丁醇汽油混合燃料在缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒特性研究

王鴻雨，孫哲，李雪松，許敏

(上海交通大學(xué)智能汽車研究所，上海 200240)

化石能源由于其能量密度高、開采成本較低的優(yōu)勢(shì)，即使在運(yùn)載工具如汽車等逐步電氣化的現(xiàn)狀下，仍是長(zhǎng)期重要的能源利用形式。但傳統(tǒng)化石能源如石油等也不可避免地存在能源短缺和環(huán)境污染的重大問題。因此，可再生的碳基燃料如醇類燃料作為一種環(huán)保型的汽油替代燃料，具有來(lái)源廣泛、燃燒過程更加充分的優(yōu)勢(shì)，有助于提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和有效控制有害物的排放，被認(rèn)為是一種清潔的可再生能源[1-2]。而在各類醇類燃料中，丁醇的能量密度相較于甲醇、乙醇更高，毒性和腐蝕性比甲醇和乙醇更小，且生物丁醇與汽油的互溶性更好，熱值僅比汽油略低。因此可通過在汽油中摻混丁醇制成替代燃料，以此來(lái)改善直噴汽油機(jī)的燃燒過程[3-4]。

丁醇有4種不同的分子結(jié)構(gòu)，4種丁醇異構(gòu)體包括正丁醇、仲丁醇、叔丁醇和異丁醇。由于丁醇燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒表現(xiàn)方面的諸多優(yōu)勢(shì)[5]，各地學(xué)者針對(duì)丁醇生物燃料在汽油機(jī)上的應(yīng)用展開了大量的研究。Popuri等[6]通過在汽油中摻混甲醇、乙醇和異丁醇進(jìn)行了不同混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)與甲醇和乙醇相比，異丁醇燃料在不同的點(diǎn)火正時(shí)與空燃比下均表現(xiàn)出更好的熱效率、動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。Irimascu[7]研究了汽油、異丁醇和異丁醇-汽油(異丁醇摻混比50%)在進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)內(nèi)的燃料轉(zhuǎn)換效率。研究結(jié)果表明，相比汽油燃料，異丁醇-汽油燃料轉(zhuǎn)換效率提升6%，而異丁醇燃料轉(zhuǎn)換效率下降9%。柳茂斌等[8]研究了不同摻醇比例下正丁醇-汽油與乙醇-汽油均質(zhì)充量壓縮著火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與非常規(guī)排放特性，研究結(jié)果表明，使用正丁醇-汽油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)期更短，芳香烴的排放顯著降低。胡志遠(yuǎn)等[9]研究了不同體積混合比下汽油-丁醇混合燃料在電控進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射汽油機(jī)中的非常規(guī)排放特性，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用丁醇-汽油混合燃料的動(dòng)力性、SO2排放和溫室氣體排放顯著降低，且降低幅度隨混合燃料中丁醇體積混合比的增加而增大。現(xiàn)有針對(duì)汽油摻混丁醇的不同異構(gòu)體的燃燒可視化研究較為有限。本研究基于一臺(tái)光學(xué)直噴單缸機(jī)，針對(duì)各類丁醇異構(gòu)體與甲苯標(biāo)準(zhǔn)參考燃料(TPRF)的混合燃料進(jìn)行了可視化研究，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性參數(shù)及缸壓進(jìn)行了對(duì)照分析。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及分析方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，本研究在一臺(tái)單缸、水冷、四沖程缸內(nèi)直噴光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試并研究了TPRF燃料以及TPRF與正丁醇、異丁醇、仲丁醇以及叔丁醇以TPRF70%，丁醇30%配比的燃料混合物(分別表示為TPRF、TPRF-nB、TPRF-iB、TPRF-sB、TPRF-tB)的燃燒以及火焰生成和發(fā)展過程。發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格及運(yùn)行詳細(xì)參數(shù)如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)AVL交流測(cè)功機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)缸套溫度由裝有循環(huán)水套的金屬襯套控制。采用AVL臺(tái)架冷卻液及潤(rùn)滑油供給調(diào)節(jié)裝置，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和油溫保持在60 ℃，誤差在±1 ℃。通過電子節(jié)流閥使進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)在63 kPa，渦流比控制在0.55。發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)采用一個(gè)8孔噴油器，噴油器安裝在氣缸頂部，火花塞安裝于噴油器旁側(cè)。

圖1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及測(cè)試工況

試驗(yàn)通過光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)各類型燃料進(jìn)行了230個(gè)循環(huán)的測(cè)試和記錄。通過Kibox燃燒分析儀(2893A)、壓電壓力傳感器(Kistler 6125A)和電荷放大器(5064型)的測(cè)量和分析，獲得了最小刻度為0.1°曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)壓力曲線圖。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)置和控制發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電子控制參數(shù)，并通過一個(gè)同步器來(lái)保持各電子信號(hào)同步。

缸內(nèi)火焰的可視化通過45°反射鏡與安裝有石英玻璃窗口的活塞組成的光學(xué)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)測(cè)試過程中，使用一臺(tái)配備蔡司50 mm f/1.4鏡頭的高速RGB相機(jī)(HX-5E,NAC)，在給出點(diǎn)火信號(hào)的同時(shí)記錄火焰圖像，相機(jī)的拍攝頻率為12 kHz，曝光時(shí)間為83.3 μs，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的拍攝頻率為2 幀/(°)，拍攝的圖像分辨率為547×607像素,像素位深度設(shè)置為12位。在以上測(cè)試條件下，試驗(yàn)記錄了自火花塞點(diǎn)火-13°ATDC開始至87°ATDC的200張連續(xù)的火焰圖像，并連續(xù)記錄230個(gè)循環(huán)。

1.2 圖像處理方案

圖2示出采用的圖像處理方法。火焰圖像以RGB三通道格式進(jìn)行存儲(chǔ)，各通道數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)于相應(yīng)的數(shù)值矩陣中。首先將采集到的原始圖像裁剪為恰能包括整個(gè)圓形光學(xué)窗口的正方形，并將圓形窗口以外的部分亮度設(shè)置為0，以消除反射光干擾。將裁剪后圖像的RGB三通道強(qiáng)度值放大相同倍數(shù)，生成增強(qiáng)圖像。并選擇合適的閾值進(jìn)行圖像二值化處理，將亮度高于閾值的區(qū)域作為火焰區(qū)域，本次所選閾值為0.026。二值化處理后，再進(jìn)行中值濾波處理，得到火焰邊界及火焰面積。整個(gè)圖像處理過程均通過MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)。

圖2 火焰圖像處理過程

2 結(jié)果及討論

2.1 火焰發(fā)展過程分析

為獲得更好的顯示效果，選取典型循環(huán)的-10°～10°曲軸轉(zhuǎn)角(ATDC)范圍內(nèi)的火焰圖像進(jìn)行進(jìn)一步降噪和增強(qiáng)，得到5種替代燃料的火焰?zhèn)鞑D像(見圖3)。

圖3 TPRF-丁醇燃料的典型循環(huán)火焰發(fā)展情況

由圖3可知，該曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的火焰圖像反映了從早期點(diǎn)火到CA10的火焰結(jié)構(gòu)演變。火焰自-13°ATDC點(diǎn)火開始完成火核生成，在-10°～-5°ATDC階段火核逐漸變大，向氣缸壁方向傳播。在-5°ATDC時(shí)刻，TPRF、TPRF-nB、TPRF-iB、TPRF-sB的火焰已經(jīng)進(jìn)入向外發(fā)展的過程，而TPRF-tB的火核僅初步形成。在整個(gè)傳播過程中，TPRF-nB的表觀火焰面積一直大于其他4種燃料，表明TPRF-nB火焰在5種燃料中發(fā)展速率最快。這是因?yàn)樵谡〈既紵磻?yīng)的路徑中幾乎不產(chǎn)生穩(wěn)定的C4H8，因而燃料活性較強(qiáng)，導(dǎo)致火焰速度更快，燃燒過程加快。

圖3中的火焰圖像還表現(xiàn)出不同測(cè)試燃料之間亮度分布的一些差異。TPRF-nB的火焰圖像最大亮度最高，在中心形成較為明顯的紫藍(lán)色亮斑，表明TPRF-nB火焰的色相度范圍更寬，燃燒更為充分。此外，在TPRF-丁醇混合燃料的火焰圖像中可見更多的黃色斑點(diǎn)。這可能是由于丁醇混合物的燃料霧化不良，產(chǎn)生更多粒徑更大的燃料液滴，導(dǎo)致局部擴(kuò)散燃燒。

圖4示出了TPRF-丁醇燃料的瞬時(shí)火焰速率曲線。將數(shù)字圖像處理得到的二值圖轉(zhuǎn)換為相等面積下的圓，根據(jù)相鄰火焰圖像的圓半徑之差即可計(jì)算得到瞬時(shí)火焰速率[10]。速度圖像的結(jié)果表明，在-7°～0°ATDC范圍內(nèi)，5種燃料的瞬時(shí)火焰速率由大到小依次為TPRF-nB，TPRF，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB。由此可見，在TPRF燃料中加入正丁醇，提高了火焰發(fā)展過程前半段的傳播速度。而叔丁醇對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊呢?fù)面影響最為嚴(yán)重，這是由于叔丁醇在反應(yīng)路徑中會(huì)產(chǎn)生大量穩(wěn)定的C4H8，導(dǎo)致反應(yīng)活性減弱，層流火焰速度降低，且在5°～7°ATDC范圍內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤赡苡捎谌紵环€(wěn)定而產(chǎn)生較大波動(dòng)。在-8°ATDC附近，TPRF-tB的火焰速率突然增加，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)于從火核產(chǎn)生到火焰開始向外傳播的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖4 TPRF-丁醇燃料的瞬時(shí)火焰速率

圖5示出了火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰面積相對(duì)于整個(gè)圓形光學(xué)窗口面積的面積比變化情況。由于光學(xué)通道窗口的限制，最大半徑為31 mm，當(dāng)火焰完全到達(dá)光學(xué)窗口邊緣時(shí)，面積比達(dá)到1。由圖中可看出，在相同曲軸轉(zhuǎn)角下，5種燃料的火焰面積比由大到小依次為TPRF-nB，TPRF，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB，該規(guī)律與瞬時(shí)火焰速率的結(jié)果相同。圖4中的火焰速率曲線也同時(shí)表明了火焰區(qū)域與光學(xué)窗口的面積比曲線的斜率變化情況，在火焰發(fā)展后期，TPRF-nB的火焰速率明顯降低，因此TPRF-nB的火焰面積比增長(zhǎng)速度減緩，在13°ATDC時(shí)刻已與TPRF的火焰面積比接近。

圖5 TPRF-丁醇燃料火焰區(qū)域與光學(xué)窗口的面積比

2.2 燃燒性能分析

TPRF-丁醇燃料的燃燒持續(xù)期及著火延遲期如圖6所示。所有丁醇同分異構(gòu)體的添加均具有延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期的作用，該現(xiàn)象主要由火焰速度不同導(dǎo)致。在摻混丁醇的TPRF燃料中，TPRF-nB的燃燒速度最快，而TPRF-tB的的燃燒速度最慢，5種燃料的燃燒持續(xù)期由小到大依次為TPRF，TPRF-nB，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB。另外，除正丁醇外，所有丁醇同分異構(gòu)體都會(huì)延長(zhǎng)燃料燃燒的著火延遲期，原因是丁醇本身的黏性較大，導(dǎo)致燃料噴霧液滴粒徑增大，因此延長(zhǎng)了油氣混合時(shí)間。且丁醇的加入也會(huì)提升燃料汽化潛熱，進(jìn)而使燃料汽化時(shí)間延長(zhǎng)，同樣會(huì)導(dǎo)致著火延遲期的延長(zhǎng)。而TPRF-nB的火焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^快，因而使得著火延遲期相較于TPRF更短。

圖6 TPRF-丁醇燃料燃燒持續(xù)期與著火延遲期

圖7示出TPRF-丁醇燃料的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比結(jié)果。從TPRF燃料和添加丁醇后混合燃料的對(duì)比可得出，丁醇的添加均使得缸內(nèi)壓力降低。由于丁醇及其異構(gòu)體的汽化潛熱均高于正庚烷，所以在燃燒過程中，需要吸收更多的熱量進(jìn)行燃料汽化，導(dǎo)致燃料蒸發(fā)速率減緩，使得缸內(nèi)壓力降低。另外，丁醇的熱值相較于正庚烷更低，因此其燃燒過程中放熱量更少，缸壓峰值也隨之降低。另外，丁醇的異構(gòu)體中，熱值由大到小依次為TPRF-nB，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB，導(dǎo)致添加4種丁醇同分異構(gòu)體后缸內(nèi)壓力表現(xiàn)出不同程度的降低，正丁醇的熱值最高，而叔丁醇的熱值最低，因而正丁醇峰值壓力最高，叔丁醇峰值壓力最低。

圖7 TPRF-丁醇燃料的缸壓曲線對(duì)比

最終，試驗(yàn)測(cè)得了5種TPRF-丁醇燃料的平均有效指示壓力。平均有效指示壓力可反映出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。與TPRF相比，燃用TPRF-nB、TPRF-iB、TPRF-sB和TPRF-tB，平均有效指示壓力分別下降了2.9%，4.8%，5.1%，5.8%。由于丁醇相較于TPRF燃料的熱值更低，因此燃用摻混丁醇的TPRF燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效指示壓力均降低。另外，正丁醇的熱值在丁醇的同分異構(gòu)體中最高，且在火焰?zhèn)鞑ミ^程中具有最快的火焰速率，因此在TPRF-丁醇的混合燃料中，燃用TPRF-nB具有最高的平均有效指示壓力。

圖8 TPRF-丁醇燃料的平均有效指示壓力

3 結(jié)論

a) 在TPRF和TPRF與不同的丁醇同分異構(gòu)體的混合燃料中，燃用TPRF-nB的火焰速率及火焰面積擴(kuò)張速率最快，而后依次是TPRF，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB；

b) TPRF內(nèi)摻混丁醇會(huì)延長(zhǎng)著火延遲期和燃燒持續(xù)期；

c) 由于丁醇的熱值低于TPRF燃料，所以TPRF摻混丁醇會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效指示壓力降低，降低幅度由小到大依次為TPRF-nB，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB。