丁醇-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性試驗(yàn)研究

李鑫，董超，韓偉強(qiáng)，劉興文，李博侖

(1.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；2.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，湖北 襄陽 441004)

近年來，采用缸內(nèi)直噴高活性燃料+氣道噴射低活性燃料的雙燃料(或RCCI)燃燒模式已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。該模式能夠通過調(diào)節(jié)缸內(nèi)工質(zhì)的活性分布和梯度有效地控制燃燒相位、放熱規(guī)律并降低壓力升高率，可在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒[1-2]。相關(guān)研究表明[3-7]雙燃料燃燒模式在提高熱效率和降低污染物排放方面極具潛力。Kokjoh[8]等研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)柴油燃燒相比，采用汽油-柴油雙燃料燃燒模式能使指示熱效率提高約16.4%。Splitter[9]等也指出，汽油-柴油雙燃料燃燒模式可使指示熱效率達(dá)到約60%。此外，Benajes[10]、堯命發(fā)[11]等研究發(fā)現(xiàn)，采用雙燃料燃燒模式可在不使用后處理技術(shù)條件下使NOx和Soot排放接近于0。

目前，醇類燃料(如甲醇、乙醇、丁醇等)作為低活性燃料已被廣泛應(yīng)用于雙燃料燃燒模式。與甲醇、乙醇相比，丁醇具有較高熱值、較高能量密度、較高閃點(diǎn)、密度與柴油接近、對(duì)燃油管路無腐蝕性等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，已被認(rèn)為是一種更具潛力的應(yīng)用于雙燃料燃燒模式的低活性燃料[12-13]。針對(duì)采用丁醇作為低活性燃料的雙燃料燃燒模式，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作。Chen[14]等對(duì)正丁醇-柴油雙燃料燃燒的研究結(jié)果表明，在低EGR率(15%)時(shí)，正丁醇比例的增加將增大缸壓峰值和放熱率峰值，減小燃燒持續(xù)期；而在高EGR率(45%)時(shí)，正丁醇比例的增加降低了缸壓峰值和放熱率峰值，并使著火始點(diǎn)推遲、燃燒持續(xù)期增加。Soloiu[15]等指出正丁醇-生物柴油雙燃料燃燒可通過控制燃燒相位改變NOx-Soot的折中關(guān)系，同時(shí)使NOx和Soot分別降低74%和98%。Ruiz[16]等還研究了正丁醇-柴油雙燃料燃燒模式對(duì)顆粒物物理化學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)柴油燃燒相比，正丁醇-柴油雙燃料燃燒能夠增強(qiáng)顆粒物的氧化反應(yīng)活性，并使其活性表面積和可溶性有機(jī)成分增加。此外，Lopez[17]等還指出正丁醇-柴油或乙醇-柴油雙燃料燃燒均可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率；相比于乙醇，正丁醇是一種更加優(yōu)異的低活性燃料，能夠更好地改變污染物排放之間的折中關(guān)系。

丁醇有正丁醇、仲丁醇、異丁醇和叔丁醇4種同分異構(gòu)體。它們雖然均具有OH基官能團(tuán)，但分子結(jié)構(gòu)(羥基位置和碳鏈結(jié)構(gòu))存在明顯差異。大量的研究表明，4種同分異構(gòu)體分子結(jié)構(gòu)上的差異將引起不同的燃燒與排放行為。Moss[18]等利用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型通過反應(yīng)通量和敏感性分析發(fā)現(xiàn)，由于正丁醇和異丁醇在化學(xué)反應(yīng)過程中主要發(fā)生脫氫和熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生高活性的H原子和羥基自由基，為高反應(yīng)活性的異構(gòu)體；而叔丁醇和仲丁醇在化學(xué)反應(yīng)過程中主要發(fā)生脫水反應(yīng)，產(chǎn)生較穩(wěn)定的低活性自由基，為低反應(yīng)活性的異構(gòu)體。Gu[19]等在定容燃燒彈上研究了4種丁醇同分異構(gòu)體的層流燃燒速度。結(jié)果表明，分子結(jié)構(gòu)對(duì)層流燃燒速度有較大影響，4種同分異構(gòu)體的層流燃燒速度從大到小依次為正丁醇，仲丁醇，異丁醇，叔丁醇。Stranic[20]等在激波管中測(cè)量了4種丁醇同分異構(gòu)體的著火延遲時(shí)間。他們發(fā)現(xiàn)4種同分異構(gòu)體的著火延遲時(shí)間從小到大依次為正丁醇，仲丁醇和異丁醇，叔丁醇。此外，Viteri[21]等在管流反應(yīng)器中研究發(fā)現(xiàn)，4種丁醇同分異構(gòu)體在高溫分解反應(yīng)中生成的Soot濃度從高到低依次為叔丁醇，仲丁醇，正丁醇，異丁醇。Singh[22]等在逆流擴(kuò)散火焰的研究中也指出，在多環(huán)芳香烴(PAHs)的生長階段，仲丁醇生成的PAHs最少，叔丁醇生成的PAHs最多，正丁醇和異丁醇生成的PAHs介于兩者之間。

綜上所述，丁醇-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的研究主要集中于正丁醇，而針對(duì)異丁醇-柴油的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的研究卻鮮有報(bào)道，已有的關(guān)于異丁醇的研究均是與柴油摻燒開展的[23-25]。正丁醇、異丁醇兩種同分異構(gòu)體的燃燒與排放行為的差異性研究也主要是在定容燃燒彈、激波管等裝置上基于單一燃料燃燒的基礎(chǔ)研究，而對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響差異性卻鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究在1臺(tái)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上，分別以正丁醇和異丁醇作為低活性燃料，柴油作為高活性燃料開展了燃燒試驗(yàn)，分析了正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的燃燒和排放特性，并比較了兩種丁醇同分異構(gòu)體在燃燒和排放方面的差異。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)排量8.4 L、6缸、直列渦輪增壓柴油機(jī)，其基本參數(shù)見表1。為了實(shí)現(xiàn)雙燃料燃燒，在進(jìn)氣管上增加一套丁醇供給系統(tǒng)，其噴射壓力和噴射時(shí)刻分別為0.5 MPa和0°ATDC。丁醇供給系統(tǒng)和原機(jī)柴油供給系統(tǒng)均由課題組自行開發(fā)的電控單元(ECU)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)丁醇和柴油噴射時(shí)刻和噴油脈寬的靈活柔性調(diào)節(jié)。丁醇和柴油的消耗量分別由ToCeiL-CMFD015型和ET2500型智能油耗儀進(jìn)行測(cè)量。缸內(nèi)燃燒參數(shù)采用課題組自行開發(fā)的燃燒參數(shù)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)由Kistler 6125C型缸壓傳感器、Kistler 5011B10型電荷放大器、NI USB6353型采集卡和E6C2-CWZ3E型光電編碼器等組成。氣體排放(CO,NOx,HC)測(cè)量采用HORIBA MEXA-7100DEGR型氣體排放分析儀；顆粒物測(cè)量采用Cambustion DMS500 MKII快速型微粒光譜儀，粒徑測(cè)量范圍為5～1 000 nm，帶有兩級(jí)稀釋系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)定稀釋比分別為4∶1和150∶1，稀釋氣體為高純空氣。圖1示出試驗(yàn)臺(tái)架示意。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)用柴油為0號(hào)國五柴油，正丁醇和異丁醇為純度99.9%的分析醇，其理化性質(zhì)見表2。

表2 試驗(yàn)用燃料理化性質(zhì)[12-13]

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中，保持冷卻水出水溫度和機(jī)油溫度分別為(80±1)℃和(85±1)℃，進(jìn)氣溫度保持為(30±1)℃。在轉(zhuǎn)速1 500 r/min、缸內(nèi)循環(huán)總能量1 280 J/cycle、不同柴油噴射定時(shí)和丁醇替代比條件下，研究進(jìn)氣道噴射不同分子結(jié)構(gòu)丁醇(正丁醇和異丁醇)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律。試驗(yàn)工況見表3。

表3 試驗(yàn)工況

丁醇替代比定義如下：

(1)

式中：mD為柴油的質(zhì)量流量；HuD為柴油的低熱值；mx為進(jìn)氣道噴射燃料的質(zhì)量流量；Hux為進(jìn)氣道噴射燃料的低熱值；rx為丁醇替代比；下標(biāo)x為n或iso，分別代表正丁醇或異丁醇。

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒特性

圖2示出轉(zhuǎn)速1 500 r/min、缸內(nèi)循環(huán)總能量1 280 J/cycle工況，當(dāng)丁醇替代比為50%和60%時(shí)，柴油噴射定時(shí)分別為-8°，-18°，-35°ATDC的缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率曲線。由圖2可知，隨著柴油噴射定時(shí)的提前，最大缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均提前，最大缸內(nèi)壓力逐漸增加，瞬時(shí)放熱率峰值先增大后減小。這主要是由于隨著柴油噴射定時(shí)的提前，缸內(nèi)形成可燃混合氣的時(shí)刻提前且缸內(nèi)工質(zhì)的混合時(shí)間增長，致使缸內(nèi)工質(zhì)更早地發(fā)生燃燒反應(yīng)，并使預(yù)混燃燒比例增加，因此，最大缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，最大缸內(nèi)壓力增加。然而，柴油噴射定時(shí)提前雖然能夠增大預(yù)混燃燒比例，促進(jìn)瞬時(shí)放熱率峰值增加，但也降低了缸內(nèi)工質(zhì)著火時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力和溫度，并使局部空燃比增大，可燃混合氣活性降低，從而抑制可燃混合氣的燃燒反應(yīng)速率。因此，在上述因素的綜合作用下，瞬時(shí)放熱率峰值隨柴油噴射定時(shí)的提前而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖2 不同柴油噴射定時(shí)下缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率

圖3示出不同柴油噴射定時(shí)下的缸內(nèi)最高平均溫度。由圖3可知，隨著柴油噴射定時(shí)的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的缸內(nèi)最高平均溫度均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)；而隨著丁醇替代比的增加，兩者缸內(nèi)最高平均溫度均降低。 這是由于隨著柴油噴射定時(shí)的提前，燃燒始點(diǎn)提前，相同曲軸轉(zhuǎn)角下的累計(jì)放熱量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒溫度增加；而隨著替代比的增加，缸內(nèi)工質(zhì)的汽化潛熱增加，冷卻作用增強(qiáng)，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒溫度降低。

圖4示出不同柴油噴射定時(shí)下燃燒參數(shù)(θCA10,θCA50和θCA90)的變化情況。隨著柴油噴射定時(shí)的提前，缸內(nèi)形成可燃混合氣提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的燃燒始點(diǎn)θCA10逐漸提前；但柴油噴射得越早，著火時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力和溫度越低，且增長了柴油的混合時(shí)間，降低了局部燃空當(dāng)量比，使燃燒速度下降，從而導(dǎo)致兩種燃燒的燃燒持續(xù)期(記為θCD，θCD=θCA90-θCA10)逐漸增長。此外，隨著柴油噴射定時(shí)的提前，丁醇替代比為50%時(shí)，θCA50和θCA90逐漸提前，而丁醇替代比為60%時(shí)，θCA50和θCA90先提前后延遲。通常，柴油噴射時(shí)刻提前，燃燒始點(diǎn)θCA10提前，也將促使θCA50和θCA90提前。然而，在雙燃料燃燒模式下，隨著丁醇替代比的增加，缸內(nèi)工質(zhì)總體活性降低，同時(shí)過早的柴油噴射也促進(jìn)了柴油分布得更加均勻，從而使燃燒速度明顯下降，進(jìn)而導(dǎo)致了丁醇替代比為60%、柴油噴射定時(shí)為-35°ATDC時(shí)的θCA50和θCA90有所延遲。

圖3 不同柴油噴射定時(shí)下缸內(nèi)最高平均溫度

圖4 不同柴油噴射定時(shí)下燃燒參數(shù)(θCA10,θCA50和θCA90)

另外，由圖4還可發(fā)現(xiàn)，在相同丁醇替代比和柴油噴射定時(shí)條件下，相比于正丁醇-柴油，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的θCA10,θCA50和θCA90均提前，燃燒持續(xù)期更短。這主要是由于在丁醇-柴油雙燃料燃燒反應(yīng)過程中，異丁醇對(duì)OH基的爭奪能力弱于正丁醇，從而使異丁醇-柴油雙燃料燃燒反應(yīng)過程中的可用OH基濃度更高，促使其燃燒始點(diǎn)提前，燃燒速度增加，進(jìn)而使其θCA10，θCA50和θCA90提前，燃燒持續(xù)期縮短。

圖5示出不同柴油噴射定時(shí)下的最大壓力升高率。由圖5可知，隨著柴油噴射定時(shí)的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的最大壓力升高率均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在柴油噴射定時(shí)為-18°ATDC時(shí)達(dá)到最大。在相同丁醇替代比和柴油噴射定時(shí)下，相比于異丁醇-柴油，正丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期較長，預(yù)混燃燒比例較大，也導(dǎo)致了正丁醇-柴油雙燃料燃燒的最大壓力升高率高于異丁醇-柴油。

圖5 不同柴油噴射定時(shí)下最大壓力升高率

2.2 排放特性

圖6和圖7示出轉(zhuǎn)速1 500 r/min、缸內(nèi)循環(huán)總能量1 280 J/cycle工況，當(dāng)丁醇替代比為50%和60%時(shí)，柴油噴射定時(shí)分別為-8°，-18°，-35°ATDC的HC和CO排放變化情況。

圖6 不同柴油噴射定時(shí)下HC排放

圖7 不同柴油噴射定時(shí)下CO排放

在雙燃料燃燒模式下，HC和CO主要生成于溫度較低且缺少高活性燃料的近氣缸壁面區(qū)域[34]。隨著柴油噴射定時(shí)的提前，柴油混合時(shí)間增長，預(yù)混燃燒比例增加，缸內(nèi)燃燒溫度以及柴油的分布均得到改善，使燃燒更加充分，從而導(dǎo)致正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC和CO排放均逐漸降低。另外，由圖6和圖7還可發(fā)現(xiàn)，在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時(shí)條件下，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC排放高于正丁醇-柴油，而CO排放低于正丁醇-柴油。這可能是由于異丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期相對(duì)較短，高活性燃料的分布較差，燃燒溫度也較低，降低了HC向CO的轉(zhuǎn)化速率，從而使其HC排放高于正丁醇-柴油雙燃料燃燒。同時(shí)， 由于HC向CO轉(zhuǎn)化速率的降低，也促使異丁醇-柴油雙燃料燃燒的CO排放相對(duì)低于正丁醇-柴油。

圖8示出不同柴油噴射定時(shí)下的NOx排放情況。由圖8可見，隨著柴油噴射定時(shí)的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的NOx排放均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。這可能是由于隨著柴油噴射定時(shí)的提前，柴油混合時(shí)間增加，一方面增加了預(yù)混燃燒比例，使高溫反應(yīng)區(qū)域增大，另一方面，也降低了預(yù)混燃燒區(qū)域的高活性燃料濃度，降低了絕熱火焰溫度[34-35]。因此，在兩者的綜合作用下導(dǎo)致了NOx排放隨柴油噴射定時(shí)提前所呈現(xiàn)的變化規(guī)律。另外還可發(fā)現(xiàn)，在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時(shí)條件下，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的NOx排放高于正丁醇-柴油。相比于正丁醇-柴油，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期較短，盡管使預(yù)混燃燒的高溫區(qū)域有所縮小，但卻使預(yù)混燃燒區(qū)域內(nèi)的絕熱火焰溫度有所升高，絕熱火焰溫度的升高可能成為了主導(dǎo)因素，從而促使異丁醇-柴油雙燃料燃燒的NOx排放較高。

圖8 不同柴油噴射定時(shí)下NOx排放

圖9示出不同柴油噴射定時(shí)下的顆粒物粒徑(Dp)分布。由圖9可知，隨著柴油噴射定時(shí)的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的核態(tài)顆粒物峰值和聚積態(tài)顆粒物峰值均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。其主要原因是隨著柴油噴射定時(shí)的提前，柴油混合時(shí)間增長，柴油分布得更加均勻，局部過濃區(qū)域減小，同時(shí)也降低了絕熱火焰溫度，兩方面的共同作用抑制了顆粒物的生成，從而導(dǎo)致了正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒顆粒物排放隨柴油噴射定時(shí)提前的變化規(guī)律。

圖9 不同柴油噴射定時(shí)下顆粒物粒徑分布

此外，由圖9還可發(fā)現(xiàn)，在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時(shí)條件下，相比于正丁醇-柴油，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的核態(tài)顆粒物峰值和聚積態(tài)顆粒物峰值較低，且核態(tài)顆粒物峰值粒徑有減小的趨勢(shì)，而聚積態(tài)顆粒物的峰值粒徑有增大的趨勢(shì)。雖然正丁醇-柴油雙燃料燃燒的滯燃期較長，缸內(nèi)工質(zhì)的混合時(shí)間較長，能夠減小缸內(nèi)局部過濃區(qū)域和降低絕熱火焰溫度，有利于減少燃燒過程中顆粒物的生成，但是正丁醇和異丁醇的分子結(jié)構(gòu)明顯不同，其化學(xué)反應(yīng)過程也將存在顯著的差異，從而造成不同的顆粒物排放行為。Viteri[21]等在進(jìn)行丁醇同分異構(gòu)體高溫分解反應(yīng)的研究中指出，炭煙(Soot)的形成與丁醇同分異構(gòu)體分子中的β-H原子數(shù)量密切相關(guān)，β-H原子數(shù)量越多炭煙生成量越大；正丁醇分子中存在2個(gè)β-H原子，異丁醇分子中存在1個(gè)β-H原子，正丁醇在燃燒過程中生成的炭煙量明顯高于異丁醇。Singh[36]等在丁醇同分異構(gòu)體炭煙形成過程的研究中證實(shí)，相比于異丁醇，正丁醇在燃燒過程中生成了更多的炭煙。因此，正丁醇和異丁醇分子結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的不同化學(xué)反應(yīng)過程，可能是在相同燃燒組織條件下異丁醇-柴油雙燃料燃燒顆粒物排放低于正丁醇-柴油的主要因素。

3 結(jié)論

a) 隨著柴油噴射定時(shí)的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的最大缸內(nèi)壓力相位、瞬時(shí)放熱率峰值相位和燃燒始點(diǎn)θCA10逐漸提前，最大缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)最高平均溫度和燃燒持續(xù)期逐漸增加，瞬時(shí)放熱率峰值和最大壓力升高率先增大后減小；

b) 在相同的柴油噴射定時(shí)和丁醇替代比條件下，相比于正丁醇-柴油雙燃料燃燒，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的θCA10，θCA50和θCA90均提前，滯燃期和燃燒持續(xù)期變短，最大缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率峰值和最大壓力升高率降低；

c) 隨著柴油噴射定時(shí)的提前，正丁醇-柴油和異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC，CO，核態(tài)顆粒物峰值和聚積態(tài)顆粒物峰值均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，而NOx呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；

d) 在相同的丁醇替代比和柴油噴射定時(shí)條件下，相比于正丁醇-柴油雙燃料燃燒，異丁醇-柴油雙燃料燃燒的HC和NOx排放較高，而CO、核態(tài)顆粒物峰值和聚積態(tài)顆粒物峰值較低。