预喷对2-甲基呋喃/柴油混合燃料低温燃烧及排放的影响*

肖合林 杨小龙 薛 琪 曾鹏飞 侯贝贝

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070) (汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070)

0 引 言

甲醇、乙醇、生物柴油和正丁醇是当前研究最广泛的燃料[1-5]，乙醇是目前唯一可以大规模制备的可再生代用燃料，但其使用受到自身许多缺点的限制.随着新型制备方法的发现，一种可由果糖或葡萄糖高效制取的呋喃类燃料[6]——2-甲基呋喃(2-methylfuran，MF)引起了人们广泛的关注.Cao等[7]通过双向体系法生产MF，使高效率、低成本地生产MF成为可能.2-甲基呋喃可以用菊芋、玉米秸秆等非粮作物制取[8]，原料来源丰富，不会引起粮食价格的上涨.同时，MF还具有辛烷值较高、热值相对乙醇高和微溶于水等优势，是一种非常有潜力的可替代能源之一.

MF具有和汽油相似的理化性质，应用在发动机上可以缓解能源危机和环境污染问题.各国学者对MF在发动机上的适用性做了广泛研究.Thewes等[9]在一台单缸直喷汽油机上研究对比了燃用MF、乙醇和汽油的燃烧与喷雾情况.研究表明，MF具有极好的燃烧稳定性.Wang等[10]在单缸直喷汽油机上对比了MF、2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran，DMF)、乙醇和汽油的燃烧和排放性能.Xiao等[11]在一台四缸四冲程水冷增压直喷柴油机上研究了柴油掺混不同比例MF对柴油机燃烧及排放的影响.研究表明，MF具有良好的燃烧与排放性能.

目前，国内外关于呋喃类燃料的研究主要集中在DMF，对MF的研究也主要集中在汽油机上，且对MF在柴油机上的适用性研究很少.本研究在YC4FA115-40水冷增压直喷柴油机上，燃用MF/柴油的混合燃料研究了EGR和预喷射对发动机燃烧与排放性能的影响.

1 试验装置与研究方案

1.1 试验设备

实验在一台改装过的四缸四冲程水冷带有高压共轨燃油喷射系统的直喷柴油机上进行，试验机的型号为YC4FA115-40，柴油机主要技术参数见表1.发动机与电涡流测功机通过联轴器相连.发动机的工况由电子控制单元(ECU)控制.发动机的缸内压力使用Kistler 6025C压力传感器测量，压力传感器安装在气缸盖上，缸压信号由电荷放大器放大后被CB-466燃烧分析仪接受.压力数据每隔0.25°CA采集一次，取发动机连续100个周期数据的平均值.进气温度控制在(25±0.5) ℃，发动机冷却液由温度控制系统自动控制在(85±1) ℃，机油温度控制在(87±2) ℃，气体排放使用AVL(李斯特内燃机及测试设备)气体分析仪测量.通过Combustion DMS500快速响应颗粒分析仪对颗粒物的排放进行测量.

表1 柴油机主要技术参数

1.2 试验燃料

实验中所用的燃料为传统柴油和MF，MF纯度达到99%，其理化性质见表2.

试验中的燃料是由质量分数为10%，20%和30%的MF(纯度为99%)混入柴油形成的MF/柴油混合燃料，分别记为M10，M20和M30，纯柴油记为M0.

表2 柴油和MF理化特性

1.3 试验方案

在本实验中，发动机的转速保持在(1 800±5) r/min，发动机每循环供热量为1 063 J，对应当量柴油为25 mg，EGR率为30%，主喷油正时7.5°CA BTDC，预喷提前角分别为0，20，30，40，50，60 °CA BTOC.

2 试验结果及分析

2.1 燃烧特性分析

预喷射提前角为30°CA BTDC，预喷比例为10%时，燃用M0，M10，M20，M30的缸压、放热率和缸内温度曲线见图1.

在预喷射放热阶段，随着MF比例的增大，缸内压力、放热率和缸内温度均有所降低.这主要是由MF较高的汽化潜热和较低的十六烷值造成的.

图1 燃料属性对缸压、放热率和缸内温度的影响

在主喷放热阶段，随着MF掺混比例的增大，缸内压力、放热率和温度峰值逐渐升高.由于混合燃料滞燃期的延长使得预混合阶段形成更多的混合气，在活塞上止点附近一起燃烧，使得缸压、放热率和燃烧温度峰值升高.引入EGR可以降低缸内氧含量与热容量，从而降低燃烧温度；引入预喷射可以缩短主喷的滞燃期，降低燃烧温度.因此，最高温度会受到EGR与喷油策略的影响而不会太高.

预喷比例为10%时，预喷射提前角对M20缸压放热率的影响见图2.

图2 燃用M20预喷射定时对缸内压力和放热率的影响

相比于单次喷射，引入预喷策略后，缸压峰值显著升高，放热率峰值降低.缸压峰值升高是因为：预喷射燃料提前放热，使得主喷燃油进入气缸时缸内温度和压力升高，促进主喷燃料的蒸发雾化，主喷燃料在滞燃期形成的混合气数量增加，促进预混燃烧，使得最大缸压升高；放热率峰值降低可以归结为以下两点：主喷燃油放热提前、放热范围扩大，使得主喷阶段放热率峰值降低；主喷燃油吸卷预喷射燃气，抑制了最大燃烧放热率.

图3对比了燃用M0，M10，M20和M30预喷射量为10%，不同预喷射角时的滞燃期和燃烧持续期.滞燃期的定义是从主喷时刻开始到累计放热达到10%所对应的曲轴转角.燃烧持续期的定义是从累计放热10%～90%所对应的曲轴转角.反映了燃料的主要放热时间.

与滞燃期相反，随着混合燃料中MF比例的增加，燃烧持续期缩短.主要是因为滞燃期延长使得混合燃料能较好的与空气混合，同时MF分子含氧，加速了燃料的燃烧，使得主要放热时间缩短.

图4对比了燃用M0，M10，M20和M30预喷量为10%时，不同预喷射角时的最大压力升高率.随着混合燃料中MF比例的增加，最大压力升高率有所升高，这是因为混合燃料的滞燃期随着MF比例的增大而延长，混合燃料能更好地与空气混合.相比单次喷射，引入预喷策略后，最大压力升高率明显降低，这是因为加入预喷后，放热起始时刻提前，放热区域扩大，导致最大压力升高率下降.

图4 最大压力升高率

2.2 排放特性

2.2.1HC的排放

燃料特性和预喷射定时对HC排放的影响见图5.随着混合燃料中MF的比例增加，HC排放量逐渐降低，这是由于MF为含氧燃料，有利于HC的完全燃烧以及后期氧化.但只有主喷时，燃用M30的HC排放明显高于其他燃料，这是因为MF的十六烷值较低蒸发潜热值大，引入30%EGR率时缸内燃烧温度降低，部分HC未完全氧化.

相比单次喷射，在较小预喷射角度20°CA BTDC时，HC排放显著降低.这是因为预喷燃油喷入气缸时，活塞已接近上止点，缸内温度和压力较高，对主喷射燃油起到预热作用，使得燃油与空气能够更好地混合，从而促进了HC的氧化.

图5 不同燃料预喷射定时对HC排放量的影响

随着预喷角度的增大，HC排放量逐渐升高.引起这一现象的原因主要来自两个方面，一方面，预喷射角度大时，预喷射燃油喷入气缸时缸内温度和压力较低，燃料雾化效果较差，预喷燃油未完全燃烧，未氧化HC增多；另一方面，预喷射角度过大导致燃油会被喷入挤流区，在缸壁或活塞顶面形成壁面油膜，部分燃料不能完全燃烧，导致未燃HC增多.

2.2.2CO的排放

燃料特性和预喷射定时对CO排放的影响见图6.单次喷射时，CO排放量随着MF质量分数的增加而升高.这是因为MF的十六烷值低、蒸发潜热大，引入30%EGR率降低了缸内压力和燃烧温度，未被氧化CO增多.

引入预喷策略后，同HC排放类似，混合燃料的CO排放均低于纯柴油，且随着预喷角度的增大，CO排放量逐渐升高，原因与HC排放类似，这里不再赘述.

图6 不同燃料下预喷射定时对CO排放量的影响

2.2.3NOx的排放

燃料特性和预喷射定时对NOx排放的影响见图7.NOx主要是一氧化氮(NO)，NO的生成主要取决于缸内最高温度、氧质量浓度，以及高温反应时间.由图7可知，引入30%EGR率时，由于缸内温度低于1 700 K，NO的生成速率极低，使得四种燃料的NOx排放量很低.除燃用M30外，随着MF质量分数的增大，NOx排放升高.

图7 不同燃料下预喷射定时对NOx排放量的影响

相比单次喷射，引入预喷策略后，NOx的排放明显降低.这是因为：①引入预喷射，缩短了主喷燃油滞燃期，抑制了NOx的生成.②引入预喷射，主喷油量相对减少，放热率峰值降低，因此在主喷放热阶段缸内最高温度降低，NOx排放量减少.

随着预喷角度的增大，NOx排放量先降低再升高.这是因为预喷角度较小时，主喷燃油很容易喷入由于预喷燃油燃烧所形成的缺氧区域，虽然此时缸内温度较高，但是缸内局部过浓导致缺氧，抑制了NOx的生成.随着主喷提前角的进一步增大，这种抑制效果减弱，导致NOx排放升高.

燃用MF20在不同预喷射角度下颗粒粒径分布见图8，碳烟尺寸均呈双峰分布，且以核模态颗粒为主.随着预喷射角度的增大，核模态粒子数目增加而聚集态粒子数目降低.引起这一现象的原因为：随着预喷角度提前，预喷燃油释放的热量对主喷射燃油的预热效果变差，主喷燃油滞燃期延长，扩散燃烧阶段缩短，使得聚集态粒子数目降低.聚积态颗粒数量的降低会减少对气相组分成核的抑制，促进小尺寸颗粒的生成.

图8 燃用MF20在不同预喷射角度下颗粒粒径分布

预喷射量为10%，预喷射角为30°CA BTDC时，燃料属性对颗粒物尺寸分布的影响见图9.相比纯柴油，燃用混合燃料燃烧时，废气中核模态颗粒数目增多，聚集态颗粒数目降低.这是因为MF的添加延长了主喷燃料滞燃期，扩散燃烧阶段缩短，减少了小颗粒的碰撞凝并.同时，MF是含氧燃料，有利于聚集态粒子氧化成核模态粒子，最终使大尺寸颗粒生成量减少，小尺寸颗粒生成量增多.

图9 燃料属性对颗粒物尺寸分布的影响

3 结 论

1) 随着混合燃料中MF质量分数的增大，缸内压力峰值、放热率峰值和温度峰值逐渐升高；随着预喷射角度的增大，M20缸内压力峰值上升，放热率峰值下降.

2) 随着混合燃料中MF质量分数的增大，HC和CO排放量均有显著下降；随着预喷射角度的增大，HC和CO排放量先降低后升高且在20°CA BTDC预喷射角度时最低.

3) 随着混合燃料中MF质量分数的增大，NOx的排放量有所升高；引入EGR和预喷策略可以有效降低NOx排放量，且在30°CA BTDC预喷射角度时最低.

4) 随着预喷射角的提前，核模态粒子的数目有所升高，聚集模态粒子的数目有所下降.随着MF质量分数的增大，核模态粒子的数目有所升高，聚集模态粒子的数目有所降低.

5) MF具有和汽油相似的物理化学性质，与柴油掺混燃烧表现出良好的适应性.MF是含氧燃料，可以改善燃烧过程，减小HC，CO与碳烟排放.

6) 采用较小的预喷射角30°CA BTDC，同时在柴油中加入20%质量分数的MF时，有利于改善发动机燃烧与排放性能.

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