碳質納米燃料添加劑對柴油機性能影響的試驗研究

郭亞泰，衛將軍,，滕勤，王井山，李德亮，曾楊

(1.合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

柴油機由于其較高的燃油效率和較好的動力性、可靠性等優點被廣泛應用，然而柴油機消耗了大量化石能源并產生多種對環境和公眾健康有害的空氣污染物。為解決上述問題，使用替代燃料是理想的選擇之一，其中生物柴油是可再生能源，其化學成分與化石燃料相似，但氧含量更高，且不含多環芳烴、硫等有害化合物。研究表明，柴油機燃燒生物柴油可以有效改善缸內燃燒過程，減少CO，HC，硫氧化物以及炭煙等污染物的排放。但生物柴油黏度較大、熱值低的特點使得燃燒生物柴油的發動機油耗升高、熱效率降低。此外，燃料添加劑的使用可以改善燃燒過程，減少尾氣排放，并提高燃料品質，其中納米催化劑是常用的燃料添加劑之一。Ghafoori等研究發現，在生物柴油-柴油混合燃料中添加不同濃度的碳納米管后，柴油機的功率、扭矩和燃油經濟性分別提高了17%，18%和38.5%。Nivin Chacko等在兩種生物柴油-柴油混合燃料中分別加入20×10，40×10，60×10的氧化石墨烯和石墨烯，研究表明納米添加劑的濃度影響其催化作用，氧化石墨烯和石墨烯分別為40×10和60×10時效果最好，發動機性能和排放都得到改善。在降低炭煙排放方面，氧化石墨烯要優于石墨烯，40×10的氧化石墨烯最大可降低炭煙排放29.2%。Hosseini等研究了碳納米管對CI單缸發動機性能和排放特性的影響，結果表明，碳納米管可以降低排放，包括HC，CO和炭煙，此外，功率和制動熱效率等性能參數均顯著提高。還有一些研究表明，納米金屬顆粒(如CeO，TiO，ZnO等)能夠有效優化缸內燃燒，降低HC，CO，NO，炭煙等排放，但生成的金屬氧化物能夠長期保持穩定，容易造成DPF堵塞的問題。而碳質納米顆粒以碳的形式存在，經過缸內燃燒和尾氣處理裝置，最終能夠被完全消耗。本研究選取3種碳質納米顆粒作為燃料添加劑，探究其對生物柴油-柴油摻混燃料的燃燒和炭煙排放的影響，以便為優化生物柴油的應用提供理論依據及數據支持。

1 試驗裝置、燃料及方法

1.1 試驗裝置

試驗對象為單缸直噴水冷柴油機ZS1100，其主要的技術參數見表1。主要的測試設備有電渦流測功機CW25、測控裝置CMU3A、AVL GH14D缸壓傳感器、AVL HR-CA-B1燃燒分析儀和AVL Dismoke 4000不透光煙度儀，設備的不確定度數值見表2。選定1 200 r/min發動機轉速進行試驗，按20%的間隔，測量10%～90%負荷下發動機的缸壓、放熱率、CA10、CA50、不透光度等參數。對于每個試驗工況點，采集3組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%)。

表1 試驗用ZS1100柴油機參數

表2 測量儀器的不確定度分析

1.2 燃料配制及試驗方法

試驗所用的基礎燃料為市售的國六0號柴油和生物柴油。試驗所用的燃料包括純柴油(D100)，B20，B20GO25，B20GO100，B20MWCNT25，B20MWCNT100，B20GR25，B20GR100。其中B20是體積比20%生物柴油和80%柴油的共混物。B20GO25和B20GO100是25×10和100×10的GO分別加入B20中制作的納米流體燃料，MWCNT和GR以此類推。試驗所用的3種碳質納米顆粒參數見表3。

表3 3種試用碳質納米顆粒參數

制備納米流體燃料時，先向B20中加入體積比2%的表面活性劑(Span80)，利用磁力攪拌器攪拌至均勻狀態，然后加入利用精密天平稱量好的納米顆粒再次攪拌1 h，最后將配制的納米流體燃料用超聲波發生器以40 kHz的頻率超聲30 min。配制成的納米流體燃料能夠維持7 d不分層且無明顯沉淀的現象，即保證具有良好的分散性和穩定性。更換燃料時，發動機至少運行30 min，保證消耗完之前的試驗燃料。

2 試驗結果分析

2.1 燃燒特性

圖1示出不同負荷下燃燒各燃料的缸內壓力和放熱率曲線。可以看出，隨著負荷的增大，由于發動機循環噴油量增加，缸壓峰值和放熱率峰值逐漸升高。中小負荷時B20的缸壓峰值小于D100，這是由于生物柴油的熱值較低且汽化潛熱高，導致B20產生的熱量低于D100。高負荷下缸內溫度升高，燃燒速率加快，且B20的高含氧量一定程度解決了高溫缺氧問題，使得燃料燃燒更充分，B20的缸壓峰值大于D100。此外，B20中分別添加不同濃度的碳質納米顆粒后，各負荷下的缸壓峰值和放熱率峰值增加，同時滯燃期有所縮短。由圖1可知， 10%負荷下添加劑的效果更顯著，相較于不加入添加劑，B20GO25和B20GO100的缸壓峰值分別增大0.175 MPa和0.147 MPa，放熱率峰值分別提高4.4%和3.9%，B20MWCNT25和B20MWCNT100的缸壓峰值分別增大0.122 MPa和0.334 MPa，放熱率峰值分別提高3.7%和17.9%，B20GO25和B20GO100的缸壓峰值分別增大0.108 MPa和0.227 MPa，放熱率峰值分別變化1.4%和-5.8%。說明碳質納米燃料添加劑優化了燃料在缸內的燃燒過程，歸因于碳質納米顆粒的大表面積比增加了燃料的反應性和導熱率，加速了燃料間的傳熱，進而提高了燃料液滴蒸發速率，縮短了滯燃期，同時也改善了燃料的放熱率。對比可知，GO和MWCNT對缸壓和放熱率的提升效果要優于GR，主要是因為GO具有各種含氧官能團，能提供更多的活性位點，而MWCNT的管狀結構易于被氧打開，形成較高化學反應活性的羥基、羰基。再者，可以發現3種碳質納米顆粒對B20在不同負荷下的燃燒優化程度并非一致，由于高負荷下缸內溫度急劇升高，燃料蒸發霧化效果較好，使得碳質納米顆粒的優化效果不再顯著。

圖1 不同負荷下各試驗燃料的缸壓和瞬時放熱率曲線

根據不同濃度下各碳質納米顆粒對缸壓的提升效果，發現MWCNT和GR對缸壓的提升效果在高濃度時更明顯，而GO則正好相反。這可能是氧化石墨烯官能團之間的范德華力促進了相鄰粒子在高濃度下的聚集或團聚，降低了催化劑的總表面積所致。

滯燃期和CA50的變化規律見圖2和圖3。顯然，隨著負荷的增加，各試驗燃料的滯燃期逐漸縮短，CA50時刻逐漸后移。這是由于隨負荷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。相較于D100，各負荷下B20滯燃期縮短，CA50提前。生物柴油的十六烷值高于柴油，導致滯燃期縮短，而生物柴油的高含氧量可加速燃料的燃燒。相比于B20，各納米流體燃料不同負荷下的滯燃期均有一定程度的縮短且CA50提前。有研究指出，包裹有納米添加劑的油滴會產生微爆現象，加速噴霧油束的破碎過程，且這3種碳質納米顆粒加入柴油中能夠提高燃料的十六烷值，從而提高燃料的著火性，縮短滯燃期。另一方面，納米顆粒較高的表面活性和良好的傳質導熱性能夠提高燃料液滴的蒸發速率，加快燃料的燃燒，從而使得CA50提前。此外，文獻[17]表明，GO在200 ℃下可進行氧化分解，這將進一步增強燃料液滴的霧化，導致滯燃期縮短。數據顯示，70%負荷下B20GR100的滯燃期縮短最明顯，縮短1.5°，大于B20GO25的1.2°，這說明GR對燃料的滯燃期影響最大。

圖2 不同負荷下各試驗燃料滯燃期的變化規律

圖3 不同負荷下各試驗燃料CA50的變化規律

2.2 經濟性能

制動熱效率(BTE)和制動燃油消耗率(BSFC)是衡量發動機經濟性能的重要指標，其變化規律分別見圖4和圖5。可以看出，BTE隨著發動機負荷的增加呈現先上升后下降的趨勢，BSFC呈現相反的趨勢。這是因為負荷的增加，缸內溫度升高，改善了油氣混合，高負荷下，由于噴油量增加，進氣量幾乎保持不變，造成燃燒室內局部缺氧，燃料燃燒不充分。B20的BTE在所有負荷下都小于D100，主要是因為生物柴油的黏度高、熱值低。相較于B20，各負荷下所有的納米流體燃料都一定程度改善了燃油經濟性。對比發現，B20MWCNT100的BSFC最大降幅為5.0%，BTE的最大提升率為4.4%。這可解釋為納米顆粒的大表面積改善了燃料的分散性，燃料-空氣混合物均勻地分散在氣缸中，使得燃燒過程趨向完全燃燒。文獻[18]指出，GO有助于提高混合燃料中生物柴油的餾分，改善了燃燒性能，從而提高BTE。文獻[16]指出，CNT和GR加入后，納米流體燃料分子間動量交換和傳熱的改善使得燃燒更加充分，提高了BTE，降低了BSFC。

圖4 不同負荷下各試驗燃料BTE的變化規律

圖5 不同負荷下各試驗燃料BSFC的變化規律

2.3 炭煙排放

所有試驗燃料在不同發動機負荷下炭煙排放(不透光度)的變化見圖6。由圖可見，炭煙排放隨著負荷的升高而增加，且隨著負荷的增加，碳質納米燃料添加劑降低炭煙排放的效果更好。與純柴油相比，B20較短的滯燃期、高氧含量和較高的十六烷值均降低了炭煙排放。與B20相比，在90%負荷下，B20GO25和B20GO100炭煙排放分別降低12.1%和5.1%，B20MWCNT25和B20MWCNT100炭煙排放分別降低6.8%和17.2%，B20GR25和B20GR100炭煙排放分別降低7.2%和9.0%。GO的減煙效果主要體現在預混燃燒階段，官能團中的氧會以氧化石墨烯熱解離的形式釋放到燃燒區，這種過量氧氣的突然可用性增加了燃料的燃燒速度并氧化炭煙顆粒。MWCNT降低炭煙排放主要是因為其管狀結構易于氧氣的打開并形成多種含氧活性基團，將形成的炭煙進行二次氧化。GR降低炭煙排放的主要原因是高的導熱率，當擴散火焰傳播時，能夠將足夠的熱量傳遞給附著在添加劑表面的單個燃燒產物分子，從而增強了碳粒子的氧化性。

圖6 炭煙排放(不透光度)隨負荷變化曲線

3 結論

a) B20中加入碳質納米燃料添加劑使得缸壓和放熱率提高，燃燒起始點提前，滯燃期縮短；MWCNT100對缸壓和放熱率提升最顯著，最大分別提高0.334 MPa和17.9%，GR100使得滯燃期最大縮短了1.5°；

b) 添加3種碳質納米燃料添加劑均一定程度提高了BTE，降低了BSFC，表明碳質納米顆粒能夠有效改善燃燒過程；GO和MWCNT對燃油經濟性的改善效果優于GR，其中MWCNT100最大可使BSFC降低5.0%，BTE提高4.4%；

c) 3種碳質納米燃料添加劑均使得柴油機炭煙排放降低且高負荷下效果更顯著，添加MWCNT100使炭煙排放最大降低17.2%，添加GO25和 GR100則分別最大降低12.1%和9.0%；

d) B20中加入碳質納米燃料添加劑能夠有效改善柴油機的燃燒特性、經濟性能并減少炭煙排放， 碳質納米顆粒的使用為生物柴油在柴油機上的應用提供了新的思路。