噴油參數(shù)對生物柴油-柴油混合燃料燃燒和排放特性的影響

季宏，王傳厚，孟繁衍，王保力，徐文珂，孟建*

1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東泰開汽車制造有限公司，山東 泰安 271000

0 引言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、農(nóng)業(yè)、汽車等領(lǐng)域，柴油機(jī)的普及加速了化石燃料的使用[1]。由于交通用柴油需求增加、化石燃料儲(chǔ)量減少、柴油價(jià)格上漲等，柴油的節(jié)能替代燃料的開發(fā)日益受到重視。生物柴油的主要成分是脂肪酸酯，是以油料作物、動(dòng)物油脂及餐余廢油等為原材料通過酯交換工藝制成[2]。生物柴油可直接應(yīng)用于柴油機(jī)，也可以和柴油以任意比例摻混使用[3]。以餐余廢油作為生物柴油的原料，可以降低生物柴油的制造成本，同時(shí)可以解決餐余廢油的處理問題[4]。餐余廢油生物柴油具有富氧性、十六烷值高等特點(diǎn)，在柴油機(jī)上摻混使用時(shí)可以促進(jìn)燃燒，降低CO和碳煙的排放；但在低負(fù)荷工況下，隨著餐余廢油生物柴油摻燒比例的增加，混合燃料黏度過大，可導(dǎo)致噴霧能力下降，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，排放升高。

本文中對一臺(tái)燃用生物柴油-柴油混合燃料的四缸高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，利用INCA軟件控制噴油壓力和噴油時(shí)刻，對比分析低負(fù)荷條件下噴油壓力和噴油時(shí)刻對餐余廢油生物柴油混合燃料和純柴油燃燒、常規(guī)排放和非常規(guī)排放的影響，從而為改善餐余廢油生物柴油低負(fù)荷下在柴油機(jī)上的燃燒和排放提供參考。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)樣機(jī)為四缸高壓共軌柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。燃燒及排放測試系統(tǒng)如圖1所示，主要包括臺(tái)架系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等。臺(tái)架系統(tǒng)主要包括CAC250程控式電力測功機(jī)，用來控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從而獲得所需的試驗(yàn)工況；測量系統(tǒng)主要包括：AVL INDIMOUL-622燃燒分析儀；AVL GH14P型缸壓傳感器，缸壓信號(hào)經(jīng)KISTLER 5011型電荷放大器處理后輸入燃燒分析儀；AVL 415S濾紙式煙度計(jì)，測量排氣煙度；HORIBA MEXA-7200D型排氣分析儀，測量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx、THC、CO排放；AVL SESAM i60FT多組分氣體排放傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR)，動(dòng)態(tài)同步測量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NO2、CH2O、CH4等非常規(guī)排放物。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 燃燒及排放測試系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方法

選用市售國Ⅵ 0#柴油和WOC(歐標(biāo)EN14214)餐余廢油生物柴油作為基礎(chǔ)燃料，2種燃料的理化特性如表2所示。將國Ⅵ 0#柴油記為B0，將WOC餐余廢油生物柴油以體積分?jǐn)?shù)為30%摻入純柴油中制成新混合燃料，記為B30。

表2 試驗(yàn)燃料理化特性

試驗(yàn)工況為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、25%負(fù)荷工況。在試驗(yàn)過程中：1)保持冷卻液溫度為(80±2)℃，進(jìn)氣溫度為(40±1)℃；2)發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)工況下穩(wěn)定運(yùn)行2 min后，連續(xù)采集200個(gè)循環(huán)的缸壓并計(jì)算平均缸壓來消除缸內(nèi)燃燒周期變化影響，獲得缸壓曲線；3)發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1540 r/min下穩(wěn)定運(yùn)行，主噴時(shí)刻定義為上止點(diǎn)前(before top dead center，BTDC)曲軸轉(zhuǎn)角4°(本文中BTDC曲軸轉(zhuǎn)角一律簡記為曲軸轉(zhuǎn)角)，研究不同噴油壓力(130、140、150、160 MPa)對2種燃料(B0和B30)燃燒、常規(guī)與非常規(guī)排放特性的影響；4)發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1540 r/min下穩(wěn)定運(yùn)行，主噴壓力為130 MPa，研究不同噴油時(shí)刻(曲軸轉(zhuǎn)角分別為4°、6°、8°、10°、12°)對2種燃料燃燒、常規(guī)與非常規(guī)排放特性的影響。在每個(gè)試驗(yàn)過程中，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行5次重復(fù)測量，并將整個(gè)試驗(yàn)過程重復(fù)2次，以保證再現(xiàn)性和重復(fù)性[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性

不同噴油壓力下2種燃料燃燒時(shí)的缸壓和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖2所示。由圖2可知：1)相同噴油壓力(130 MPa)下，相比于純柴油B0，B30混合燃料的最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值分別下降了0.67%和0.92%，且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均略微后移，原因?yàn)樵诘拓?fù)荷條件下，缸內(nèi)溫度和壓力較低，餐余廢油生物柴油黏度較大，使得噴射入氣缸中的B30的霧化效果較差，引起燃燒惡化，滯燃期變長，但餐余廢油生物柴油的高含氧量特性可改善燃燒，最終導(dǎo)致燃用B30時(shí)缸內(nèi)最大壓力和放熱率峰值相比于純柴油僅略微下降且后移[6]；2)隨著噴油壓力提高，B30燃燒時(shí)的最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值均升高且前移，相比于噴油壓力為130 MPa時(shí)，B30在燃油噴射壓力為160 MPa時(shí)最大缸壓和放熱率峰值分別提高了3.83%和4.06%，且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均前移1°～2°，其原因?yàn)椋喝加蛧娚鋲毫μ岣撸瑖娚鋾r(shí)間縮短，燃油霧化效果得到改善，促進(jìn)了空氣與燃料的混合，從而增加了缸內(nèi)預(yù)混的空氣與燃料的混合比例[7]，在預(yù)混燃燒階段燃燒了更多的燃料，使得最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值均升高且前移。

圖2 不同噴油壓力下2種燃料燃燒放熱率、缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化

不同噴油時(shí)刻下2種燃料燃燒缸內(nèi)壓力、放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖3所示。由圖3可知：隨著噴油時(shí)刻提前，缸內(nèi)壓力逐漸增加，壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻提前，B30在噴油時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角為12°的最大缸內(nèi)壓力較4°時(shí)升高22.1%；隨著噴油角提前，放熱率逐漸升高，在曲軸轉(zhuǎn)角為10°時(shí)放熱率達(dá)到最大。其原因?yàn)殡S著噴油時(shí)刻的提前，燃油能夠更早噴入缸內(nèi)，與空氣形成預(yù)混氣，缸內(nèi)的油氣分布更均勻，缸內(nèi)的燃油燃燒更完全[8]。

a) 放熱率 b) 缸壓圖3 不同噴油時(shí)刻下2種燃料燃燒缸內(nèi)壓力、放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化

2.2 常規(guī)排放特性

轉(zhuǎn)速為1540 r/min、25%負(fù)荷工況下，噴油壓力對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響如表3所示(本文中各污染物常規(guī)、非常規(guī)排放數(shù)據(jù)均為體積分?jǐn)?shù))。由表3可知，在相同噴油壓力和時(shí)刻條件下，相比于B0，B30的CO、THC和碳煙排放略微下降;B30的CO、THC和碳煙排放隨著噴油壓力的提高而降低，在噴油壓力為160 MPa時(shí)，CO、THC和碳煙排放較130 MPa時(shí)分別降低了22.7%、24.7%和48.8%；NOx排放隨著噴油壓力的升高而升高，在噴油壓力為160 MPa時(shí)達(dá)到最高。其原因?yàn)椋弘S著噴油壓力的提高，通過產(chǎn)生細(xì)小的液滴，燃料的霧化效果增強(qiáng)，結(jié)合燃料中的氧分子改善了空氣與燃料的混合，促進(jìn)了低負(fù)荷下混合燃料的燃燒，且生物柴油本身含氧量高，可提高低負(fù)荷時(shí)的空燃比，燃燒后期燃料中的氧分子促進(jìn)了CO和THC的氧化，使得CO和THC的排放下降[9]；餐余廢油生物柴油不含芳香烴且硫含量低，一定程度上減少了碳煙前驅(qū)物的生成，所以碳煙排放降低；盡管低負(fù)荷下燃用B30時(shí)缸內(nèi)溫度低，但是B30中較高的氧含量對促進(jìn)NOx生成的效果大于低溫對NOx生成的抑制效果，最終NOx排放升高[10]。

表3 噴油壓力對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響

轉(zhuǎn)速為1540 r/min、25%負(fù)荷工況下，噴油時(shí)刻對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響如表4所示。由表4可知：隨著噴油時(shí)刻的提前，相比于噴油時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角為4°，B30在12°時(shí)CO、THC和碳煙排放分別降低了59.4%、65.5%和56.0%，但NOx排放升高了86.3%。其原因?yàn)椋簢娪蜁r(shí)刻提前，混合燃料噴射入氣缸的時(shí)間提前，且混合燃料中的氧分子含量高，使得空氣和燃料的混合更加充分，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒充分，缸內(nèi)溫度和壓力升高[11]。

表4 噴油時(shí)刻對CO、THC、碳煙和NOx排放的影響

2.3 非常規(guī)排放特性

轉(zhuǎn)速1540 r/min、25%負(fù)荷工況下，噴油壓力和噴油時(shí)刻的變化對NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影響分別如表5、6所示。由表5、6可知，在相同噴油壓力和時(shí)刻條件下，相比于B0，B30的NO2、CH4、C2H4和CH2O排放略微下降；在不同噴油壓力和時(shí)刻條件下，B30的NO2、CH4、C2H4和CH2O排放隨著噴油壓力的增大略微下降，隨著噴油時(shí)刻的提前大幅下降。

表5 噴油壓力對NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影響

表6 噴油時(shí)刻對NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影響

NO2通常在低溫缺氧環(huán)境下生成，只占NOx排放的一小部分[12]。隨著噴油壓力升高和噴油時(shí)刻提前，缸內(nèi)混合氣均勻程度增加，燃燒更加充分，缸內(nèi)溫度和壓力升高，促使NO2在高溫富氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化為NO，降低NO2排放。

CH4是低溫稀燃條件下的產(chǎn)物，低負(fù)荷且缸內(nèi)溫度較低的工況下，更多的燃料進(jìn)入稀薄淬熄區(qū)域，促進(jìn)CH4生成[13]。混合燃料雖然揮發(fā)性較低，在低負(fù)荷下易形成稀薄淬熄區(qū)域，但隨著噴油壓力升高和噴油時(shí)刻提前，缸內(nèi)空氣與燃料混合更加充分，燃燒更加充分，燃燒溫度提升與燃料中氧分子增加減少了稀薄淬熄區(qū)的存在，使CH4排放降低。

C2H4主要來源于燃料的不充分燃燒。隨著噴油壓力的提升，燃料在缸內(nèi)霧化效果增強(qiáng)，燃燒充分，缸內(nèi)溫度升高，C2H4在高溫富氧環(huán)境下具有較高的活性，易分解[14-15]，所以B30的C2H4排放逐漸降低。在160 MPa時(shí)，B30的C2H4排放較130 MPa時(shí)降低了40.7%；相比于噴油時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角為4°，B30混合燃料在曲軸轉(zhuǎn)角為12°的C2H4排放降低了84.6%。

CH2O是產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的重要來源，嚴(yán)重污染環(huán)境。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，缸內(nèi)溫度和壓力較低，燃燒室壁面易形成含有許多醛類化合物的厚淬火層，導(dǎo)致CH2O排放較高[16-17]。隨著噴油壓力的增加，噴油霧化效果較好，燃燒更加充分，同時(shí)餐余廢油生物柴油具有富氧特性，在高溫環(huán)境下促進(jìn)CH2O氧化成H2O和CO2，燃燒室壁面的淬火層變薄，CH2O排放降低。相比于130 MPa時(shí)，B30在160 MPa時(shí)的CH2O排放降低了46.9%；相比于噴油時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角為4°，B30在12°時(shí)CH2O排放降低了84.6%。

3 結(jié)論

在一臺(tái)高壓共軌四缸柴油機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，研究低負(fù)荷下噴油壓力和噴油時(shí)刻對餐余廢油生物柴油混合燃料的燃燒特性、常規(guī)和非常規(guī)排放的影響。

1)低負(fù)荷時(shí)，相同噴油壓力和時(shí)刻條件下，相比于純柴油B0，B30混合燃料最大缸內(nèi)壓力和放熱率峰值分別下降了0.67%和0.92%，且對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角后移；相比于純柴油，B30混合燃料CO、THC、碳煙、NO2、CH4、C2H4和CH2O排放略微降低，NOx排放增加。

2)隨著噴油壓力的增加和噴油時(shí)刻的提前，燃油霧化效果增強(qiáng)，缸內(nèi)燃料和空氣的混合更加均勻，缸內(nèi)燃燒得到改善，B30混合燃料缸內(nèi)壓力和放熱率增大且對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角前移。

3)CO、THC、碳煙、NO2、CH4、C2H4和CH2O排放隨噴油壓力的增大略微降低，隨噴油時(shí)刻的提前而大幅降低，但NOx排放逐漸增大。