加氢催化生物柴油/柴油碳烟生成过程可视化试验研究

2018-09-11

汽车与新动力 2018年4期

(1.上汽集团商用车技术中心，上海 200438；2. 江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013)

0 前言

随着我国经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，我国汽车保有量逐年增加，截止2017年底，已累积达到2.17亿辆，汽车的大量使用带来了严峻的能源供需紧张和环境污染问题，其中，柴油机的颗粒物(PM)排放远超汽油机，成为内燃机领域降低排放的研发重点[1]。生物柴油因为其可再生性、对柴油机结构无需改动及低碳烟排放特点，近年来受到人们的广泛关注。

当前，国内外科研工作者对于生物柴油在发动机上开展了大量的研究[2-3]，研究结果表明生物柴油具有很好的降低PM排放效果，而关于生物柴油在燃烧过程中碳烟生成特性的研究较少，Pickett和Siebers[3]在定容燃烧弹中针对微小喷孔进行了碳烟生成过程可视化研究，首次指出了火焰浮起长度与碳烟生成之间的联系。Pastor[4]在1个二冲程光学发动机上，针对燃烧过程中碳烟生成特性，开展了对不同光学测试方法的研究，研究结果认为双色法对于低碳烟浓度条件下具有很好的测试效果，而消光法对于浓碳烟条件具有很好捕捉特性，且测试过程简单易操作。Hwang[5]等研究了以地沟油为原料制取的生物柴油的喷雾燃烧特性及排放特性，研究发现生物柴油在小负荷的条件下也有助于减少CO、碳氢化合物(HC)和PM的排放，但在高负荷和喷油正时提前的情况下，排放效果会出现恶化。Lapuerta[6]等认为生物柴油的燃烧始点提前，使得碳烟在高温下的时间比较长，这有利于碳烟的氧化，同时生物柴油的终馏点低，使得从喷油孔喷出的生物柴油液滴能在高温下很快地蒸发燃烧，减少了碳烟前驱物的生成，而且生物柴油中不含硫元素，减少了碳烟重要组成部分硫氧化物的形成。王显刚[7]等研究了超高喷射压力下柴油、棕榈油生物柴油和煎炸油生物柴油的碳烟生成特性。研究表明煎炸油生物柴油比棕榈油生物柴油能更有效地减少碳烟的生成。

综上所述，国内外学者针对生物柴油的碳烟生成特性开展了一定的研究。而加氢催化生物柴油作为一种新型燃油，其化学结构上与柴油类似，为饱和烷烃结构，十六烷值高、氧化安定性好、密度小、硫含量低，且具有与柴油相近的黏度和热值，不含氮、氧等特点，关于其碳烟生成特性的研究目前还未大量开展。因此，针对该加氢催化生物柴油在高温高压的可视化定容燃烧弹内，开展了柴油以及混合燃油B50碳烟生成过程的对比研究，并探究其相互作用。

1 试验装置及研究方法

1.1 燃料及试验方案

为了探究加氢催化生物对柴油机碳烟生成特性的影响，利用加氢催化生物柴油与0号国五柴油按质量比1∶1调和成混合燃油，使用国五柴油作为对比燃料，具体理化特性如表1所示,加氢催化生物柴油详细的理化特性见文献[8]。为了方便表述，本文以B50代表混合燃油。试验方案如表2所示，以氧浓度15%、环境温度870 K、喷油压力100 MPa为基准工况，保持环境密度为20 kg/m3不变，依次改变氧浓度、环境温度和喷油压力研究不同工况下加氢催化生物柴油的碳烟生成特性，喷油持续期为3 500 s，为减少循环变动和多次喷油之间的误差，每组工况喷油10次，喷油间隔为10 s。

表1 试验燃油的理化特性

表2 试验方案

1.2 定容燃烧弹

本文中所有试验均在定容燃烧弹上进行，其主体材料为不锈钢，以保证腔体能够承受较高的压力。定容燃烧弹主体为圆柱形，腔体四周正交分布4个视窗，视窗有效直径为100 mm，视窗由厚度为80 mm的JGSJGS-1高透石英玻璃，定容燃烧弹腔体有效容积为12 L。腔体内装有瞬时压力和温度传感器，以监测试验中腔体内压力和温度波动，安全工作压力最高为6 MPa，工作温度为1 000 K。

1.3 碳烟浓度测量试验装置及试验方法

本文中碳烟浓度测量方法为发散背景光消光法(DBIEI)，光路设置如图1所示，整个光路以喷油器为中心在定容燃烧弹外围对称布置光源系统和图像接收系统。其中，光源系统由高频脉冲LED灯，菲涅尔透镜和工程散射片组成。为减少光强损失，散射片靠近定容弹视窗放置，菲涅尔透镜放置在散射片和光源之间，保持菲涅尔透镜和LED光源两者距离始终为菲涅尔透镜的焦距长度，将两者向后挪动逐渐远离散射片，直到相机上出现光斑面积最大为止，同时，确保穿过视窗的光是发散的，以减少纹影效应。图像采集系统由凸透镜、450 nm带通滤光片(半带宽10 nm)和高速数码相机(型号为Photron SA-Z)组成，镜头为105 mm尼康变焦镜头。

图1 碳烟浓度测量原理图

高速相机和脉冲LED的时序图如图2所示，设置高速数码相机的拍摄频率为60 000 fps，脉冲LED频率设置为相机的一半，从而相机可以捕捉到LED连续两次发光之间的碳烟自身辐射。高速数码相机曝光时间为2.5 μs，像素密度为5.83 pixel/mm，分辨率为768×304。

图2 高速相机和脉冲LED时序图

基于“Beer-Lambert”定律[9]，高速DBIEI消光测试用于得到表征碳烟浓度(KL)值，如式(1)所示：

(1)

式中，Isum表示入射光源穿透碳烟后的光强I0,trans与碳烟自身辐射光强度If的总和，If表示LED频闪之间碳烟自身的辐射强度，I0表示LED灯的入射光强。式(2)为碳烟质量计算公式：

Msoot=ρKLλ×pixelarea/ke

(2)

式中，λ表示入射光的波长，即450 nm，ke为无量纲消光系数，依据Rayleigh-Debye-Gans(RGB)理论，ke值选取7.81.其中假设碳烟密度为1.8 g/cm3。基于式(2)中的碳烟质量计算公式，将每一个像素点的值沿着y轴叠加，如式(3)所示：

(3)

x表示喷雾轴向，y表示喷雾径向，y1和y2表示喷雾径向上的边界，计算结果如图3所示。

图3 碳烟生成的初始时刻和初始位置的确定

2 试验结果及分析

2.1 火焰中碳烟浓度发展过程

在每个光路轴向位置上，测量所得的KL值正比于入射光在碳烟内光学长度的累积值。图4给出了MO中氧浓度工况(喷油压力100 MPa、环境温度870 K、氧浓度18%)下B0和B50燃油的碳烟浓度二维分布，左边为B0燃油，右边为B50，其中B0燃油碳烟浓度中的黑色区域表示入射光无法穿过此处碳烟，即KL值大于5，白色虚线表示相应燃油在该工况下的火焰浮起长度。

图4 MO工况(喷油压力100 MPa、环境温度870 K、氧浓度18 %)B0和B50燃油的碳烟浓度二维分布

由图4可见，B50燃油燃烧时的碳烟生成的初始时刻远远早于B0燃油，主要是因为加氢催化生物柴油的十六烷值较高，大大缩短了B50燃油的着火延迟期，而着火延迟期会改变扩散火焰中油气混合质量，从而影响整个燃烧过程。同时，较短的着火延迟期意味着更大比例的扩散燃烧和更小比例的预混合燃烧，油气混合过程中卷吸空气量也会大大降低，因此火焰浮起长度会缩短，有助于增大碳烟生成。此外，十六烷值较高的燃油裂解速率更快，然而也会加速碳烟前驱物的生成。一般来说，小分子燃料的碳烟生成较低，燃烧更完全，而碳烟的生成过程极其复杂，需要在不同的运行工况下进行具体性分析。喷油开始后(ASOI) 1 150 μs时，由于B50燃油火焰的头部出现了破碎现象，所以对应的碳烟头部被边界过滤掉。在碳烟生成初始时刻，B50燃油的碳烟浓度较大，在ASOI 1 800 μs之后，两种燃油火焰中的碳烟分布趋于稳定，并且B50燃油火焰中的碳烟浓度明显小于纯柴油。

2.2 碳烟生成的初始时刻和初始位置

柴油燃烧的碳烟生成主要存在于扩散火焰中，因此，火焰中碳烟浓度的大幅增加可以一定程度上表征扩散火焰的开始。

图5(a)给出LT、MT和BA工况(不同环境温度)下碳烟生成的初始时刻和初始位置的变化曲线，柱状图表示碳烟生成的初始时刻，折线图表示碳烟生成的初始位置。由图可得，在环境温度770 K工况下，由于此时火焰浮起长度较长，预混燃烧较为充分，在视窗内无碳烟信号；在环境温度823 K和870 K工况下，碳烟生成的初始时刻随着环境温度的升高而降低，且B50燃油下降的幅度小于B0燃油。同样，碳烟生成的初始位置缩短的幅度也小于B0燃油，说明在大负荷工况下，加氢催化生物柴油降低碳烟生成的效果更好。

图5(b)给出了BA、MO和HO工况(不同氧浓度)下碳烟生成的初始时刻和初始位置的变化曲线。其中B0和B50燃油的碳烟生成的初始时刻和初始位置均随着氧浓度的增大而降低，且随着氧浓度的增大，降低的幅度逐渐减小，直至在氧浓度21%工况下，两种燃油的碳烟生成的初始时刻和初始位置几乎没有差别。

图5(c)给出了BA、HI(不同喷油压力)工况下碳烟生成的初始时刻和初始位置的变化曲线。与其他参数不同的是，随着喷油压力的增大，B0和B50的碳烟生成的初始时刻几乎以相同的幅度增加，而对于碳烟初始生成位置，B50燃油几乎保持不变。