EGR率對(duì)乙醇/生物柴油混合燃料燃燒及排放特性的影響

肖合林，李勝君，薛?琪，鞠洪玲

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EGR率對(duì)乙醇/生物柴油混合燃料燃燒及排放特性的影響

肖合林1, 2，李勝君1, 2，薛?琪1, 2，鞠洪玲1, 2

(1. 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070； 2. 武漢理工大學(xué)汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

在一臺(tái)經(jīng)過(guò)深度改裝的四缸直噴水冷柴油機(jī)上，燃用乙醇與生物柴油的混合燃料，研究了EGR率與燃料特性對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放的影響．結(jié)果表明：EGR系統(tǒng)的介入以及乙醇的摻混均可減小燃燒過(guò)程中缸內(nèi)壓力和放熱率峰值．燃用同種摻混比的燃料，隨著EGR率的增大，滯燃期和燃燒持續(xù)期出現(xiàn)了不同程度的延長(zhǎng)，當(dāng)量燃油消耗率升高，有效熱效率降低．EGR率不變時(shí)，燃用不同摻混比的混合燃料，隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，滯燃期與燃燒持續(xù)期逐漸延長(zhǎng)，當(dāng)量燃油消耗率逐漸降低，有效熱效率逐漸升高．NO的排放量在EGR引入后出現(xiàn)了顯著下降，HC排放量升高．相同EGR率下，隨著乙醇摻混比的提高NO排放量略微下降，HC排放量表現(xiàn)出先減小后升高的趨勢(shì)．相比純生物柴油，乙醇的摻混可以顯著減少大粒徑顆粒物的數(shù)量．EGR率的變化對(duì)核模態(tài)粒子的數(shù)量影響不明顯，但聚集態(tài)粒子的數(shù)量會(huì)隨著EGR率的提高出現(xiàn)較為明顯的增多．將乙醇、生物柴油和EGR系統(tǒng)三者相耦合可改善柴油機(jī)的燃燒及排放特性．

EGR率；乙醇；生物柴油；燃燒；排放

代用燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用從未停止，這不僅是出于能源安全的考慮，即石油資源告罄后需要代用燃料的技術(shù)儲(chǔ)備，也是出于解決傳統(tǒng)常規(guī)燃料對(duì)大氣環(huán)境造成較大污染的現(xiàn)實(shí)要求．由于生物柴油具有與傳統(tǒng)柴油相近的理化特性，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)．研究表明：燃用生物柴油可顯著降低CO、HC和PM的排放，但因其分子的含氧特性(約10.8%)促進(jìn)了NO的生成導(dǎo)致排放量有所上升[1]．由于生物柴油具有運(yùn)動(dòng)黏度大，低溫流動(dòng)性差、噴射錐角小、貫穿距離長(zhǎng)等缺點(diǎn)[2]，導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量差與空氣混合不均，容易形成局部缺氧區(qū)域，使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能變差；而乙醇運(yùn)動(dòng)黏度小、低溫流動(dòng)性好、揮發(fā)性好，與生物柴油摻混使用可改善上述缺點(diǎn)[3].其次，乙醇的十六烷值含量較低，發(fā)火性能差，混合使用后生物柴油的高十六烷值恰好能得到中和．因此，乙醇與生物柴油的混合實(shí)際上是兩種燃料理化特性的互補(bǔ)．

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(exhaust gas recirculation system)是目前柴油機(jī)減少NO排放最有效的手段[4-7].艾曉威[8]在1臺(tái)四缸直噴柴油機(jī)上研究了大EGR率工況下柴油機(jī)燃用生物柴油的工作特性．結(jié)果表明：傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒模式存在Soot和NO排放的trade-off關(guān)系，通過(guò)超高EGR率實(shí)現(xiàn)低溫燃燒工作模式能夠很有效地實(shí)現(xiàn)Soot排放和NO排放的雙降．張全長(zhǎng)[9]對(duì)柴油機(jī)的低溫燃燒理論和燃燒控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性研究．結(jié)果表明：隨著EGR率的升高，在Soot-Bump出現(xiàn)之前碳煙排放略有增大，在Soot-Bump峰值后碳煙排放急劇下降，在高EGR率工況下，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)NO和Soot超低排放，但CO和THC排放量急劇增加，燃油消耗率升高10%～20%．

綜合國(guó)內(nèi)外的研究不難發(fā)現(xiàn)，不論是生物柴油還是醇類(lèi)與柴油的混合燃料，又或是EGR系統(tǒng)的應(yīng)用都能在一定程度上減少有害排放物的排放量，但與此同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生其他問(wèn)題．為了找尋利與弊之間的平衡點(diǎn)，筆者基于1臺(tái)經(jīng)過(guò)改裝的四缸直噴柴油機(jī)，研究了在不同EGR率下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同比例乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、10%和20%)摻混的乙醇/生物柴油混合燃料時(shí)的燃燒及排放特性．

1?實(shí)驗(yàn)裝置和研究方法

1.1?發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)搭建了燃燒分析和排放物測(cè)試平臺(tái)，如圖1所示．表1為實(shí)驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)．實(shí)驗(yàn)機(jī)曲軸動(dòng)力輸出端通過(guò)聯(lián)軸器與電渦流測(cè)功機(jī)相連，調(diào)整測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在1800r/min(±5r/min)，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元為Bosch公司提供的可進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定的開(kāi)放式ECU，實(shí)驗(yàn)機(jī)工況參數(shù)通過(guò)上位機(jī)的ELECK軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整，選用Kistler6125C壓力傳感器對(duì)缸壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后傳入CB-466分析儀，采樣頻率為：曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)0.25°進(jìn)行1次缸壓采樣，為了減小誤差連續(xù)采樣100個(gè)工作循環(huán)取其平均值．為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性以及可重復(fù)性，進(jìn)氣壓力控制在(110±0.3)kPa，進(jìn)氣溫度由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的恒溫控制系統(tǒng)控制在25℃(±0.5℃)，實(shí)驗(yàn)機(jī)冷卻水與機(jī)油溫度經(jīng)外部循環(huán)控制系統(tǒng)分別穩(wěn)定在85℃(±0.5℃)和87℃?(±2℃)．尾氣排放使用AVL DiGas 4000氣體分析儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量氣體包括NO、HC、CO、CO2和O2．

表1?柴油機(jī)基本參數(shù)

Tab.1?Specifications of diesel engine

圖1?實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.2?實(shí)驗(yàn)燃料

實(shí)驗(yàn)所用燃料為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供的純度為99.7%的無(wú)水乙醇，生物柴油由滕州宏利生物科技公司提供，表2為柴油、生物柴油和乙醇3種燃料的理化特性對(duì)比．

表2?柴油、生物柴油和乙醇的理化特性

Tab.2 Physicochemical properties of diesel，biodiesel and ethanol

1.3?實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1800r/min，噴油壓力設(shè)定為110MPa．將純度為99.7%的乙醇與生物柴油均勻混合，分別配置乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%的乙醇/生物柴油混合燃料，且分別用E10和E20表示，純生物柴油則用E0表示，表3為混合燃料的理化特性．實(shí)驗(yàn)中分別燃用E0、E10和E20并采集數(shù)據(jù)．為保證燃用不同摻混比的燃料所提供的循環(huán)供熱量相同，發(fā)動(dòng)機(jī)在1800r/min、30%負(fù)荷下燃用純生物柴油，此時(shí)循環(huán)噴油量為22mg對(duì)應(yīng)循環(huán)供熱量為825J，保證每循環(huán)供熱量不變，此時(shí)E10、E20的每循環(huán)噴射量分別為：22.64mg、23.32mg．在此條件下探究EGR率為6%、17%、27%時(shí)對(duì)生物柴油以及乙醇/生物柴油混合燃料燃燒及排放特性的影響．

表3?混合燃料的理化特性

Tab.3?Physicochemical properties ofblended fuel

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?缸內(nèi)壓力及放熱率

圖2為實(shí)驗(yàn)機(jī)燃用E20時(shí)不同EGR率對(duì)缸壓與放熱率的影響．從圖中可以看出，隨著EGR率的升高，放熱率與缸壓峰值都出現(xiàn)了一定幅度的下降和燃燒相位推遲．這是因?yàn)椋孩貳GR的引入增加了H2O、CO2等比熱容較高的多原子氣體，降低缸內(nèi)溫度的同時(shí)抑制了燃燒過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)；②廢氣再循環(huán)中的未完全燃燒產(chǎn)物以及各種廢氣排放物使得進(jìn)氣中的氧濃度降低，導(dǎo)致燃燒速率降低．在以上兩方面因素的共同作用下，缸壓和放熱率峰值均降低且燃燒相位出現(xiàn)后移．

圖3為不同EGR率下燃料特性對(duì)缸壓和放熱率的影響．當(dāng)EGR率為17%時(shí)，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，缸壓峰值依次降低，放熱率峰值依次升高，峰值相位均出現(xiàn)后移．缸壓峰值下降的原因是：乙醇?xì)饣瘽摕彷^高、十六烷值較低和自燃溫度較高的特點(diǎn)，導(dǎo)致缸內(nèi)壓縮終了時(shí)的溫度較低，同時(shí)較低的十六烷值使得混合燃料發(fā)火困難，著火時(shí)刻推遲，滯燃期延長(zhǎng)，大部分燃料的燃燒集中發(fā)生在活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)的做功行程，導(dǎo)致缸壓峰值降低，峰值相位出現(xiàn)后移．放熱率峰值升高的原因是：較長(zhǎng)的滯燃期使混合燃料有足夠的時(shí)間與空氣混合，增強(qiáng)了預(yù)混燃燒階段，加上乙醇的低運(yùn)動(dòng)黏度、高揮發(fā)性提高了混合燃料的霧化效果，增加了與空氣混合的均勻性；此外其高含氧量也為混合燃料的燃燒提供了良好的氧化氛圍，使得混合燃料的燃燒更為完全．以上所有因素的共同作用，導(dǎo)致放熱率峰值升高，峰值相位后移．當(dāng)EGR率升高至27%時(shí)，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，燃料著火時(shí)刻、缸壓變化規(guī)律與EGR率17%時(shí)一致．但放熱率峰值隨著乙醇摻混比例的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)．這是因?yàn)镋GR率升高后，燃油著火時(shí)刻推遲，使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E20時(shí)，燃燒相位過(guò)于滯后，而且高EGR率下不利于低十六烷值燃料著火燃燒，最終導(dǎo)致E20燃料的預(yù)混燃燒階段減弱，放熱率峰值降低．

圖2?燃用E20時(shí)EGR率對(duì)缸壓和放熱率的影響

圖3?不同EGR率下燃料特性對(duì)缸壓與放熱率的影響

2.2?滯燃期與燃燒持續(xù)期

定義CA10和CA90分別為循環(huán)累積放熱量為總放熱量10%和90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，滯燃期為噴油時(shí)刻到CA10之間的曲軸轉(zhuǎn)角間隔，燃燒持續(xù)期為CA10到CA90的曲軸轉(zhuǎn)角間隔．圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)在30%負(fù)荷下，不同的EGR率對(duì)滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響．由圖可知，隨著EGR率的升高，滯燃期和燃燒持續(xù)期均呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)．如前所述，EGR系統(tǒng)的介入增加了缸內(nèi)高比熱容氣體的含量，氧氣含量占比減小，導(dǎo)致壓縮行程末段缸內(nèi)溫度較低，燃燒反應(yīng)速率減緩．與E0相比，乙醇的摻混延長(zhǎng)了滯燃期，縮短了燃燒持續(xù)期．這是因?yàn)椋阂掖驾^低的十六烷值和較高的汽化潛熱削弱了混合燃料的著火性能，引起滯燃期相對(duì)延長(zhǎng)；而滯燃期的延長(zhǎng)，使得燃料與空氣有更充分的時(shí)間混合均勻，同時(shí)乙醇較高的含氧量有利于加快燃燒反應(yīng)，從而縮短了燃燒持續(xù)期．

圖4?不同EGR率下的滯燃期與燃燒持續(xù)期

2.3?燃油消耗率和熱效率

圖5為EGR率對(duì)當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率的影響．隨著EGR率的升高，當(dāng)量燃油消耗率逐漸升高，有效熱效率逐漸降低．這是因?yàn)殡S著EGR率的增大，引入缸內(nèi)的惰性氣體含量增加，在一定程度上抑制了燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，另外進(jìn)氣氧濃度也相應(yīng)減小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒處于缺氧狀態(tài)，從而熱效率降低，當(dāng)量燃油消耗率升高．隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，當(dāng)量燃油消耗率降低，有效熱效率升高．這是因?yàn)榧尤胍掖己?，混合燃料的霧化效果得到改善，配合較長(zhǎng)的滯燃期加上乙醇的高含氧量，改善了缸內(nèi)的燃燒狀態(tài)，加快了燃料燃燒速度，有效熱效率因此得到提高．

圖5 EGR率對(duì)當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率的影響

2.4?NOx的排放

圖6為EGR率和燃料屬性對(duì)NO排放量的影響．從圖中可以看出，隨著EGR率的升高，NO排放量顯著降低，隨著乙醇摻混比的升高NO的排放先升高后降低．EGR率27%工況下，燃用E0、E10和E20時(shí)的NO排放量相比EGR率為0時(shí)分別下降了84.5%、84%和96.8%．由于NO的生成機(jī)理是高溫、富氧和濃混合氣，隨著EGR率的升高，進(jìn)入缸內(nèi)的高比熱容氣體和惰性氣體增多，吸收較多缸內(nèi)熱量的同時(shí)降低了缸內(nèi)燃燒速率，使得缸內(nèi)燃燒溫度降低；此外，EGR率的升高加強(qiáng)了廢氣稀釋效應(yīng)，缸內(nèi)氧濃度下降，抑制了NO的生成．乙醇是一種高含氧燃料，汽化潛熱較高，NO的主要生成條件是高溫、富氧以及反應(yīng)滯留時(shí)間，燃用E10時(shí)，乙醇的摻入量較少，其汽化潛熱造成的溫度降低對(duì)NO的減少作用不如乙醇中氧元素促進(jìn)NO的生成作用；而E20正好相反，由于乙醇添加量增多，較高的汽化潛熱使得氣缸內(nèi)壓縮終了的溫度大幅下降，降低了最高燃燒溫度，極大地抑制了NO的生成，這是燃用E10時(shí)NO排放最高，有別于其他規(guī)律的主要原因．

圖6?EGR率和燃料屬性對(duì)NOx排放量的影響

2.5?HC的排放

圖7為EGR率和燃料屬性對(duì)HC排放量的影響．由圖可知HC的排放量與EGR率呈正相關(guān)，且隨著乙醇摻混比的增大，曲線逐漸抬升．原因是：乙醇較大的汽化潛熱使得壓縮行程末段缸內(nèi)溫度較低，著火條件惡劣，同時(shí)乙醇的十六烷值低，混合燃料的滯燃期延長(zhǎng)，雖然著火時(shí)形成的混合氣量和區(qū)域均較大，預(yù)混燃燒部分增加，且燃燒速度快，但受著火始點(diǎn)較晚的拖累，大量燃料放熱時(shí)活塞已下行較遠(yuǎn)，缸內(nèi)體積增大，散熱面積增加，因而導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度較低，這有利于降低NO的排放．也正是由于缸內(nèi)溫度較低，氧化反應(yīng)進(jìn)行不完全、不充分，壁面和活塞縫隙對(duì)火焰的淬熄作用加強(qiáng)，使得HC排放較之純生物柴油顯著增加[10]．

圖7?EGR率和燃料屬性對(duì)HC排放量的影響

2.6?顆粒物排放

圖8為燃料屬性對(duì)顆粒物尺寸分布的影響．與純生物柴油(E0)相比，燃用E10時(shí)粒徑大于8nm的顆粒物數(shù)量減少，但是粒徑小于8nm的顆粒物數(shù)量略有增多；燃用E20時(shí)以10nm為分界尺寸，大于10nm的顆粒物數(shù)量有所減少，但是粒徑小于10nm的顆粒物數(shù)量有所增多．總體來(lái)說(shuō)，乙醇的摻混可以降低大粒徑顆粒物數(shù)量．同E0相比，混合燃料具有較低的含碳量和較高的含氧量，燃料中的氧在改善預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的同時(shí)還促進(jìn)顆粒物的進(jìn)一步氧化，較低的碳含量可以抑制部分顆粒物的形成；且摻混乙醇能抑制碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳香烴的生成；此外，乙醇的C—O鍵對(duì)C—C鍵的聚合有阻礙作用[11]．在以上3點(diǎn)因素的共同作用下，大粒徑顆粒物數(shù)量明顯減少．

圖8?燃料屬性對(duì)顆粒物尺寸分布的影響

圖9為EGR率對(duì)排放顆粒物尺寸分布的影響.可以看出，以70nm為分界尺寸，EGR率的升高使得粒徑小于70nm的顆粒物數(shù)量略有降低，但粒徑大于70nm的顆粒物數(shù)量升高．這是由于EGR的引入導(dǎo)致：①缸內(nèi)溫度和氧濃度降低，燃燒速率減緩，不利于大粒徑顆粒物的進(jìn)一步氧化；②缸內(nèi)揮發(fā)性碳?xì)浠衔镌黾樱欣陬w粒物的生長(zhǎng)，形成大粒徑顆粒物，而大顆粒物的增加又抑制了碳煙成核過(guò)程，使得小顆粒物數(shù)量減少[12]；③廢氣循環(huán)中存在大量碳核，這部分碳核通過(guò)生長(zhǎng)碰撞繼續(xù)長(zhǎng)大，使得顆粒物生成量增加．在以上因素共同作用下，大粒徑顆粒物數(shù)量增多，小粒徑顆粒物數(shù)量減少．

圖9?EGR率對(duì)顆粒物尺寸分布的影響

3?結(jié)?論

(1) 隨EGR率的增大，缸內(nèi)壓力與放熱率曲線峰值降低．小EGR率工況下，隨乙醇摻混比例提高，缸內(nèi)壓力峰值逐漸降低，放熱率峰值逐漸升高；大EGR率工況下，缸內(nèi)壓力峰值隨乙醇摻混比例的變化與小EGR率類(lèi)似，但放熱率峰值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)．

(2) 隨EGR率的增大，不論是混合燃料還是純生物柴油，滯燃期與燃燒持續(xù)期均呈現(xiàn)正相關(guān)的變化規(guī)律．在同一EGR率下，隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期縮短．

(3) 較大的EGR率會(huì)降低有效熱效率，增加當(dāng)量燃油消耗量．適當(dāng)提高乙醇的摻混比有利于減小燃油消耗量，提高有效熱效率．

(4) EGR系統(tǒng)的引入可大幅降低NO的排放量，相同的EGR率下，提高乙醇占比可進(jìn)一步減少NO排放量．EGR率的提高會(huì)引起HC的排放量增多，且較大的乙醇摻混比會(huì)導(dǎo)致HC排放量大幅提高.

(5) 在生物柴油中摻混乙醇能夠顯著減少大粒徑顆粒物的數(shù)量，EGR率的變化對(duì)核模態(tài)粒子的數(shù)量影響不明顯，但聚集態(tài)粒子的數(shù)量會(huì)隨著EGR率的提高明顯增多．

(6) 乙醇與生物柴油混用后，配合合適的EGR率可以有效減少有害排放物的排放量，優(yōu)化柴油機(jī)的燃燒及排放特性．

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Effects of EGR Rate on Combustion and Emission Characteristics of Blends of Ethanol and Biodiesel

Xiao Helin1, 2，Li Shengjun1, 2，Xue Qi1, 2，Ju Hongling1, 2

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

Experiments were carried out on a deeply modified four-cylinder DICI engine，and the blends of etha-nol and biodiesel were used to study the effects of exhaust gas re-circulation(EGR)rate and fuel characteristics on the combustion and emissions of diesel engine．Results show that both the intervention of EGR system and ethanol blending could reduce the peak cylinder pressure and heat release rate during combustion．With fuels at the same blending ratio and the increase in the EGR rate，the ignition delay and combustion duration were prolonged to varying degrees；the equivalent fuel consumption rate increased，whereas the effective thermal efficiency de-creased．When the EGR rate was constant，the mixed fuel at different blending ratios was used. As the mass fraction of ethanol increased，the ignition delay and combustion duration were gradually prolonged，the consumption rate of equivalent fuel decreased，and the effective thermal efficiency increased．After the introduction of EGR，NOemissions dropped significantly，whereas HC emissions increased．At the same EGR rate，the NOemissions decreased slightly with the increase in the ethanol blending ratio，and the HC emissions initially decreased and then increased．Compared with pure biodiesel，ethanol blending could significantly reduce the number of large size particles．The effects of changes in EGR rate on the number of nucleation mode particles were not obvious，but the number of aggregated particles increased significantly with the growing EGR rate．The coupling of ethanol，biodiesel and EGR system could improve the combustion and emission characteristics of diesel engine．

EGR rate；ethanol；biodiesel；combustion；emission

TK421

A

1006-8740(2019)03-0237-07

2018-05-09.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51706163).

肖合林（1967—??），男，博士，副教授.

肖合林，hlxiao_qcxy@whut.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201805012