碳質(zhì)納米燃料添加劑對(duì)柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

郭亞泰，衛(wèi)將軍,，滕勤，王井山，李德亮，曾楊

(1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

柴油機(jī)由于其較高的燃油效率和較好的動(dòng)力性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，然而柴油機(jī)消耗了大量化石能源并產(chǎn)生多種對(duì)環(huán)境和公眾健康有害的空氣污染物。為解決上述問題，使用替代燃料是理想的選擇之一，其中生物柴油是可再生能源，其化學(xué)成分與化石燃料相似，但氧含量更高，且不含多環(huán)芳烴、硫等有害化合物。研究表明，柴油機(jī)燃燒生物柴油可以有效改善缸內(nèi)燃燒過程，減少CO，HC，硫氧化物以及炭煙等污染物的排放。但生物柴油黏度較大、熱值低的特點(diǎn)使得燃燒生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗升高、熱效率降低。此外，燃料添加劑的使用可以改善燃燒過程，減少尾氣排放，并提高燃料品質(zhì)，其中納米催化劑是常用的燃料添加劑之一。Ghafoori等研究發(fā)現(xiàn)，在生物柴油-柴油混合燃料中添加不同濃度的碳納米管后，柴油機(jī)的功率、扭矩和燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高了17%，18%和38.5%。Nivin Chacko等在兩種生物柴油-柴油混合燃料中分別加入20×10，40×10，60×10的氧化石墨烯和石墨烯，研究表明納米添加劑的濃度影響其催化作用，氧化石墨烯和石墨烯分別為40×10和60×10時(shí)效果最好，發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放都得到改善。在降低炭煙排放方面，氧化石墨烯要優(yōu)于石墨烯，40×10的氧化石墨烯最大可降低炭煙排放29.2%。Hosseini等研究了碳納米管對(duì)CI單缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性的影響，結(jié)果表明，碳納米管可以降低排放，包括HC，CO和炭煙，此外，功率和制動(dòng)熱效率等性能參數(shù)均顯著提高。還有一些研究表明，納米金屬顆粒(如CeO，TiO，ZnO等)能夠有效優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，降低HC，CO，NO，炭煙等排放，但生成的金屬氧化物能夠長期保持穩(wěn)定，容易造成DPF堵塞的問題。而碳質(zhì)納米顆粒以碳的形式存在，經(jīng)過缸內(nèi)燃燒和尾氣處理裝置，最終能夠被完全消耗。本研究選取3種碳質(zhì)納米顆粒作為燃料添加劑，探究其對(duì)生物柴油-柴油摻混燃料的燃燒和炭煙排放的影響，以便為優(yōu)化生物柴油的應(yīng)用提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)裝置、燃料及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)對(duì)象為單缸直噴水冷柴油機(jī)ZS1100，其主要的技術(shù)參數(shù)見表1。主要的測(cè)試設(shè)備有電渦流測(cè)功機(jī)CW25、測(cè)控裝置CMU3A、AVL GH14D缸壓傳感器、AVL HR-CA-B1燃燒分析儀和AVL Dismoke 4000不透光煙度儀，設(shè)備的不確定度數(shù)值見表2。選定1 200 r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，按20%的間隔，測(cè)量10%～90%負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓、放熱率、CA10、CA50、不透光度等參數(shù)。對(duì)于每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)，采集3組數(shù)據(jù)取平均值以減少測(cè)量誤差 (每組測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差不能超過3%)。

表1 試驗(yàn)用ZS1100柴油機(jī)參數(shù)

表2 測(cè)量儀器的不確定度分析

1.2 燃料配制及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的基礎(chǔ)燃料為市售的國六0號(hào)柴油和生物柴油。試驗(yàn)所用的燃料包括純柴油(D100)，B20，B20GO25，B20GO100，B20MWCNT25，B20MWCNT100，B20GR25，B20GR100。其中B20是體積比20%生物柴油和80%柴油的共混物。B20GO25和B20GO100是25×10和100×10的GO分別加入B20中制作的納米流體燃料，MWCNT和GR以此類推。試驗(yàn)所用的3種碳質(zhì)納米顆粒參數(shù)見表3。

表3 3種試用碳質(zhì)納米顆粒參數(shù)

制備納米流體燃料時(shí)，先向B20中加入體積比2%的表面活性劑(Span80)，利用磁力攪拌器攪拌至均勻狀態(tài)，然后加入利用精密天平稱量好的納米顆粒再次攪拌1 h，最后將配制的納米流體燃料用超聲波發(fā)生器以40 kHz的頻率超聲30 min。配制成的納米流體燃料能夠維持7 d不分層且無明顯沉淀的現(xiàn)象，即保證具有良好的分散性和穩(wěn)定性。更換燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)至少運(yùn)行30 min，保證消耗完之前的試驗(yàn)燃料。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 燃燒特性

圖1示出不同負(fù)荷下燃燒各燃料的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線?？梢钥闯觯S著負(fù)荷的增大，由于發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量增加，缸壓峰值和放熱率峰值逐漸升高。中小負(fù)荷時(shí)B20的缸壓峰值小于D100，這是由于生物柴油的熱值較低且汽化潛熱高，導(dǎo)致B20產(chǎn)生的熱量低于D100。高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度升高，燃燒速率加快，且B20的高含氧量一定程度解決了高溫缺氧問題，使得燃料燃燒更充分，B20的缸壓峰值大于D100。此外，B20中分別添加不同濃度的碳質(zhì)納米顆粒后，各負(fù)荷下的缸壓峰值和放熱率峰值增加，同時(shí)滯燃期有所縮短。由圖1可知， 10%負(fù)荷下添加劑的效果更顯著，相較于不加入添加劑，B20GO25和B20GO100的缸壓峰值分別增大0.175 MPa和0.147 MPa，放熱率峰值分別提高4.4%和3.9%，B20MWCNT25和B20MWCNT100的缸壓峰值分別增大0.122 MPa和0.334 MPa，放熱率峰值分別提高3.7%和17.9%，B20GO25和B20GO100的缸壓峰值分別增大0.108 MPa和0.227 MPa，放熱率峰值分別變化1.4%和-5.8%。說明碳質(zhì)納米燃料添加劑優(yōu)化了燃料在缸內(nèi)的燃燒過程，歸因于碳質(zhì)納米顆粒的大表面積比增加了燃料的反應(yīng)性和導(dǎo)熱率，加速了燃料間的傳熱，進(jìn)而提高了燃料液滴蒸發(fā)速率，縮短了滯燃期，同時(shí)也改善了燃料的放熱率。對(duì)比可知，GO和MWCNT對(duì)缸壓和放熱率的提升效果要優(yōu)于GR，主要是因?yàn)镚O具有各種含氧官能團(tuán)，能提供更多的活性位點(diǎn)，而MWCNT的管狀結(jié)構(gòu)易于被氧打開，形成較高化學(xué)反應(yīng)活性的羥基、羰基。再者，可以發(fā)現(xiàn)3種碳質(zhì)納米顆粒對(duì)B20在不同負(fù)荷下的燃燒優(yōu)化程度并非一致，由于高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度急劇升高，燃料蒸發(fā)霧化效果較好，使得碳質(zhì)納米顆粒的優(yōu)化效果不再顯著。

圖1 不同負(fù)荷下各試驗(yàn)燃料的缸壓和瞬時(shí)放熱率曲線

根據(jù)不同濃度下各碳質(zhì)納米顆粒對(duì)缸壓的提升效果，發(fā)現(xiàn)MWCNT和GR對(duì)缸壓的提升效果在高濃度時(shí)更明顯，而GO則正好相反。這可能是氧化石墨烯官能團(tuán)之間的范德華力促進(jìn)了相鄰粒子在高濃度下的聚集或團(tuán)聚，降低了催化劑的總表面積所致。

滯燃期和CA50的變化規(guī)律見圖2和圖3。顯然，隨著負(fù)荷的增加，各試驗(yàn)燃料的滯燃期逐漸縮短，CA50時(shí)刻逐漸后移。這是由于隨負(fù)荷增大缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進(jìn)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。相較于D100，各負(fù)荷下B20滯燃期縮短，CA50提前。生物柴油的十六烷值高于柴油，導(dǎo)致滯燃期縮短，而生物柴油的高含氧量可加速燃料的燃燒。相比于B20，各納米流體燃料不同負(fù)荷下的滯燃期均有一定程度的縮短且CA50提前。有研究指出，包裹有納米添加劑的油滴會(huì)產(chǎn)生微爆現(xiàn)象，加速噴霧油束的破碎過程，且這3種碳質(zhì)納米顆粒加入柴油中能夠提高燃料的十六烷值，從而提高燃料的著火性，縮短滯燃期。另一方面，納米顆粒較高的表面活性和良好的傳質(zhì)導(dǎo)熱性能夠提高燃料液滴的蒸發(fā)速率，加快燃料的燃燒，從而使得CA50提前。此外，文獻(xiàn)[17]表明，GO在200 ℃下可進(jìn)行氧化分解，這將進(jìn)一步增強(qiáng)燃料液滴的霧化，導(dǎo)致滯燃期縮短。數(shù)據(jù)顯示，70%負(fù)荷下B20GR100的滯燃期縮短最明顯，縮短1.5°，大于B20GO25的1.2°，這說明GR對(duì)燃料的滯燃期影響最大。

圖2 不同負(fù)荷下各試驗(yàn)燃料滯燃期的變化規(guī)律

圖3 不同負(fù)荷下各試驗(yàn)燃料CA50的變化規(guī)律

2.2 經(jīng)濟(jì)性能

制動(dòng)熱效率(BTE)和制動(dòng)燃油消耗率(BSFC)是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)，其變化規(guī)律分別見圖4和圖5?？梢钥闯?，BTE隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，BSFC呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這是因?yàn)樨?fù)荷的增加，缸內(nèi)溫度升高，改善了油氣混合，高負(fù)荷下，由于噴油量增加，進(jìn)氣量幾乎保持不變，造成燃燒室內(nèi)局部缺氧，燃料燃燒不充分。B20的BTE在所有負(fù)荷下都小于D100，主要是因?yàn)樯锊裼偷酿ざ雀摺嶂档?。相較于B20，各負(fù)荷下所有的納米流體燃料都一定程度改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，B20MWCNT100的BSFC最大降幅為5.0%，BTE的最大提升率為4.4%。這可解釋為納米顆粒的大表面積改善了燃料的分散性，燃料-空氣混合物均勻地分散在氣缸中，使得燃燒過程趨向完全燃燒。文獻(xiàn)[18]指出，GO有助于提高混合燃料中生物柴油的餾分，改善了燃燒性能，從而提高BTE。文獻(xiàn)[16]指出，CNT和GR加入后，納米流體燃料分子間動(dòng)量交換和傳熱的改善使得燃燒更加充分，提高了BTE，降低了BSFC。

圖4 不同負(fù)荷下各試驗(yàn)燃料BTE的變化規(guī)律

圖5 不同負(fù)荷下各試驗(yàn)燃料BSFC的變化規(guī)律

2.3 炭煙排放

所有試驗(yàn)燃料在不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下炭煙排放(不透光度)的變化見圖6。由圖可見，炭煙排放隨著負(fù)荷的升高而增加，且隨著負(fù)荷的增加，碳質(zhì)納米燃料添加劑降低炭煙排放的效果更好。與純柴油相比，B20較短的滯燃期、高氧含量和較高的十六烷值均降低了炭煙排放。與B20相比，在90%負(fù)荷下，B20GO25和B20GO100炭煙排放分別降低12.1%和5.1%，B20MWCNT25和B20MWCNT100炭煙排放分別降低6.8%和17.2%，B20GR25和B20GR100炭煙排放分別降低7.2%和9.0%。GO的減煙效果主要體現(xiàn)在預(yù)混燃燒階段，官能團(tuán)中的氧會(huì)以氧化石墨烯熱解離的形式釋放到燃燒區(qū)，這種過量氧氣的突然可用性增加了燃料的燃燒速度并氧化炭煙顆粒。MWCNT降低炭煙排放主要是因?yàn)槠涔軤罱Y(jié)構(gòu)易于氧氣的打開并形成多種含氧活性基團(tuán)，將形成的炭煙進(jìn)行二次氧化。GR降低炭煙排放的主要原因是高的導(dǎo)熱率，當(dāng)擴(kuò)散火焰?zhèn)鞑r(shí)，能夠?qū)⒆銐虻臒崃總鬟f給附著在添加劑表面的單個(gè)燃燒產(chǎn)物分子，從而增強(qiáng)了碳粒子的氧化性。

圖6 炭煙排放(不透光度)隨負(fù)荷變化曲線

3 結(jié)論

a) B20中加入碳質(zhì)納米燃料添加劑使得缸壓和放熱率提高，燃燒起始點(diǎn)提前，滯燃期縮短；MWCNT100對(duì)缸壓和放熱率提升最顯著，最大分別提高0.334 MPa和17.9%，GR100使得滯燃期最大縮短了1.5°；

b) 添加3種碳質(zhì)納米燃料添加劑均一定程度提高了BTE，降低了BSFC，表明碳質(zhì)納米顆粒能夠有效改善燃燒過程；GO和MWCNT對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果優(yōu)于GR，其中MWCNT100最大可使BSFC降低5.0%，BTE提高4.4%；

c) 3種碳質(zhì)納米燃料添加劑均使得柴油機(jī)炭煙排放降低且高負(fù)荷下效果更顯著，添加MWCNT100使炭煙排放最大降低17.2%，添加GO25和 GR100則分別最大降低12.1%和9.0%；

d) B20中加入碳質(zhì)納米燃料添加劑能夠有效改善柴油機(jī)的燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性能并減少炭煙排放， 碳質(zhì)納米顆粒的使用為生物柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用提供了新的思路。