正丁醇生物柴油雙燃料高預(yù)混燃燒特性試驗(yàn)研究

正丁醇生物柴油雙燃料高預(yù)混燃燒特性試驗(yàn)研究

未來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)面臨兩個(gè)問(wèn)題：能源不足和污染。目前，新方法和代用燃料的研究已成為研究的重點(diǎn)。新型燃燒方式如均質(zhì)壓燃、預(yù)混壓燃和低溫燃燒等,均是通過(guò)燃燒方式的改變來(lái)提高熱效率、降低NOx和碳煙排放.這些新型燃燒方式的燃燒過(guò)程主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制,燃料化學(xué)特性對(duì)燃燒及燃燒反應(yīng)速度控制有決定性的影響,要實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒,燃燒邊界條件參數(shù)的控制需要與燃料化學(xué)特性相適應(yīng),其實(shí)質(zhì)就是燃燒過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度與物理時(shí)間尺度相適應(yīng).國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量試驗(yàn)表明,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行工況和邊界條件,適時(shí)調(diào)整缸內(nèi)燃料活性(即燃料十六烷值,其值越高,活性越高)和活性分布可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程的有效控制.汽柴油高比例預(yù)混合壓燃燃燒過(guò)程通過(guò)在進(jìn)氣道噴汽油、缸內(nèi)直噴柴油的雙燃料組合實(shí)現(xiàn)靈活的燃料活性控制,結(jié)合適當(dāng)?shù)娜紵吔鐥l件控制策略,在發(fā)動(dòng)機(jī)寬廣的工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同的燃燒模式,同時(shí)在常用工況范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)原始NOx和微粒排放滿足歐V及以上排放法規(guī)要求,發(fā)動(dòng)機(jī)只需采用簡(jiǎn)單氧化后處理器即可達(dá)到排放法規(guī)的要求.汽柴油高比例預(yù)混合燃燒在不同負(fù)荷工況呈現(xiàn)不同燃燒模式,具有共同的特征:由進(jìn)氣道噴入的汽油形成的預(yù)混合氣熱值占總?cè)加蜔嶂档?0%以上,呈現(xiàn)高比例的預(yù)混合燃燒,故稱此燃燒方式為汽柴油高比例預(yù)混合燃燒(highpremixedchargecombustion,HPCC).生物柴油理化性能接近柴油,可直接應(yīng)用于現(xiàn)有柴油機(jī).正丁醇與甲醇及乙醇相比,與柴油有更好的互溶性、不需要添加劑即可實(shí)現(xiàn)完全互溶,且熱值較高,有較好的潤(rùn)滑性能.生物柴油和正丁醇均為含氧燃料,對(duì)柴油機(jī)的碳煙排放有很大的改善作用.生物柴油十六烷值略高于柴油;正丁醇辛烷值和汽油相近,汽化潛熱高于汽油,可降低缸內(nèi)溫度,減緩放熱速率,降低壓升率.基于此,筆者提出一種由進(jìn)氣道噴入正丁醇(熱值占總?cè)加蜔嶂盗康?0%以上)、缸內(nèi)直噴生物柴油的雙燃料高比例預(yù)混合燃燒模式,并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況調(diào)整生物柴油和正丁醇的比例、缸內(nèi)噴油時(shí)刻和噴油控制策略,實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃料活性和活性分布的有效控制,再通過(guò)進(jìn)氣增壓、廢氣再循環(huán)(EGR)等控制措施,實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒.1試驗(yàn)方法和過(guò)程試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)及柴油噴油器參數(shù)如表1所示.試驗(yàn)在一臺(tái)排量為6.5,L的6缸增壓中冷、電控高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行.第6缸經(jīng)過(guò)改造作為測(cè)試缸有其獨(dú)立的供油、進(jìn)排氣系統(tǒng),其它5缸保持不變.生物柴油供給采用自行開(kāi)發(fā)的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng),開(kāi)放式ECU可以靈活調(diào)整噴油時(shí)刻、壓力和噴油量等參數(shù).正丁醇由安裝在進(jìn)氣管上的噴油器供給,由可調(diào)ECU控制,可以改變正丁醇噴油時(shí)刻及噴油量.缸壓采集通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的缸壓采集及放熱率實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)完成.尾氣測(cè)量采用AVLFTIR排氣分析儀,煙度測(cè)量采用AVL415S煙度計(jì),測(cè)量值采用FSN(可轉(zhuǎn)換為soot排放),圖1為試驗(yàn)裝置示意.所有試驗(yàn)均在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1,500,r/min下完成,正丁醇噴油時(shí)刻固定為進(jìn)氣上止點(diǎn)前80,°CA,進(jìn)氣溫度控制在25,℃左右.不同的進(jìn)氣壓力由外界壓氣機(jī)進(jìn)行模擬增壓實(shí)現(xiàn),且平均指示壓力(IMEP)由壓縮和膨脹兩行程做功算出.試驗(yàn)中正丁醇比例以熱值計(jì)算,即每循環(huán)正丁醇噴油量的熱值占循環(huán)總?cè)加蜔嶂档谋壤?噴油時(shí)刻為生物柴油噴油時(shí)刻.試驗(yàn)每循環(huán)噴入缸內(nèi)燃料的總熱值固定為(當(dāng)量生物柴油熱值)60,mg,負(fù)荷(IMEP)為1,MPa,生物柴油噴油壓力為100,MPa,進(jìn)氣壓力控制在0.18,MPa,保證最大壓力升高率不超過(guò)1,MPa/°CA,IMEP循環(huán)波動(dòng)系數(shù)(COV)控制在5%以下,主要進(jìn)行了噴油時(shí)刻、正丁醇比例和EGR率對(duì)正丁醇和生物柴油HPCC燃燒和排放特性的試驗(yàn).2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1生物柴油的噴油對(duì)燃燒放熱重心的影響針對(duì)正丁醇熱值比為80%、85%和90%,EGR率為35%時(shí)(混合氣總當(dāng)量空燃比為1.55),調(diào)整生物柴油的噴油時(shí)刻使燃燒放熱重心CA50(即累積放熱量為總放熱量的50%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)在0~10,°CAATDC進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析.2.1.1正丁醇比例對(duì)燃燒特性的影響圖2為噴油時(shí)刻、正丁醇比例對(duì)CA50、COV和最大壓升率的影響,CA50隨噴油時(shí)刻推遲先提前后推遲,COV呈中間平穩(wěn),兩邊增大趨勢(shì),即過(guò)早和過(guò)晚噴油有失火趨勢(shì);缸內(nèi)最大壓升率隨著噴油時(shí)刻的推遲先增大后減小,隨著正丁醇比例的增加,最大壓升率減小.較早噴入的生物柴油由于缸內(nèi)溫度較低,滯燃期長(zhǎng),混合氣較稀且燃料活性分布均勻,燃燒放熱不穩(wěn)定,COV增加;上止點(diǎn)附近噴入的生物柴油,主燃燒相位推遲燃燒穩(wěn)定性變差,COV增加.即過(guò)早或過(guò)晚的噴油時(shí)刻,均會(huì)導(dǎo)致COV升高.故試驗(yàn)中合理選擇噴油時(shí)刻控制主燃燒相位在0~10,°CAATDC.中期噴油時(shí)刻,主燃燒相位在上止點(diǎn)附近區(qū)域,缸內(nèi)混合氣的準(zhǔn)均質(zhì)快速燃燒使燃燒放熱速率升高,缸內(nèi)最大壓力升高率升高,超過(guò)1,MPa/°CA.考慮試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度,最高壓升率控制在1,MPa/°CA,故中間噴油時(shí)刻部分出現(xiàn)斷點(diǎn).正丁醇比例較低時(shí),壓升率總體處于較高水平,故試驗(yàn)中正丁醇比例控制在80%以上.隨著正丁醇比例的增加,正丁醇汽化潛熱值較高,缸內(nèi)溫度下降,缸內(nèi)燃料混合氣活性下降,COV增加.圖3、圖4是噴油時(shí)刻、正丁醇比例對(duì)燃燒特性的影響.圖3表明,噴油時(shí)刻在-20,°CAATDC之前呈單峰放熱;在-5,°CAATDC附近時(shí)呈雙峰放熱,且第2次放熱率峰值較高,正丁醇比例增大,第1次放熱峰值減小.圖4表明,著火時(shí)刻隨噴油時(shí)刻推遲先提前后推遲,滯燃期則一直減小,隨著正丁醇比例的增加,滯燃期延長(zhǎng),著火時(shí)刻推遲.出現(xiàn)上述規(guī)律的原因?yàn)樯锊裼褪橹递^高,燃料活性高.正丁醇燃料活性低,汽化潛熱較高,使得缸內(nèi)溫度較低.正丁醇由進(jìn)氣道噴入后和空氣形成稀薄的均質(zhì)混合氣,只有當(dāng)噴入缸內(nèi)的生物柴油著火后才能燃燒.在同一正丁醇比例下(以85%為例),噴油時(shí)刻較早時(shí)(-25,°CAATDC之前),缸內(nèi)直噴的生物柴油與缸內(nèi)工質(zhì)混合較好,缸內(nèi)燃料活性分布相對(duì)均勻,此時(shí)缸內(nèi)溫度較低,不易著火,滯燃期較長(zhǎng),其著火燃燒與燃燒反應(yīng)速率主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)所控制,表現(xiàn)出單峰放熱特征.隨著噴油時(shí)刻推遲,在上止點(diǎn)前附近區(qū)域,生物柴油與缸內(nèi)工質(zhì)混合分層程度變大,燃料活性分層直接影響了缸內(nèi)著火和燃燒放熱速率,生物柴油在經(jīng)歷極短的滯燃期后著火,即放熱率中的第1峰值.生物柴油擴(kuò)散燃燒引燃周?chē)恼〈蓟旌蠚?生物柴油與正丁醇同時(shí)燃燒放熱,即放熱率第2峰值,其燃燒特征是生物柴油的預(yù)混合燃燒、擴(kuò)散燃燒和正丁醇預(yù)混合多點(diǎn)點(diǎn)燃同時(shí)進(jìn)行的燃燒方式.圖5為不同噴油時(shí)刻、正丁醇比例對(duì)燃燒效率和指示熱效率的影響.燃燒效率隨噴油時(shí)刻推遲先增大后減小,隨正丁醇比例增加,燃燒效率下降;熱效率在較早噴油時(shí)刻普遍較高,隨著正丁醇比例增加,熱效率總體不斷下降.同一正丁醇比例時(shí),較早和較晚噴油時(shí)刻導(dǎo)致主燃燒相位的推遲;且噴油時(shí)刻過(guò)早導(dǎo)致的燃油濕壁效應(yīng)和噴油時(shí)刻過(guò)晚導(dǎo)致的燃燒過(guò)程拖后,均導(dǎo)致燃燒效率降低.由于缸內(nèi)溫度不均勻使燃燒室周邊區(qū)域存在一個(gè)溫度梯度較大的邊界層區(qū)域以及缸內(nèi)其它有害容積區(qū)域,在這些區(qū)域的預(yù)混合氣很難充分燃燒.隨著正丁醇比例的增加,缸內(nèi)溫度下降,預(yù)混合氣比例增加,進(jìn)入這一區(qū)域的正丁醇混合氣比例增大,燃燒效率下降.熱效率是燃燒效率與CA50共同作用的結(jié)果.85%正丁醇比例在較早噴油時(shí)刻,同時(shí)對(duì)應(yīng)CA50在2~8,°CAATDC附近,燃燒效率(圖4)都在95%以上,熱效率處于較高的水平,如果噴油時(shí)刻繼續(xù)提前,CA50推遲,則燃燒效率下降導(dǎo)致熱效率下降;噴油時(shí)刻在上止點(diǎn)附近時(shí),滯燃期縮短導(dǎo)致燃料活性不均勻性增加,缸內(nèi)壓力和燃燒溫度上升,傳熱損失增大,雖然燃燒效率較高,但熱效率較低.合理的噴油時(shí)刻控制燃燒重心對(duì)熱效率有重要的影響.隨著正丁醇比例增加,CA50推遲,燃燒效率和熱效率下降.綜上,生物柴油的噴油時(shí)刻直接決定了缸內(nèi)燃料活性的分布,正丁醇比例直接影響了混合氣活性,兩者相互作用使正丁醇與生物柴油的高預(yù)混燃燒呈現(xiàn)預(yù)混合壓燃、部分?jǐn)U散燃燒和預(yù)混合多點(diǎn)點(diǎn)燃的復(fù)合燃燒特征.2.1.2不同預(yù)混合比例對(duì)co和nmhc排放的影響圖6為噴油時(shí)刻、正丁醇比例對(duì)NOx和soot排放的影響.噴油時(shí)刻在-20,°CAATDC之前,NOx排放整體呈較低的水平,隨著噴油時(shí)刻推遲略有升高.這是因?yàn)榇穗A段缸內(nèi)的混合氣比較均勻且較稀,燃燒溫度低.隨著噴油時(shí)刻的推遲,缸內(nèi)混合氣活性分布不均勻性增加,局部燃燒溫度較高,NOx排放隨之升高,并達(dá)到峰值.之后噴油時(shí)刻繼續(xù)推遲,主燃燒相位不斷推遲,缸內(nèi)燃燒溫度降低,NOx排放下降.但總體較晚的噴油時(shí)刻導(dǎo)致NOx排放水平明顯高于較早噴油時(shí).噴油時(shí)刻較早時(shí),正丁醇比例對(duì)NOx排放影響較小,此時(shí)缸內(nèi)燃料活性分布均勻,混合氣稀,NOx排放整體很低;較晚噴油時(shí),隨著正丁醇比例增加,預(yù)混合均質(zhì)混合氣比例增加,NOx排放減小.soot排放隨噴油時(shí)刻推遲先增后減,隨正丁醇比例增大而減小,整體排放一直處于較低的水平.這是由于生物柴油和正丁醇燃料都是含氧燃料,且預(yù)混合比例很大,均有利于降低soot排放.在中期噴油區(qū)域,由于主燃燒相位接近上止點(diǎn),燃燒溫度增高,燃料活性分層導(dǎo)致缸內(nèi)出現(xiàn)高溫過(guò)濃區(qū),soot排放增加.正丁醇比例增大,預(yù)混合比例增大,燃燒溫度降低,soot排放減少.圖7為噴油時(shí)刻、正丁醇比例對(duì)CO和NMHC(非甲烷HC)的影響.CO和NMHC排放隨著噴油時(shí)刻推遲先減小后增大.隨著正丁醇比例的增大,CO和NMHC排放增大.此規(guī)律與燃燒效率的規(guī)律一致的.噴油時(shí)刻在-30~-40°CAATDC,早噴生物柴油導(dǎo)致“濕壁”現(xiàn)象,由于滯燃期長(zhǎng),大量均質(zhì)混合物堆積在溫度較低的壓縮余隙及活塞、活塞環(huán)和氣缸壁形成的環(huán)形容積區(qū),燃燒溫度較低,很難完全燃燒,成為HC排放的主要來(lái)源,燃燒相位較晚,燃燒溫度較低,造成早噴情況下NMHC排放較高;噴油時(shí)刻推遲,CA50逐漸靠近上止點(diǎn),燃燒溫度升高,燃燒效率提高,NMHC排放降低;噴油進(jìn)一步推遲,主燃燒相位推遲,燃燒溫度降低,NMHC排放升高.隨著正丁醇比例的增大,燃燒效率的降低,NMHC排放增大.CO排放與NMHC排放的生成機(jī)理不同,CO是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的產(chǎn)物,即當(dāng)溫度能夠使混合氣發(fā)生低溫和藍(lán)焰反應(yīng),但沒(méi)有熱焰反應(yīng)發(fā)生時(shí),會(huì)導(dǎo)致CO不能得到繼續(xù)氧化.因此在氧氣充足且混合氣均勻時(shí),CO生成主要是由于缸內(nèi)較低的燃燒溫度影響了其進(jìn)一步氧化.對(duì)于正丁醇比例為80%或85%時(shí),較早噴入的生物柴油,滯燃期長(zhǎng),燃料活性分布均勻,較低的缸內(nèi)溫度影響了CO的進(jìn)一步氧化,導(dǎo)致CO排放較高;噴油時(shí)刻推遲,CA50向上止點(diǎn)移動(dòng),缸內(nèi)溫度升高,燃燒效率升高,CO排放降低,此時(shí)CO主要來(lái)源于燃燒室壁面附近溫度邊界層區(qū)域;噴油時(shí)刻接近上止點(diǎn)之后繼續(xù)推遲,主燃燒相位推遲,缸內(nèi)溫度降低,CO排放又不斷升高.同樣隨著正丁醇比例的增大,缸內(nèi)平均溫度降低,燃燒效率降低,導(dǎo)致CO排放增大.隨著正丁醇比例的增大,缸內(nèi)溫度降低,CO排放上升,90%正丁醇比例時(shí)更明顯.綜上,EGR率在35%時(shí),正丁醇比例為85%,生物柴油單次噴油時(shí)刻控制在-25~-40,°CAATDC可使熱效率保持在47%左右較高的水平,同時(shí)最大壓升率也保持在相對(duì)較低的水平,NOx和soot的原始排放也控制在較低的水平.2.2egr率對(duì)燃燒特性和排放特性的影響EGR引入將降低混合氣活性,試驗(yàn)控制正丁醇的熱值比例為85%,調(diào)整噴油時(shí)刻使主放熱時(shí)刻CA50在0~10,°CAATDC,研究分析了EGR率對(duì)燃燒特性和排放特性的影響.2.2.1燃燒特性變化圖8~圖9為生物柴油在不同噴油時(shí)刻EGR率對(duì)燃燒特性的影響.隨著EGR率的增大,著火滯燃期和燃燒持續(xù)期延長(zhǎng),燃燒持續(xù)期在EGR率為45%時(shí)明顯延長(zhǎng),缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值均減小.較早噴油時(shí)刻,EGR率升高使缸內(nèi)溫度降低,滯燃期延長(zhǎng),降低缸內(nèi)活性燃料的分層,化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)著火燃燒與燃燒反應(yīng)速率作用增大,燃燒特性表現(xiàn)出均質(zhì)壓燃的燃燒特征.較晚噴油時(shí),隨著EGR率提高,滯燃期延長(zhǎng),燃料活性分層降低,影響了正丁醇均質(zhì)預(yù)混合氣的充分燃燒,雙峰放熱模式中兩個(gè)放熱率峰值均降低.當(dāng)EGR率增大到接近燃燒的失火界限時(shí),缸內(nèi)的溫度和當(dāng)量比下降,燃燒放熱率下降,燃燒持續(xù)期延長(zhǎng).2.2.2提高egr率圖10為噴油時(shí)刻、EGR率對(duì)NOx和soot排放的影響.在生物柴油較早噴油時(shí),NOx排放水平整體較低,EGR率的提高對(duì)NOx排放影響不大,在生物柴油較晚噴油時(shí),EGR率的提高,可大幅降低NOx的排放.EGR率為45%時(shí),NOx排放整體都處于較低水平.提高EGR率對(duì)soot排放具有一定的改善作用.在生物柴油較早噴油時(shí),形成稀的均質(zhì)混合氣,缸內(nèi)燃燒溫度低,NOx排放低,增大EGR率對(duì)NOx排放影響不大;較晚噴油時(shí),由于混合氣濃度不均勻造成局部燃燒溫度高,使NOx排放較高,而隨著EGR率的提高延長(zhǎng)了滯燃期,減少了缸內(nèi)局部高溫區(qū),使NOx排放明顯下降.由于占燃料總量80%以上的正丁醇是充分預(yù)混的,soot排放很低,EGR率的提高使生物柴油滯燃期延長(zhǎng),混合更為充分,進(jìn)一步降低了soot排放.圖11為噴油時(shí)刻、EGR率對(duì)CO和NMHC排放的影響.EGR率較低時(shí),CO和NMHC排放在生物柴油較早噴油時(shí)刻變化不大,在噴油時(shí)刻較晚時(shí),隨EGR率增大,兩者明顯升高.在EGR率為45%時(shí),CO和NMHC排放明顯高于EGR率為35%和40%時(shí).EGR率的增加降低了缸內(nèi)的燃燒溫度,不利于CO和NMHC的氧化.3高預(yù)混壓燃燃燒過(guò)程(1)正丁醇與生物柴油比例決定了缸內(nèi)燃料活性,生物柴油噴油時(shí)刻影響缸內(nèi)燃料活性的分布,兩者相互作用調(diào)整缸內(nèi)燃料活性和活性分層,實(shí)現(xiàn)對(duì)