EGR率和主噴時刻對生物柴油燃燒和排放的影響*

龍 騰 侯貝貝 王 儒 肖合林

(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)

0 引 言

生物柴油作為一種清潔含氧生物燃料，可供柴油機(jī)使用，是一種理想的替代燃料[1].既具有與石化柴油相似的物化性質(zhì)，又具有其不可企及的優(yōu)點，比如CO2排放低、污染物排放低等.但是柴油機(jī)燃用生物柴油仍存在燃燒噪聲較高、燃油消耗較高、排放需進(jìn)一步優(yōu)化等問題[2].

目前國內(nèi)外學(xué)者已對生物柴油的燃燒排放性能進(jìn)行了研究.朱磊[3]在一臺四缸柴油機(jī)上燃用生物柴油以及甲醇生物柴油和乙醇生物柴油混合燃料，分析了添加甲醇對生物柴油燃油經(jīng)濟(jì)性和燃燒特性的影響；堯命發(fā)等[4]對柴油機(jī)摻燒不同比例的生物柴油的燃燒排放性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)燃用混合燃料后，功率略有下降，燃油消耗率有所上升；煙度、CO和HC排放降低，但NOx排放上升；樓狄明等[5]研究預(yù)噴射對生物柴油發(fā)動機(jī)燃燒及排放特性影響，發(fā)現(xiàn)采用預(yù)噴射后滯燃期有所縮短，燃燒持續(xù)期有所增大.NOx排放均有所降低，大部分預(yù)噴射條件下PM排放有所增加；Deepak等[6]通過比較了4種不同EGR(exhaust gas recirculation)率下的排放情況，發(fā)現(xiàn)增大EGR率能有效的減少碳煙和NOx的排放；Fang等[7]通過不同的噴油策略實現(xiàn)生物柴油在直噴柴油機(jī)上的低溫燃燒，發(fā)現(xiàn)低溫燃燒模式下的燃燒放熱率曲線主要是由預(yù)混合燃燒組成，無明顯的擴(kuò)散燃燒階段，且低溫燃燒能有效抑制碳煙的形成并降低NOx排放.

文中以純生物柴油為原料，研究不同噴油策略下在1 800 r/min工況下主噴時刻與EGR率對柴油機(jī)排放性能的影響，本研究將為后續(xù)生物柴油發(fā)動機(jī)采用預(yù)噴射研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其研究方法具有一定的工程應(yīng)用價值.

1 試驗裝置及研究方法

1.1 試驗設(shè)備

實驗所用發(fā)動機(jī)型號為YC4FA115-40，四缸直列布置，高壓電控噴射系統(tǒng)，噴射壓力范圍為0～160 MPa,并且使用了廢氣渦輪增壓系統(tǒng).主要設(shè)備為：測功機(jī)-CWG110；發(fā)動機(jī)控制柜-FST3；缸內(nèi)壓力傳感器-Kistler6125C；電荷放大器-Type5018；缸內(nèi)壓力采集系統(tǒng)-CB-466；顆粒物分析儀-DMS500和色譜儀-GC-7900.

試驗是在1臺改裝過的4缸4沖程水冷增壓直噴柴油機(jī)上進(jìn)行，主要由改裝的ECU、可改變運(yùn)行參數(shù)的柴油機(jī)、燃油供給裝置、電渦流測功機(jī)、油耗儀、機(jī)油、冷卻水循環(huán)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和AVL尾氣分析儀等.AVL分析儀用于測量尾氣中HC、CO、NOx含量及過量空氣系數(shù).實驗前，開啟儀器進(jìn)行預(yù)熱及校正以保證實驗檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤.測量完成后讀取數(shù)據(jù)，記錄于表格中，每種工況下連續(xù)測量三次，然后取平均值.其中HC測量精度為0.1%，CO和NOx為10-6，而煙度則是通過不透光煙度計NH-T6檢測不透光度來測量的，精度為±2.0%，顆粒物粒徑及質(zhì)量濃度由DMS500進(jìn)行測量.

試驗中，電渦流測功機(jī)與發(fā)動機(jī)通過聯(lián)軸器連接，調(diào)整發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在(1 800±5) r/min.發(fā)動機(jī)的工況由電子控制單元(ECU)控制，發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力使用Kistler壓力傳感器測量，進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度使用壓縮機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)控制．進(jìn)氣溫度穩(wěn)定在(25±0.5) ℃，發(fā)動機(jī)的冷卻液溫度通過溫度控制器被精確控制在(85±1) ℃，機(jī)油溫度穩(wěn)定在±2 ℃.

1.2 測試燃料

表1為生物柴油和柴油理化特性的對比.

表1 生物柴油和柴油理化特性的對比

因原料油的不同，其理化特性存在一定差異，但這種差異并不太大.測試中所用生物柴油為由某公司提供，純度達(dá)到99%.

1.3 試驗方案

實驗過程中，EGR率是通過調(diào)節(jié)EGR閥門開度進(jìn)行控制，EGR率即為來自廢氣的充量m1發(fā)動機(jī)每循環(huán)吸入的新鮮充量m2的比值.實際測量中，很難確定廢氣質(zhì)量與進(jìn)氣質(zhì)量，但可以測出廢氣與進(jìn)氣中CO2的質(zhì)量.得到不同EGR開度對應(yīng)的EGR率見表2.

表2 生物柴油和柴油理化特性的對比 %

實驗中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 800 r/min，小負(fù)荷(30%)，定噴油量為22.2 mg/cyc，主噴油時刻Tψ分別設(shè)定為2.5°,7.5°,12.5°,17.5°,22.5°CA BTDC，在每個主噴時刻下，分別調(diào)整EGR率為20%,50%,80%,100%，測定缸內(nèi)壓力、壓力升高率、放熱率等燃燒參數(shù)的變化趨勢以及排放尾氣中CO,HC,NOx及顆粒物質(zhì)量濃度變化情況.為了降低實驗的測量誤差, 每個工況點下的數(shù)據(jù)最少進(jìn)行3次測量.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 EGR率和主噴時刻對生物柴油燃燒的影響

圖1為9%,25%EGR率下燃用生物柴油在不同主噴時刻下的缸內(nèi)壓力與放熱率曲線圖.由圖得在25%EGR率下，隨著主噴時刻Tψ提前，燃料與空氣混合充分，在著火前形成充足的可燃混合氣，缸內(nèi)燃燒壓力升高.Tψ為22.5°CA BTDC時，燃油在發(fā)動機(jī)壓縮行程中噴入氣缸，壓縮時缸內(nèi)壓力急劇增加.由于滯燃期較長，油氣混合均勻，柴油機(jī)容易出現(xiàn)工作粗暴現(xiàn)象，放熱過程劇烈，放熱率峰值較大，缸內(nèi)溫度和壓力快速上升，缸內(nèi)壓力升高率較大.主噴時刻在22.5°～12.5°CA BTDC之間時缸壓差別不大且無明顯雙峰.是因為主噴時刻較早，油氣均已混合完全，放熱主要集中在上止點附近，看不到明顯的壓縮峰.Tψ為2.5°CA BTDC時，噴油時刻的過度延遲導(dǎo)致燃燒主要發(fā)生在活塞下行階段，燃燒空間變大，缸內(nèi)溫度和壓力都隨之下降，燃燒始點也隨之后移，缸內(nèi)峰值壓力下降，較低的燃燒溫度和壓力易導(dǎo)致燃燒不完全.在9%EGR率下，缸壓和放熱率的變化趨勢與25%EGR率時基本一致，但燃燒始點并無明顯差異，說明在該工況下，主噴時刻對燃燒始點影響較小.這是因為在低EGR率下，缸內(nèi)溫度較高，各種混合燃料在此條件下都容易著火，較高的溫度使滯燃期的影響并不明顯，故燃燒相位無明顯差異.

圖1 主噴時刻對缸壓放熱率影響圖

圖2為主噴時刻為2.5°,17.5°CA BTDC時，燃用生物柴油在不同EGR率下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線圖.大比例EGR同樣是實現(xiàn)低溫燃燒[8]的有效途徑.Tψ為2.5°CA BTDC條件下，隨著EGR的增加，峰值燃燒壓力逐漸降低，峰值燃燒壓力所對應(yīng)的時刻逐漸遠(yuǎn)離活塞上止點.峰值放熱率也隨著EGR的增加而降低，且發(fā)生時刻逐漸遠(yuǎn)離上止點.發(fā)動機(jī)燃燒廢氣中CO2和H2O分子的比熱容較大，導(dǎo)致廢氣的比熱容比新鮮空氣的比熱容大.隨著EGR的增大，廢氣對新鮮空氣的稀釋作用增加，氣缸內(nèi)氧濃度降低.另一方面，隨著廢氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，缸內(nèi)氣體溫度升高率降低，有助于延長滯燃期，燃燒開始點延遲，最終都有利于降低缸內(nèi)溫度.缸內(nèi)燃燒主要受溫度和氧濃度控制，較低的缸內(nèi)溫度和氧質(zhì)量濃度使反應(yīng)速率降低.Tψ為17.5°CA BTDC條件下，隨著EGR率增大，缸內(nèi)壓力和放熱率下降趨勢變緩.這是因為加入EGR延長滯燃期，促進(jìn)混合氣形成，雖然較低的氧濃度影響缸內(nèi)化學(xué)反應(yīng)過程，但兩因素綜合作用使缸內(nèi)壓力變化趨于平緩.

圖2 EGR率對缸壓放熱率影響圖

圖3為生物柴油滯燃期隨EGR率和主噴時刻變化規(guī)律，由圖3可知,同一主噴時刻隨著EGR率增加，滯燃期延長；同一EGR率下，隨主噴時刻推遲，滯燃期先縮短后延長.前者是由于EGR率升高，進(jìn)氣比熱容增大使缸內(nèi)溫度降低，滯燃期延長.后者是由于主噴時刻推遲，缸內(nèi)溫度和壓力逐漸升高，有利于燃油的蒸發(fā)霧化，滯燃期縮短.當(dāng)主噴時刻進(jìn)一步推遲，雖然開始噴油時缸內(nèi)溫度和壓力較高，但噴油時刻的過度延遲導(dǎo)致著火前活塞已經(jīng)下行，缸內(nèi)溫度和壓力已經(jīng)下降，燃料蒸發(fā)霧化惡化，滯燃期延長.

圖3 EGR率和主噴時刻對滯燃期的影響

2.2 EGR率和主噴時刻對排放的影響

在試驗條件下，EGR率對NOx排放的影響見圖4.由于NOx排放在缸內(nèi)生成的三要素為：高溫、富氧和作用時間.而生物柴油含氧，相比于普通石化柴油，柴油機(jī)燃燒生物柴油時，NOx排放較高.EGR增加后，進(jìn)氣熱容增大，缸內(nèi)最高燃燒溫度也降低，而廢氣再循環(huán)量增加，混合氣中氧濃度下降，然而滯燃期延長，燃料與空氣充分混合.綜合以上因素，總體上在同一主噴時刻中NOx排放隨EGR率升高而下降.在同一EGR率下，NOx排放隨主噴時刻提前而升高較快.在主噴時刻為2.5°CA BTDC時，著火時活塞下行，缸內(nèi)溫度和壓力較低，燃?xì)庠诟邷馗邏悍磻?yīng)時間短，生成的NOx減少，而隨著主噴時刻提前，缸內(nèi)最高壓力和溫度持續(xù)升高，燃?xì)庠诟邷馗邏合路磻?yīng)時間增加，NOx排放相應(yīng)上升.因此，較大的EGR率與主噴時刻的適當(dāng)延遲能實現(xiàn)低溫燃燒，降低NOx排放.

圖4 EGR率和主噴時刻對NOx的影響

在試驗條件下，EGR對HC排放的影響見圖5.HC是燃油不完全燃燒的產(chǎn)物，影響HC排放的原因較多，而本實驗樣機(jī)是直噴柴油機(jī)，燃油受到的冷壁效應(yīng)、狹縫效應(yīng)、沉淀物吸附作用影響較小.因此在不同工況下，由不同的因素起著主導(dǎo)作用.Tψ為2.5°CA BTDC時，燃油噴入缸內(nèi)時溫度和壓力較高，有助于混合氣的形成，但由于活塞處于下行階段，燃燒持續(xù)期較短，混合氣的不完全燃燒導(dǎo)致HC排放量較高.隨著Tψ增加，混合氣處于高溫高壓環(huán)境中時間延長，有助于降低HC排放濃度.Tψ繼續(xù)增大到12.5°CA BTDC時，HC的排放開始上升.原因是燃油噴入氣缸時缸內(nèi)壓力和溫度變低，油束的貫穿距離較大，出現(xiàn)燃油的壁面淬熄[9]，使HC排放量增加.另外，剛加入EGR后，HC排放降低，因為滯燃期延長，燃料空氣混合良好，HC能較好的氧化而抵消缸內(nèi)溫度降低的因素；而隨著EGR繼續(xù)增加，進(jìn)氣中廢氣的摻混率提高，進(jìn)氣中氧質(zhì)量濃度降低，燃燒始點延后，滯燃期延長，缸內(nèi)燃燒溫度下降，HC排放濃度升高.

圖5 EGR率和主噴時刻對HC的影響

在試驗條件下，主噴時刻和EGR對CO排放的影響見圖6.由圖6可知，CO排放隨主噴時刻提前而下降.相同主噴時刻下，在主噴提前角較小時，EGR率對CO排放影響較大，CO排放隨EGR上升而增大.這是因為在Tψ為2.5°CA BTDC時，由于大量燃燒發(fā)生在活塞下行階段，擴(kuò)散燃燒能力下降，而隨著EGR的增加，新鮮空氣量減少，加劇了CO排放物的增加.Tψ增大后，CO排放逐漸降低.是因為主噴時刻提前，缸內(nèi)燃燒溫度升高，利于CO的氧化，此時CO排放隨EGR變化率較小.

圖6 EGR率和主噴時刻對CO的影響

圖7為煙度隨EGR率和主噴時刻的變化曲線圖.碳煙與CO類似，也是碳?xì)淙剂系牟煌耆紵a(chǎn)物，在同一EGR率下，除了2.5°CA BTDC，碳煙生成量幾乎是先降低再升高的趨勢.原因是剛開始隨主噴時刻提前，缸內(nèi)燃燒更充分，碳煙排放降低，而主噴時刻進(jìn)一步提前，一部分油束會噴射到壁面，該部分燃油未充分氧化，因此碳煙排放升高.而在同一主噴時刻下，EGR率增大，碳煙排放呈不同程度的增加，原因是EGR升高使缸內(nèi)氧的濃度降低，且氣體比熱增大，不利于碳煙氧化.

圖7 EGR率和主噴時刻對煙度的影響

圖8為主噴時刻為12.5°CA BTDC時不同EGR率下碳煙顆粒尺寸分布.一般來說，顆粒物的尺寸分布分為兩種模態(tài)：核模態(tài)顆粒(直徑<50 mm)和聚集態(tài)顆粒(直徑≥50 mm)[10].由圖8可知，隨EGR率增加，核模態(tài)顆粒分布減少，聚集態(tài)顆粒分布增加.這是由于EGR率增加會降低缸內(nèi)氧濃度，減少聚集態(tài)顆粒的氧化.另外缸內(nèi)溫度也會降低，使燃燒惡化，形成更多核模態(tài)顆粒凝結(jié)為聚集態(tài)顆粒.

圖8 EGR率對顆粒數(shù)密度尺寸分布特性的影響

圖9為EGR率25%下，不同主噴時刻的碳煙尺寸分布.由圖可知，主噴時刻對顆粒物尺寸及數(shù)量分布分為兩個階段，在22.5°～12.5°CA BTDC下，隨著噴油時刻的推遲，顆粒物中聚集態(tài)顆粒數(shù)目增加，核模態(tài)顆粒數(shù)目減少，而在12.5°～2.5°CA BTDC下呈相反趨勢.在前一階段，缸內(nèi)壓力和溫度較高，燃油噴入缸內(nèi)能較好的霧化，形成均勻的混合氣，隨主噴時刻推遲，滯燃期縮短，油氣混合較差，缸內(nèi)溫度降低，因此碳煙氧化速率減慢，聚集態(tài)顆粒數(shù)目增多；在后一階段，主噴時刻進(jìn)一步推遲，導(dǎo)致著火前活塞已下行，缸內(nèi)溫度和壓力下降，不利于碳煙前驅(qū)物的生成，且滯燃期也變長，因此聚集態(tài)顆粒數(shù)目降低.

圖9 主噴時刻對顆粒物密度尺寸分布特性的影響

3 結(jié) 論

1) 隨著EGR率的增大，缸壓峰值和放熱率峰值降低，滯燃期延長.HC和CO排放升高，NOx排放降低，煙度升高，核模態(tài)顆粒物數(shù)目降低，聚集態(tài)顆粒物數(shù)目增加.

2) 隨著主噴時刻的提前，缸壓峰值和放熱率峰值升高，放熱始點提前，滯燃期先縮短后延長.HC和CO排放降低，NOx排放升高，煙度值先下降到最低值再上升，在17.5°～22.5°CA BTDC基本維持在較低的水平，顆粒物尺寸分布峰值在22.5°～12.5°CA BTDC隨主噴時刻推遲聚集態(tài)顆粒物濃度上升，核模態(tài)濃度下降，隨后呈相反趨勢.

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