納米Al2O3對甲醇/柴油摻混燃料燃燒及排放特性的影響研究

陳雪鋒, 衛(wèi)將軍, 劉 屹

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,為了解決全球石油需求增長過快帶來的石油供給不足問題,同時滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求[1],國內(nèi)外眾多學(xué)者對柴油機清潔可再生替代燃料和燃油添加劑進行了大量的研究。在眾多替代燃料中,甲醇因具有高汽化潛熱、產(chǎn)量豐富、常溫常壓下為液態(tài)、經(jīng)濟性好等優(yōu)點,被認(rèn)為是最有前景的替代燃料之一[2]。

目前,甲醇應(yīng)用于柴油機的方式主要有2種:① 采用進氣道噴射甲醇、缸內(nèi)噴柴油的雙燃料協(xié)同燃燒方式[3];② 采用助溶劑(或乳化劑)將甲醇溶于柴油進而直接噴入缸內(nèi)燃燒[4]。后者相比于前者因不需要對發(fā)動機進行大的改動而倍受青睞。已有研究表明,柴油中摻混甲醇可優(yōu)化缸內(nèi)燃燒,提高發(fā)動機燃燒熱效率[5],降低發(fā)動機氮氧化合物(NOx)和顆粒物(particulate matter,PM)排放[6],但會導(dǎo)致碳?xì)浠衔?HC)和一氧化碳(CO)排放增加[7]。

此外,近年來納米顆粒材料技術(shù)獲得了長足的發(fā)展,內(nèi)燃機研究者們將納米顆粒添加到柴油機燃料中進行試驗,發(fā)現(xiàn)其能促進燃料的霧化,加速熱量傳遞,并能有效地改善燃料燃燒,降低發(fā)動機污染物排放[8]。在眾多納米顆粒添加劑中,納米AL2O3因其具有成本低廉、催化燃燒及減排性能優(yōu)良而受到更廣泛的關(guān)注。文獻[9]在水柴油乳化燃料中摻混納米AL2O3顆粒,并在單缸四沖程柴油機上進行試驗,發(fā)現(xiàn)發(fā)動機性能顯著提高,HC、NOx和碳煙排放降低,CO排放略有升高；文獻[10]研究了以納米AL2O3、乙醇和異丙醇的混合物作為添加劑對大豆生物柴油-柴油混合燃料的影響,結(jié)果表明最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值增加,制動熱效率提高,同時觀察到排氣溫度降低，CO和HC排放均降低。

為了充分發(fā)揮甲醇和納米顆粒添加至柴油中所表現(xiàn)出的優(yōu)勢,本文選取納米AL2O3作為添加劑,探究其對于甲醇/柴油摻混燃料的燃燒和排放性能的影響。研究結(jié)果旨在為甲醇替代燃料以及燃油添加劑在柴油機上的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗裝置、燃料及方法

1.1 試驗裝置

試驗在常柴ZS1100單缸直噴柴油機上進行,該柴油機技術(shù)參數(shù)見表1所列。其中，BTDC表示上止點前。

表1 試驗用ZS1100柴油機參數(shù)

本試驗在轉(zhuǎn)速1 400 r/min時,測定不同油門開度(25%、50%、75%、100%)下發(fā)動機的燃燒及排放參數(shù)。試驗使用AVL GH14D缸壓傳感器、KISTLER 5018型電荷放大器及AVL HR-CA-B1燃燒分析儀測定缸內(nèi)壓力及燃燒特性參數(shù);使用HORIBA MEXA-584L型尾氣分析儀采集分析CO、HC、NOx等排放數(shù)據(jù);使用AVL Dismoke 4000不透光煙度儀測量發(fā)動機的煙度排放。主要測試設(shè)備見表2所列。

表2 主要測試設(shè)備及精度

發(fā)動機每個工況運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后,采取3次數(shù)據(jù)取平均值以減少測量誤差 (每組測量數(shù)據(jù)的相對偏差不能超過3%)。

1.2 燃料配置

試驗用基礎(chǔ)燃料為市售0#柴油和99.9%分析純甲醇。由于甲醇與柴油互溶性差,通常需要添加一定體積的助溶劑,如異辛醇、正辛醇和正十二醇等。但助溶劑(添加量一般較大)勢必會對柴油機燃燒及排放產(chǎn)生影響,進而不能真實反映甲醇對柴油機的作用效果。因此，本研究采用機械處理的方法配置及供給甲醇/柴油摻混燃料和納米流體燃料。

試驗測試燃料包括D100(純柴油)、M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100等5種。其中:M10為體積比10%甲醇和90%柴油摻混后,先通過40 kHz超聲處理30 min,再在125 r/min下機械攪拌30 min制得；M10AL25、M10AL50和M10AL100分別表示在M10中添加0.002 5%、0.005 0%、0.010 0%的納米AL2O3而制得的納米流體燃料。配置過程中需向M10中加入體積比0.2%的表面活性劑(Triton X-100),并經(jīng)40 kHz超聲處理30 min。配置成的納米流體燃料能維持3～5 d不分層且無明顯沉淀現(xiàn)象,即保證其具有良好的分散性和穩(wěn)定性。

試驗用納米AL2O3參數(shù)見表3所列。試驗用柴油及甲醇理化特性見表4所列。

表3 試驗用納米AL2O3參數(shù)

表4中:密度為20 ℃時的值;運動黏度為40 ℃時的值。

表4 試驗用燃料理化特性

2 試驗結(jié)果分析

2.1 燃燒特性

不同負(fù)荷(25%、50%、75%、100%)下各燃料缸內(nèi)壓力和放熱率曲線如圖1所示。其中，ATDC表示上止點后。

從圖1可以看出,隨著負(fù)荷的增加,由于發(fā)動機循環(huán)噴油量增加,缸內(nèi)峰值壓力逐漸增加。

圖1 不同負(fù)荷下各燃料缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率曲線

在低負(fù)荷(25%)下,燃用M10比D100缸內(nèi)峰值壓力降低,且燃燒始點推遲,放熱率峰值增加;這是由于低負(fù)荷下缸內(nèi)溫度較低,甲醇高汽化潛熱使燃油霧化困難,預(yù)燃混合氣的形成惡化,降低了缸內(nèi)峰值壓力,而燃燒始點推遲導(dǎo)致預(yù)混和燃料增多,從而放熱率峰值增大。而在50%、75%、100%負(fù)荷下,M10比D100缸內(nèi)峰值壓力大,燃燒始點提前;這是由于負(fù)荷增加后缸內(nèi)溫度逐漸升高,甲醇高汽化潛熱的影響被削弱,同時甲醇低沸點和低運動黏度的特性可以促進燃油的霧化,使預(yù)燃混合氣的形成速率加快，燃燒始點因此提前,缸內(nèi)峰值壓力也升高。該試驗得出的規(guī)律符合其他研究[11]中甲醇摻燒對柴油機燃燒的影響規(guī)律。

從圖1還可以看出,M10中加入納米AL2O3顆粒后,各負(fù)荷下的缸內(nèi)峰值壓力和放熱率峰值均有增加,同時燃燒始點略微提前。低負(fù)荷下,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100納米流體燃料的缸內(nèi)峰值壓力相較于M10(6.05 MPa)分別增加0.4、1.0、1.7 MPa,放熱率峰值相較于M10(48.5 J/°CA)分別提高2.1%、4.3%、5.8%;滿負(fù)荷下,M10AL25、M10AL50、M10AL100的缸內(nèi)峰值壓力相較于M10(8.53 MPa)分別增加0.6、1.4、2.1 MPa,放熱率峰值比M10(78.9 J/°CA)分別提高6.2%、10.6%、12.2%。

此結(jié)果表明,納米Al2O3優(yōu)化了缸內(nèi)燃燒,促使缸內(nèi)峰值壓力和放熱率峰值提高,這可能與納米Al2O3的比面積大、表面活性高和傳質(zhì)導(dǎo)熱性良好等特性有關(guān)。一方面較大的比表面積可使空氣與燃料充分接觸，促進燃料完全燃燒;另一方面較高的表面活性和良好的傳質(zhì)導(dǎo)熱性可以加快燃燒速率。兩方面因素共同導(dǎo)致缸內(nèi)峰值壓力和放熱率峰值的提高。早期文獻[12]在水乳化柴油中添加納米鋁顆粒并在單缸柴油機上試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)峰值壓力和放熱率峰值均升高,并推測此現(xiàn)象與納米鋁表面的氧化鋁有關(guān);在文獻[13]的研究中詳細(xì)介紹了10～50 mg/L的納米AL2O3添加劑對于生物甲酯/柴油共混燃料燃燒的影響,結(jié)果表明30 mg/L的納米AL2O3效果最佳,燃燒峰值壓力和放熱率峰值分別提升了4.5%和14.0%。

著火延遲期(噴油時刻到放熱率達10%時所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角)和CA50(放熱率達50%時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)的變化規(guī)律分別如圖2所示。其中，ATDC表示上止點后。

圖2 不同負(fù)荷下各燃料著火延遲期和CA50的變化規(guī)律

從圖2可以看出,隨著負(fù)荷的增加(25%～100%),著火延遲期逐漸縮短,CA50逐漸增大。這是由于隨著負(fù)荷的增大缸內(nèi)燃燒溫度升高,促進了燃料霧化及混合氣形成,使得燃燒提前;但噴油量的增加導(dǎo)致燃燒持續(xù)期延長,CA50隨之延后。低負(fù)荷(25%)下燃用M10，與燃用D100相比,著火延遲期略微增加,這是由于低負(fù)荷下缸內(nèi)平均溫度較低,甲醇高汽化潛熱降低了燃油霧化效果，使著火延遲期延長;而當(dāng)負(fù)荷增加,燃用M10的著火延遲期相較于D100均減小,這是由于缸內(nèi)平均溫度隨負(fù)荷的增加而升高,使得甲醇汽化潛熱大的影響被削弱。此外,各負(fù)荷下燃用M10，與D100相比,CA50均減小,這是由于甲醇自身高含氧特性可以加速燃料燃燒,促使缸內(nèi)燃燒持續(xù)期縮短,CA50提前。

與M10相比,各負(fù)荷下燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的著火延遲期均有一定的程度縮短；這可能是納米Al2O3添加劑改善了甲醇低十六烷值的影響,使燃油著火性提升,從而縮短著火延遲期。同時可以看出,隨著添加劑量的增多,著火延遲期的縮短程度越來越明顯。其中,低負(fù)荷下燃用M10AL100的著火延遲縮短最多，達到0.65 °CA。

此外,各負(fù)荷下M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100的CA50呈現(xiàn)依次從大到小的規(guī)律。其中,低負(fù)荷下燃用M10AL100的CA50提前程度最大,為0.68 °CA。添加納米Al2O3使CA50提前可能是由于其較大的比表面積加快了燃油的燃燒速率，使得燃燒持續(xù)期縮短。文獻[14]通過在熱板上進行的液滴點火試驗發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3可以改善柴油的著火性;文獻[15]在柴油機上的試驗發(fā)現(xiàn)，燃用添加納米Al2O3的乙醇/生物柴油/柴油混合燃料的著火延遲期縮短了0.24～0.72 °CA。

燃油消耗率和熱效率是衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能的重要指標(biāo)。不同負(fù)荷下各燃料燃油消耗率和制動熱效率的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同負(fù)荷下各燃料燃油消耗率和制動熱效率的變化規(guī)律

從圖3可以看出,隨著負(fù)荷的增加,燃油消耗率下降,制動熱效率增加。各負(fù)荷下,燃用M10均比燃用D100的燃油消耗率增加,制動熱效率升高。這是由于甲醇低熱值比柴油低,導(dǎo)致輸出相同功率的燃油消耗率增加;但甲醇的含氧特性使熱釋放速率加快,從而提高了燃料的制動熱效率。相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的燃油消耗率呈降低趨勢,制動熱效率呈升高趨勢,且添加劑量越多該趨勢越明顯。這與上文對于燃燒規(guī)律的分析結(jié)果一致,即納米Al2O3對于燃燒起優(yōu)化作用,使得燃料燃燒更加充分。

對比發(fā)現(xiàn),中高負(fù)荷(75%)下燃用M10AL100的燃油消耗率降低幅度最大，達到3.1%,制動熱效率升幅最大，達到3.2%。各研究顯示納米Al2O3對于不同燃料的燃油消耗率和制動熱效率的改善幅度不同。文獻[16]發(fā)現(xiàn)純柴油添加納米Al2O3后燃油消耗率降低0.6%,制動熱效率提升1.1%;文獻[17]將納米Al2O3添加至甲酯/柴油混合燃料,結(jié)果顯示燃油消耗率降低6%,制動熱效率提升10%。

不同負(fù)荷下各燃料排氣溫度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同負(fù)荷下各燃料排氣溫度的變化規(guī)律

從圖4可以看出,隨著負(fù)荷增加,排氣溫度呈升高趨勢。這是由于燃燒的燃料隨負(fù)荷的增加而增多,而更多的燃料燃燒放熱使得缸內(nèi)燃燒溫度升高。

各負(fù)荷下隨著燃料的變化,排氣溫度均按D100、M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100的順序依次增加。該規(guī)律表明添加甲醇和納米Al2O3對燃料燃燒均具有優(yōu)化作用,同時熱釋放量隨之增加,最終導(dǎo)致排氣溫度逐漸升高，納米Al2O3的優(yōu)化作用隨著添加量的增多而更加明顯。在排溫影響上，其他文獻研究的結(jié)果不盡相同。文獻[18]在單缸柴油機上的研究表明,純柴油中添加納米Al2O3會使排氣溫度上升;但同樣在單缸柴油機上進行試驗,文獻[13]發(fā)現(xiàn)甲酯/柴油混合燃料中添加納米Al2O3使排氣溫度顯著降低。

2.2 排放特性

CO排放隨負(fù)荷變化的規(guī)律如圖5所示。

圖5 CO排放隨負(fù)荷變化的曲線

從圖5可以看出,隨著負(fù)荷的增加，各燃料CO排放均呈升高趨勢。這主要是由于空燃比隨負(fù)荷的增大而減小,缸內(nèi)局部缺氧現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重,燃料燃燒不完全,CO排放隨之增加。各負(fù)荷下燃用M10的CO排放比D100均有明顯降低，這得益于甲醇高含氧特性對于局部缺氧現(xiàn)象的緩解作用，相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100等的CO排放均有一定幅度的降低,且降幅隨添加劑量的增多而加大。這可能是由于納米Al2O3改善了混合氣的形成,抑制了局部缺氧區(qū)域的形成；此外,納米Al2O3的催化氧化特性加強了O2對CO的氧化作用。其中,燃用M10AL100在滿負(fù)荷下降幅最大,與M10相比達49%，這可能是因為滿負(fù)荷下較高的燃燒溫度增強了納米Al2O3的催化氧化活性。

納米顆粒添加劑由于具有高反應(yīng)活性和催化氧化性而被期望能夠大幅降低CO排放。文獻[19]研究表明，納米Al2O3可以降低生物柴油/柴油混合燃料的CO排放達56.6%;但不是所有納米顆粒添加劑都對CO排放有降低作用,文獻[20]研究發(fā)現(xiàn)納米FeCl3顆粒會略微增加CO排放。

未燃HC排放隨負(fù)荷變化的曲線如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著負(fù)荷的增加，各燃料未燃HC排放逐漸升高。這是由于噴油量隨負(fù)荷的加大而增多，油氣混合過稀區(qū)域增加,更多燃料無法完全燃燒導(dǎo)致HC排放升高。各負(fù)荷下隨著燃料的變化,燃用M10產(chǎn)生的HC排放相較于D100均顯著增加。這時甲醇沸點較低,易從噴霧油束中蒸發(fā)并在油束外圍與空氣混合形成低溫、過稀的混合氣,該區(qū)域的燃料更難完全燃燒,導(dǎo)致更多的HC排出。相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100等的HC排放均隨添加劑量的增加而呈遞減的趨勢。這可能是由于納米Al2O3良好的傳質(zhì)導(dǎo)熱性抑制了低溫、過稀的混合氣,減少了HC的生成。此外,在燃燒后期納米Al2O3的催化特性可使HC繼續(xù)被氧化而減少。M10添加納米Al2O3后,各負(fù)荷下對于HC排放的降低幅度為10.0%～32.4%。文獻[21]研究表明，添加納米ZnO和TiO2后HC排放分別降低23%～35%和11%～29%;文獻[22]研究顯示,納米Si和納米Al會分別增加4%和9%的HC排放。

圖6 未燃HC排放隨負(fù)荷變化的曲線

各燃料NOx排放隨負(fù)荷變化的曲線如圖7所示。

圖7 NOx排放隨負(fù)荷變化的曲線

從圖7可以看出,25%～75%負(fù)荷下，各燃料NOx排放隨負(fù)荷的增加均呈上升趨勢,而在100%負(fù)荷時下降。這是由于25%～75%負(fù)荷下空燃比相對較大,燃料始終處于富氧燃燒,NOx排放受燃燒溫度升高的影響而逐漸增多；但達到100%負(fù)荷時空燃比急劇降低,NOx排放受氧氣濃度限制而降低。這與文獻[23-24]在ZS1100柴油機上的研究結(jié)果一致。各負(fù)荷下燃料性質(zhì)的不同對于NOx排放的影響規(guī)律如下:① 低負(fù)荷下燃用M10的NOx排放比D100略低,而負(fù)荷增加后M10的NOx排放均高于D100；這是由于低負(fù)荷的缸內(nèi)平均溫度較低,受甲醇高汽化潛熱影響明顯,燃燒溫度降低,導(dǎo)致NOx生成量減少；但隨著負(fù)荷增加,缸內(nèi)平均溫度升高，削弱了高汽化潛熱的影響,而甲醇高含氧特性對于燃燒的優(yōu)化作用使得燃燒溫度升高,NOx排放物生成量隨之增多；② 相較于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的NOx排放均呈依次增加趨勢；這是由于納米Al2O3優(yōu)化燃燒使缸內(nèi)的燃燒溫度升高,NOx生成速率加快；其中,燃用M10AL100相比于M10在各負(fù)荷下對NOx排放的增幅為3.2%～10.0%。

同樣在單缸柴油機上的試驗,文獻[25]在生物柴油/柴油混合燃料中添加納米Al2O3也發(fā)現(xiàn)NOx排放增加了4.80%～7.95%;但文獻[26]研究發(fā)現(xiàn)，純柴油中添加納米Al2O3會使NOx排放降低6%。

各燃料碳煙排放(不透光率)的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 碳煙排放(不透光率)隨負(fù)荷的變化曲線

從圖8可以看出,隨著負(fù)荷的增加碳煙排放呈升高趨勢。這是由于隨負(fù)荷的增加噴油量增多,導(dǎo)致混合氣過濃的缺氧區(qū)域增加；同時噴油持續(xù)期也隨負(fù)荷增加而延長,擴散燃燒比例隨之加大。2個因素都會加劇燃料的不完全燃燒而增加碳煙的生成量,最終導(dǎo)致碳煙排放升高。相較于D100,燃用M10在各負(fù)荷下的碳煙排放均有明顯的降低。這主要是由于甲醇屬于含氧燃油,可加速混合氣的形成,即抑制混合氣過濃區(qū)域的出現(xiàn),碳煙的生成量也隨之降低。除此之外,柴油裂解所產(chǎn)生的C—C鍵是碳煙初期成核的關(guān)鍵,而甲醇為不含C—C鍵的單碳醇,這就抑制了碳煙初期的成核過程,從而降低碳煙的生成量。相較于M10,各納米流體燃料M10AL25、M10AL50、M10AL100的碳煙排放均呈降低趨勢,且隨著添加劑量的增大降低的趨勢越明顯。其中,燃用M10AL100的碳煙排放相較于M10在各負(fù)荷下分別降低了43%、47%、35%、30%。因為納米Al2O3一方面可以加速燃油霧化,減少混合氣過濃區(qū)域的形成,抑制碳煙的生成；另一方面其較大的比表面積使得燃油與空氣充分接觸,燃燒更加充分,從而減少碳煙的生成量。

碳煙作為柴油機最主要的排放,眾多學(xué)者都試圖找到對其改善效果最佳的納米添加劑。文獻[27]研究發(fā)現(xiàn)，納米CuO2添加至生物柴油能降低碳煙排放8.1%～18.7%;文獻[28]中報導(dǎo)Ag2O能降低碳煙排放18.0%～31.8%;文獻[29]研究了納米CeO2對于生物柴油影響,結(jié)果顯示碳煙排放降低了6.4%～19.8%。

3 結(jié) 論

(1) 柴油中添加甲醇，低負(fù)荷下,缸內(nèi)峰值壓力及放熱率峰值降低,燃燒始點推遲,滯燃期延長;高負(fù)荷下,峰值壓力升高且燃燒始點提前,放熱率峰值無明顯變化。柴油中添加甲醇會加速燃燒過程,使CA50在各負(fù)荷下都提前。納米Al2O3的添加優(yōu)化了甲醇/柴油摻混燃料的燃燒,使得缸內(nèi)峰值壓力及放熱率峰值升高,燃燒始點提前,滯燃期縮短,CA50減小,且隨著納米Al2O3添加量的增加,優(yōu)化程度更加明顯。

(2) 柴油中添加甲醇會使發(fā)動機燃油消耗率升高,制動熱效率增加;添加納米Al2O3后燃油消耗率均有一定幅度的降低,制動熱效率進一步提高。這說明添加納米Al2O3有效地提高了甲醇/柴油摻混燃料的燃油經(jīng)濟性,且隨著納米Al2O3添加量的增加,發(fā)動機燃油經(jīng)濟性越來越好。研究發(fā)現(xiàn),燃用納米流體燃料的燃油消耗率可降低3.1%,制動熱效率提升3.2%。此外,排氣溫度也因納米Al2O3的添加而升高,且隨著添加量的增加發(fā)動機排氣溫度越來越高。

(3) 與柴油相比,燃用甲醇/柴油摻混燃料使CO排放降低,HC及NOx排放增加,碳煙排放減少。添加納米Al2O3后,發(fā)動機CO、HC和碳煙等排放均有較大幅度的降低,且隨著納米Al2O3添加量的增加,降低幅度更加明顯。研究表明,甲醇/柴油摻混燃料中添加0.010 0%納米Al2O3后,發(fā)動機CO、HC和碳煙的排放分別降低了49.0%、32.4% 、47.0%；然而納米Al2O3的添加使發(fā)動機NOx排放增加,但增加幅度低于10%。

綜上所述,在甲醇/柴油摻混燃料中添加納米Al2O3不僅可以優(yōu)化燃燒過程(較低的燃油消耗及較高的熱效率),還能較大幅度地降低污染物排放(CO、HC和碳煙排放明顯降低)。因此,金屬納米添加劑在燃料中的應(yīng)用可為甲醇替代燃料在柴油機上的應(yīng)用和推廣提供新思路。