主噴角度對MF/柴油混合燃料的燃燒及排放特性的影響*

肖合林 江 奧 侯貝貝 曾鵬飛

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

主噴角度對MF/柴油混合燃料的燃燒及排放特性的影響*

肖合林1,2)江 奧1,2)侯貝貝1,2)曾鵬飛1,2)

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室1)武漢 430070) (汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢 430070)

在四缸直噴柴油機上，以2-甲基呋喃(MF)與柴油的混合物為燃料進行試驗，研究了噴油提前角對混合燃料燃燒及排放的影響.在調(diào)整柴油機噴油提前角的情況下，測試了柴油機尾氣排放，并對試驗結(jié)果進行了分析.結(jié)果表明，當(dāng)主噴角增大時，缸內(nèi)最高壓力會顯著增加，尾氣中NOx體積分?jǐn)?shù)會升高，HC體積分?jǐn)?shù)先大幅降低再小幅升高，CO體積分?jǐn)?shù)會下降.主噴角度為2.5 (°)CA時，尾氣中顆粒物總量較少，平均粒徑也較小.

二甲基呋喃；主噴角度；燃燒和排放

0 引 言

對化石燃料可采儲量和大規(guī)模燃燒化石燃料所引發(fā)的環(huán)境問題的擔(dān)心促使人們尋找新的能源解決方案.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)每年產(chǎn)生大量的農(nóng)作物廢料，如果能將這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可再生液體類燃料，尤其是不依賴于糧食作物的燃料被普遍認(rèn)為是一種短期到中期的替代能源解決方案[1].由生物質(zhì)纖維素大規(guī)模制取2,5-二甲基呋喃(DMF)和二甲基呋喃(MF)技術(shù)的突破以及它們更接近汽、柴油的理化性質(zhì)，使MF和DMF展現(xiàn)出成為內(nèi)燃機代用燃料的巨大可能[2].

MF和DMF 都屬于呋喃的同系物，理化性質(zhì)十分相似，但MF 的化學(xué)結(jié)構(gòu)比DMF 更簡單，而且具有更高的辛烷值.在汽油機上的燃燒研究發(fā)現(xiàn)，MF的抗爆性與DMF相近，且優(yōu)于汽油，但燃燒速率比DMF快，導(dǎo)致高的缸內(nèi)壓力；在排放方面，MF的HC排放與汽油、DMF相比，降低幅度較大，但NOx排放體積分?jǐn)?shù)較高[3-5]，但要推動MF的應(yīng)用進程還需要通過更多實驗來實現(xiàn).MF在柴油機上的燃燒應(yīng)用目前還少見報道.在柴油機的諸多參數(shù)中，噴油角度對柴油機油氣混合和燃燒品質(zhì)影響較大，適當(dāng)?shù)膰娪吞崆敖强擅黠@改善燃用MF時發(fā)動機的排放情況.實驗選用1臺四缸四沖程水冷增壓直噴柴油機，以MF和柴油的混合燃料，在不同的主噴射角度下進行燃燒實驗，測量尾氣中的HC，CO，NOx體積分?jǐn)?shù)、顆粒物濃度及氣缸內(nèi)的缸壓數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)分析混合燃料的燃燒及排放特性.

1 實驗設(shè)備、燃料及方案

1.1 實驗設(shè)備

實驗儀器主要有可改變運行參數(shù)的柴油機、電渦流測功機、燃油供給裝置、機油及冷卻水循環(huán)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和AVL尾氣分析儀、DMS500快速微粒頻譜儀等.柴油機為某公司提供的CY4FA-40型四缸四沖程水冷增壓直噴式柴油機，其主要參數(shù)見表1.實驗過程中通過調(diào)整電渦流測功機電流的大小來調(diào)整柴油機的輸出轉(zhuǎn)矩，使柴油機的轉(zhuǎn)速保持在1 800 r/min(±5 r/min).柴油機缸內(nèi)壓力通過Kistler壓力傳感器測量，信號經(jīng)電荷放大器放大后輸入CB-466燃燒分析儀.壓力數(shù)據(jù)每隔0.25 (°)CA取樣一次，取100個連續(xù)循環(huán)的平均值以減少誤差.尾氣排放用AVL氣體分析儀測量，煙度用不透光煙度計測量，顆粒物粒徑用DMS500測量.

實驗時，控制進氣溫度在(25±0.5) ℃，冷卻液溫度在(85±1) ℃，機油溫度在(87±1) ℃.

表1 柴油機的主要規(guī)格參數(shù)

1.2 實驗方案

試驗中，用市售的0#柴油與純度為99%的MF混合均勻，配制MF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的混合燃料，記為MF10.測試時保持柴油機的轉(zhuǎn)速(1 800 r/min)及噴油量不變(30%負(fù)荷)，EGR開度為0，分別調(diào)整發(fā)動機的主噴射提前角為2.5，7.5，12.5，17.5，22.5 (°)CA，研究缸內(nèi)壓力、壓力升高率、放熱率等燃燒參數(shù)的變化趨勢，排放尾氣中CO、HC、NOx體積分?jǐn)?shù)及顆粒物濃度變化情況.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 缸內(nèi)壓力、放熱率及燃燒過程分析

在試驗條件下，不同的主噴角度下滯燃期與燃燒持續(xù)期見圖1.隨著主噴提前角的提前，滯燃期先減小后增大，主噴提前角先增大后減小.主噴角度為22.5 (°)CA時，噴油時氣缸內(nèi)溫度和壓力較低導(dǎo)致滯燃期較長，在這期間噴入燃燒室的燃油較多，著火前形成的預(yù)混合氣多，擴散燃燒較為劇烈，使燃燒持續(xù)期急劇縮短(3 (°)CA)[6-7].主噴角度為2.5 (°)CA時，雖然開始噴油時缸內(nèi)溫度和壓力較高，但由于噴油時刻的過度延遲，著火前活塞已經(jīng)下行，缸內(nèi)溫度和壓力開始下降，導(dǎo)致滯燃期也較長.在活塞下行后，較低的溫度不利于柴油著火，但在較長的滯燃期有助于預(yù)混合氣形成的形成，導(dǎo)致擴散燃燒較為迅速，故燃燒持續(xù)期歷時較短(6 (°)CA).主噴角度為12.5 (°)CA時，滯燃期相對較短，著火前噴入缸內(nèi)的燃料相對較少，著火前形成的預(yù)混合氣較少，擴散燃燒過程較為平緩，故燃燒持續(xù)期歷時較長(13.25 (°)CA).

圖1 不同的主噴角度下滯燃期與燃燒持續(xù)期

在試驗條件下，不同的主噴角度對缸壓和放熱率的影響見圖2.隨著主噴提前角的提前，缸內(nèi)壓力峰值逐漸增大，峰值壓力和峰值放熱率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角提前.主噴角度為2.5 (°)CA時，噴油時刻的過度延遲導(dǎo)致主要燃燒過程發(fā)生在壓縮上止點之后，導(dǎo)致了缸內(nèi)壓力在做功行程中出現(xiàn)了一個小幅升高過程.隨著主噴角度的提前，燃燒逐漸提前到上止點之前，燃燒引起的缸壓升高和壓縮過程疊加，導(dǎo)致峰值缸壓逐漸升高.主噴角度為7.5 (°)CA時，主要燃燒過程也發(fā)生在上止點之后，但接近于上止點，燃燒發(fā)生時缸內(nèi)溫度和壓力較高，燃燒空間比2.5 (°)CA時的小，燃燒過程中缸壓曲線出現(xiàn)了明顯的峰.主噴角度為12.5 (°)CA時，主要的燃燒過程發(fā)生在上止點附近，較慢的擴散燃燒過程導(dǎo)致放熱率峰值較低，波較為平緩.主噴角度為22.5 (°)CA時，燃燒發(fā)生在上止點之前，劇烈的擴散燃燒導(dǎo)致放熱率峰值較大；燃燒過程和壓縮行程兩個因素的綜合作用導(dǎo)致了缸內(nèi)壓力峰值較大.

圖2 不同的主噴角度對缸壓和放熱率的影響

2.2 NOx的排放量

在試驗條件下，不同的主噴角度對NOx排放的影響見圖3.隨著主噴提前角度的提前，NOx排放升高.NOx生成的條件為富氧、高溫和高壓，主噴角度為2.5 (°)CA時，燃燒發(fā)生在做功行程中，缸內(nèi)壓力和溫度較低，燃燒過程中生成的NOx較少，尾氣中NOx體積分?jǐn)?shù)最低.隨著主噴角度的提前，缸內(nèi)峰值壓力升高，提前燃燒導(dǎo)致已燃?xì)怏w在較高溫度下停留時間也增加，導(dǎo)致NOx的體積分?jǐn)?shù)增加.故在圖3中看到了尾氣中NOx體積分?jǐn)?shù)隨主噴角度的增加而上升.

圖3 不同的主噴角度對NOx排放的影響

2.3 HC的排放

在試驗條件下，不同的主噴角度對HC排放的影響見圖4.隨著主噴角度的提前，HC排放先降低后升高，呈U字形變化趨勢.隨著噴油角度的提前，混合氣的均勻程度和燃燒都將變得更加充分，從而有利于降低尾氣中HC體積分?jǐn)?shù).但隨著主噴角度的進一步提前，燃油噴入氣缸時氣缸內(nèi)壓力和氣缸溫度降低，燃油的噴射貫穿距離會增加，部分燃油噴射到氣缸壁上會產(chǎn)生壁面淬熄現(xiàn)象，有助于使HC體積分?jǐn)?shù)上升[8]，另一方面，隨著缸內(nèi)壓力的提高，進入縫隙的未燃混合氣增加，也會增加未燃HC的生成量，一定程度上使尾氣中HC體積分?jǐn)?shù)有所上升.故由圖4可知，主噴角度為2.5 (°)CA時尾氣中HC體積分?jǐn)?shù)最高，主噴角度為12.5 (°)CA時尾氣中HC體積分?jǐn)?shù)最低，主噴角度增加后，HC體積分?jǐn)?shù)又稍有增加，尾氣中HC體積分?jǐn)?shù)最隨主噴角度的增加呈現(xiàn)出U字形變化趨勢.

圖4 不同的主噴角度對HC排放的影響

2.4 CO的排放

在試驗條件下，不同的主噴角度對CO排放的影響見圖5.隨著主噴角度的提前，尾氣中CO體積分?jǐn)?shù)快速下降到接近0.噴油角度為2.5 (°)CA時噴油時刻的過度延遲，導(dǎo)致燃燒不正常，部分混合氣不能充分燃燒導(dǎo)致CO生成量較大.主噴角度增加后，混合氣的均勻程度和燃燒都更加充分[9]，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促成更多的碳被氧化為CO2，從而CO體積分?jǐn)?shù)迅速降低.

圖5 不同的主噴角度對CO排放的影響

2.5 顆粒物的尺寸分布

在試驗條件下，不同的主噴提前角度下尾氣中顆粒物尺寸分布見圖6，平均粒徑和總數(shù)量濃度數(shù)據(jù)見圖7.由圖6～7可知，各主噴角下顆粒物包含有核模態(tài)粒子和積聚態(tài)顆粒物兩種粒子；主噴角度為2.5 (°)CA時，尾氣中顆粒物濃度較低，曲線明顯向左偏移，但當(dāng)主噴角度大于7.5 (°)CA之后，顆粒物濃度和粒徑分布曲線變化不太明顯.

圖6 不同的主噴提前角度下尾氣中顆粒物尺寸分布

圖7 平均粒徑和總數(shù)量顆粒濃度數(shù)據(jù)

核模態(tài)粒子的成因比較復(fù)雜，有研究認(rèn)為核模態(tài)粒子是由缸內(nèi)燃燒過程中產(chǎn)生的固態(tài)碳核、排氣過程中的稀釋和冷卻形成的揮發(fā)性碳?xì)浠衔镆约昂蚧旌衔锏瘸珊硕蒣10].主噴角度為2.5 (°)CA時，未燃HC的體積分?jǐn)?shù)較高；較高體積分?jǐn)?shù)的HC化合物有助于通過成核現(xiàn)象形成核態(tài)顆粒物，從而在一定程度上促成5～10 nm粒徑的核態(tài)顆粒物的生成，使圖6中曲線峰相對左移.另外，主噴角度為2.5 (°)CA時，燃油后噴效應(yīng)明顯，發(fā)動機排氣溫度和壓力較高，較高的排氣溫度對對核態(tài)顆粒物的氧化是非常有利的[11]，故有助于降低尾氣中總的核模態(tài)粒子濃度.噴油提前角由2.5 (°)CA提前到7.5 (°)CA，HC體積分?jǐn)?shù)降低，尾氣中粒徑為5～10 nm的核模態(tài)粒子的分布曲線下移明顯.當(dāng)噴油提前角的繼續(xù)提前，5～10 nm的核模態(tài)粒子的分布曲線呈下移趨勢，但變化不明顯.

積聚態(tài)顆粒物屬于細(xì)小微粒范疇，通常認(rèn)為積聚態(tài)顆粒物是缸內(nèi)燃油和潤滑油在高溫缺氧條件下發(fā)生熱裂解和脫氫反應(yīng)生成的初級碳煙粒子，經(jīng)過團聚和吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)而形成的.降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，可以降低局部過濃區(qū)域油質(zhì)熱裂解和脫氫傾向，有利于抑制初級碳煙粒子的生成，減少積聚態(tài)顆粒物的生成.此外，排氣溫度升高同樣可以增加積聚態(tài)顆粒物的氧化速率，導(dǎo)致積聚態(tài)顆粒物排放降低.主噴角度為2.5 (°)CA，缸內(nèi)最高燃燒溫度低，但是相對排氣溫度較高，故大粒徑的聚集態(tài)顆粒物濃度相對較低.當(dāng)噴油提前角增加后，缸內(nèi)最高壓力升高，尾氣中積聚態(tài)顆粒物的分布曲線比2.5 (°)CA時的曲線明顯上移.隨著主噴角的增加，積聚態(tài)顆粒物的分布曲線上移，但主噴角度從7.5 (°)CA增加到22.5 (°)CA的過程中，積聚態(tài)顆粒物的分布曲線上移趨勢不太明顯.

3 結(jié) 論

1) 隨著主噴角提前，MF/柴油混合燃料滯燃期先縮短再增加，對應(yīng)的燃燒持續(xù)期先變長后縮短.同時，MF/柴油混合燃料缸內(nèi)壓力峰值會升高.

2) MF/柴油混合燃料NOx排放隨主噴角度的提前而升高，這主要是因為缸內(nèi)燃燒溫度和壓力隨主噴角度的提前而升高.

3) 隨著主噴提前角的提前，MF/柴油混合燃料在缸內(nèi)與空氣混合的均勻程度以及燃燒都變得更加充分，從而使得HC和 CO排放降低.但隨著主噴角度的進一步提前，過大的主噴角度導(dǎo)致“濕壁”現(xiàn)象反而使HC排放升高.

4) 主噴角度為2.5 (°)CA時，MF/柴油混合燃料燃燒尾氣中顆粒物顆粒濃度較低.在2.5～7.5 (°)CA主噴提前角范圍內(nèi)，隨著主噴角度的提前，顆粒物的顆粒濃度和平均尺寸增大，但當(dāng)主噴角度大于7.5 (°)CA之后，顆粒物濃度和粒徑分布曲線變化不太明顯.

5) 采用合適的噴油提前角可改善MF/柴油混合燃料發(fā)動機的燃燒和排放性能.

[1]馮登全，衛(wèi)海橋,郭玉彬，等.2-甲基呋喃-汽油混合燃料對汽油機性能影響的試驗研究[C].保定:中國內(nèi)燃機學(xué)會,2014.

[2]XIAO H L, ZENG P F.Combustion performance and emissions of 2-methylfuran diesel blends in a diesel engine[J]. Fuel,2016,175:157-163.

[3]WANG C, XU H. Combustion characteristics and emissions of 2-methylfuran compared to 2,5-Dimethylfuran,gasoline and ethanol in a DISI engine[J]. Fuel,2013,103:200-205.

[4]MA X, XU H, JIANG C,et al. Ultra-high speed imaging and OH-LIF study of DMF and MF combustion in a DISI optical engine[J]. Applied Energy,2014,122:247-260.

[5]XIAO H, ZENG P, LI Z, et al.Combustion performance and emissions of 2-methylfuran diesel blends in a diesel engine[J]. Fuel,2016,157:163-175.

[6]陸瑤,王銀燕.噴油提前角對柴油機燃燒特性的影響[J].柴油機設(shè)計與制造,2011,17(2):4-9.

[7]譚丕強,陸寒祥.噴油提前角對柴油機排放影響的研究[J].內(nèi)燃機工程,2004,25(2)：9-11.

[8]石秀勇.噴油規(guī)律對柴油機性能與排放的影響研究[D].濟南：山東大學(xué)，2007.

[9]吳威龍,鄭朝蕾.PFI汽油機排氣微粒數(shù)濃度及粒徑分布研究[J].車用發(fā)動機,2011,8(4)：58-61.

[10]盧晶，劉玉峰,胡俊巍,等.柴油機的顆粒物排放及其控制策略[J].柴油機,2002(3)：25-26.

[11]BONATESTA F, CHIAPPETTA E. Part-load particulate matter from a GDI engine and the connection with combustion characteristics[J]. Applied Energy,2014,124:366-376.

Effect of Main Injection Angle on Combustion and Emission Characteristics of Methylfuran/Diesel Blended Fuel

XIAO Helin1,2)JIANG Ao1,2)HOU Beibei1,2)ZENG Pengfei1,2)

(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan 430070, China)1)(Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan 430070, China)2)

In this paper, experiments are carried out on the four-cylinder DICI engine with blends of diesel and MF. The influence of spray angle on the mixed fuel combustion and emissions is studied. The diesel emissions are measured and analyzed under different spray angles. Results show that when the spray angle increases, the highest pressure in cylinders increases significantly. Besides, the concentration of NOxin the tail gas rises, and the HC concentration decreases greatly and then rises slightly. In addition, the CO concentration is found to decline with the increase of the spray angle. When the spray angle is 2.5 (°)CA, the total amount of exhaust particulate matter is less and the average particle diameter is smaller.

methylfuran; main injection angle; combustion and emission

2017-01-17

*國家自然科學(xué)基金項目資助(21377101)

TK421.5

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.013

肖合林(1967—)：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域為發(fā)動機的燃燒及排放