O3不僅可以優化燃燒過程(較低的燃油消耗及較高的熱效率),還能較大幅度地降低污染物排放(CO、HC和碳煙排放明顯降低)。因此,金屬納米添加劑在燃料中的應用可為甲醇替代燃料在柴油機上的應用和推廣提供新思路。