加氫催化生物柴油引燃汽油可視化

相英杰，王 謙，劉 旭，曹禮軒

(江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013)

為了應對全球環境問題，我國部分地區開始實施國家第六階段機動車污染物排放標準(簡稱國六排放標準)，更高的排放標準和新一代電動汽車的逐漸普及促進了內燃機行業對新技術的研發與突破，針對新型燃燒方式與新能源的開發逐漸成為技術主流。與傳統柴油機燃燒模式相比，低溫燃燒技術[1]能夠實現更環保的排放。均質充量壓縮燃燒(HCCI)是一種低溫燃燒的策略，具有較高的熱效率、更低的熱損失和更短的燃燒持續期[2]，但它的點火正時完全由被壓力、溫度和混合物組分支配的化學反應動力學控制[3]。為了能夠像柴油機控制噴油正時或汽油機控制火花塞點火時刻一樣控制燃燒相位，研究者提出部分預混合燃燒策略(PCCI)[4]，采用早噴或晚噴策略使發動機在著火前將燃油混合，改善HCCI放熱率與壓力升高率過大的問題。為了擺脫PCCI對于柴油機高廢氣再循環率(EGR)的依賴，使其能夠在全負荷下實現低溫燃燒，將低活性燃油作為燃料的發動機具有更長的滯燃期，排放性能更好[5]。燃燒與微動力系統、生物質熱化學轉化等。E-mail: qwang@ujs.edu.cn。

區別于其他燃燒方式，反應活性控制壓燃(RCCI)是雙燃料預混合燃燒方式，適用于全轉速全負荷。通過在進氣道噴射低活性汽油，缸內噴射高活性燃油，在缸內形成燃油濃度梯度及活性梯度，實現了寬廣負荷下的高熱效率、低排放以及可控的燃燒相位[6-8]。姚登舉等[9]利用化學反應動力學機理建立了RCCI燃燒模型并分析了汽、柴油比例和噴油時刻對燃燒過程和排放的影響。朱江濤等[10]、Ma等[11]研究了噴油策略對柴油引燃汽油RCCI噴霧燃燒的影響，發現在上止點(TDC)前30°～40°內改變噴油時刻能夠使燃燒滯后，滯燃期延長。Rahnama等[12]研究發現，2種燃料之間的大反應性梯度有利于在高負荷下獲得較小的升壓速率和峰值壓力值。

含氧燃料的分子結構、十六烷值和含氧量對發動機的燃燒過程具有較大的影響[13]。加氫催化生物柴油(HCB)屬于二代生物柴油，主要組分為C16、C17、C18的正構烷烴，由于其十六烷值較大而具有超高的反應活性，因此能夠顯著改善發動機的著火特性和排放特性[14-15]。

針對傳統柴油RCCI燃燒效率不高且排放物多的問題，本文中以HCB作為高活性燃油，汽油作為低活性燃油，在光學發動機上進行低負荷雙燃料RCCI模式的試驗研究，利用高速相機采集柴油機缸內的火焰自發光圖像，結合缸內壓力以及放熱數據，改變燃油高壓直噴時刻以及噴油比例，探討噴油策略對發動機燃燒的影響。

1 試驗

試驗用光學發動機為一臺四缸柴油機改造單缸機[16]，直噴壓力為80 MPa，進氣道噴射壓力為0.5 MPa，主要結構參數見表1。光學發動機系統示意圖如圖1所示，主要包括進氣道與缸內直噴相結合的雙燃料噴射系統、高速攝影系統以及數據采集系統和電子控制單元(ECU)控制系統。通過在進氣口加裝加熱器并監測溫度，實現進氣溫度調控，利用ECU集成控制噴油時刻、噴油量、噴油壓力與高速相機觸發信號，實現多種信號的同步控制。試驗壓力及放熱信號由6058A型缸壓傳感器(德國KISTLER公司)采集，由DEWE-800型燃燒分析儀(奧地利DEWETRON公司)進行計算，火焰自發光信號透過石英玻璃制成的活塞到達底部的反射鏡，由高速相機捕捉，從而觀測到缸內噴霧燃燒過程。

表1 光學發動機主要結構參數

ECU—電子控制單元；HCB—加氫催化生物柴油；PC—信號采集計算機。

高速相機型號為FASTCAM SA-Z(美國Photron公司)，其信號與噴油器信號同步，參數設置如表2所示。

表2 高速相機參數設置

試驗針對HCB與柴油分別引燃汽油開展，保持發動機倒拖轉速為1 200 r/min，固定循環總能量為1 000 J，通過噴油脈寬標定測試得到不同比例下的燃油噴油量。由于HCB凝點低，只有14 ℃，因此，為了能夠保持良好的流動性，在HCB油箱中連接溫度控制器并保持恒溫。

考慮到光學發動機強度要求，當噴油信號給出后，發動機循環次數不超過30，且每次噴油燃燒試驗結束均需拆卸缸體進行清洗處理，以保證光學視窗的透光性。針對光學發動機改造后的壓縮比僅為12，遠低于傳統柴油機的，試驗中增加進氣加熱裝置，保持進氣溫度為80 ℃，發動機循環冷卻液溫度為90 ℃，在開機前使發動機充分預熱，利用進氣加熱來對壓縮比進行補償，使缸內燃油混合氣穩定著火。

2 結果與分析

2.1 噴油比例對燃燒過程的影響

試驗中高活性燃油與低活性燃油的總能量為1 000 J，缸內直噴噴油時刻為上止點前30°，通過調節燃油的噴油脈寬，按照HCB熱值占總熱值的比例來控制噴油比例。圖2所示為噴油脈寬標定結果，試驗中使用雙燃料噴射策略，總噴油能量一定，由于采用HCB缸內直噴、汽油進氣道噴射，因此HCB噴射脈寬與汽油有較大差異。HCB的密度略小于柴油的，黏度稍大于柴油的，同時具有更大的低熱值，其十六烷值達到了103，比柴油的大2倍多，表明在相同工況下HCB更易著火，點火性能更好，因此試驗中將HCB作為高活性燃油，與汽油形成RCCI雙燃料燃燒模式。

噴油比例—加氫催化生物柴油熱值占總熱值的比例。

圖3所示為噴油比例對缸內燃燒壓力、放熱率以及燃燒相位的影響的試驗結果。從圖3(a)中可以看出，隨著噴油中HCB比例的增加，最高燃燒壓力不斷增大，放熱率峰值也不斷增加。當噴油比例為 10%時，燃燒壓力較小，引燃效果差，不完全燃燒情況加劇。從圖3(b)中可以看出，隨著噴油中HCB比例的增加，燃燒相位提前，燃燒持續期縮短。當噴油比例增大為50%時，升壓速率增大，燃燒速率加快，發動機燃燒劇烈，穩定性降低。

(a)缸壓和放熱率

發動機的滯燃期是表示發動機燃燒特性的重要指標，一般根據放熱量來確定放熱滯燃期τdo。柴油機光學試驗還包含化學發光滯燃期τcl和碳煙熾光滯燃期τsoot。在燃燒初期，燃油分子發生化學反應，燃燒室內的氣態分子由激發態向基態躍遷，在這個過程分子自身發出輻射光；在燃燒中后期高溫碳煙粒子黑體輻射而形成碳煙熾光，其強度比化學發光要大很多。研究[17]表明，上述3種滯燃期長短排序為τdo<τcl<τsoot。本文中用噴油時刻至燃燒放熱量點總量的10%時對應的轉角來定義放熱滯燃期τdo，用噴油時刻開始至光強升高率峰值來定義化學發光滯燃期τcl。圖4所示為噴油比例對化學發光滯燃期與放熱滯燃期的影響。由圖可知，隨著噴油中HCB比例的增加，在上止點前噴入的HCB蒸發吸熱量增大，從而導致放熱滯燃期推遲，著火時刻延遲，但HCB比例的增加同時使得缸內燃油活性提高，燃燒速率加快。

噴油比例—加氫催化生物柴油熱值占總熱值的比例。

圖5所示為試驗中拍攝到的HCB噴霧及RCCI燃燒過程，對應工況為噴油比例為30%。為了更好地對燃燒過程進行分析，采用MATLAB程序對圖像進行后處理，圖6所示為經過去背景以及偽彩程序處理之后得到的燃燒過程，分別為不同噴油比例工況下各曲軸轉角對應的燃燒狀態圖像。通過觀察發現，噴油比例為10%時未見明顯著火燃燒過程，只出現局部點狀火焰，擴散燃燒效果較差。隨著噴油比例增大，缸內燃燒逐漸劇烈，從發動機缸內壁開始著火，在活塞凹坑HCB集中處火焰向中心擴散。活塞的上行壓縮與下行做功過程使得氣化后的燃料呈現旋流運動，燃燒并不完全均勻。當噴油比例增加時，燃燒室中心區域碳煙濃度增大，形成局部光強飽和點。當噴油比例達到30%時，燃燒區域顯著增加，在擴散燃燒作用下光強比低噴油比例時的提高很多。

(a)HCB噴霧過程

(a)噴油比例為10%

2.2 噴油時刻對燃燒過程的影響

燃料的噴射時刻對于RCCI燃燒過程和燃燒相位具有較大影響。當噴油時刻不同時，發動機燃油混合氣濃度分層及活性分層都將發生改變。由于汽油在進氣道內噴入，因此只要保證在進氣門開啟后噴射，汽油噴油時刻對于缸內混合氣濃度及活性分層并無太大影響。試驗中對進、排氣門開啟、關閉時刻進行了測定，設定進氣提前角為10°，汽油噴油時刻保持在進氣上止點前60°。同時，將噴油比例設為30%，研究HCB噴射時刻對RCCI低負荷燃燒的影響。

圖7所示為噴油時刻對缸內壓力和放熱率的影響。從圖中可以看出，HCB噴油時刻從上止點前30°延遲至20°，壓力與放熱率峰值逐漸增大。將噴油時刻減小至上止點前15°時，由于靠近上止點，噴入缸內的HCB在蒸發吸熱作用下，放熱率出現短暫負值且活塞凹坑處HCB混合氣濃度降低，因此燃燒效率降低，放熱總量與噴油時刻為上止點前25°時相當。當噴油時刻從上止點前30°延遲至15°時，壓力與放熱率隨噴油時刻靠近上止點而先增后減，并在上止點前20°時達到最佳燃燒狀態。

圖7 不同噴油時刻時的缸壓和放熱率

圖8所示為噴油時刻對燃燒相位和滯燃期的影響。由圖可見，噴油時刻從上止點前30°延遲20°時，燃燒放熱量占總量的50%時對應的轉角向上止點靠近，且放熱滯燃期與化學發光滯燃期均縮短，說明滯燃期的縮短的原因在于前期放熱過程的壓縮。在減小噴油提前角后，噴油過程中活塞接近上止點，在壓縮過程中完成初期燃燒。當噴油時刻為上止點前15°時，缸內燃油濃度分層度低，未能形成較好的活性分層，導致燃燒重心延遲。

噴油時刻不同時缸內不同曲軸轉角對應的燃燒狀態如圖9所示。由圖可知，在噴油撞壁與進、排氣門區域燃燒顯著，原因是較高的HCB濃度和溫度造成局部著火，并向四周和中心區域擴散，最終完全燃燒。

(a)噴油時刻對應轉角為-30°

3 結論

本文中針對加氫催化生物柴油在發動機上的應用進行了試驗研究，并分析了反應活性控制壓燃的燃燒規律，得到如下結論：

1)基于HCB的超高活性，在發動機中具備替代柴油的能力，有利于能源多元化發展利用。

2)隨著噴油中HCB比例的增加，最高燃燒壓力不斷增大，放熱率峰值也不斷增大；燃燒相位提前，放熱滯燃期與化學發光滯燃期均不斷縮短。

3)缸內直噴HCB時刻從上止點前30°延遲至15°，壓力與放熱量均隨噴油時刻靠近上止點而先增后減，在噴油時刻為上止點前20°時達到峰值，且燃燒相位與滯燃期均先減后增。