丁醇-柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性试验研究

2019-04-30李鑫董超韩伟强刘兴文李博仑

车用发动机 2019年2期

李鑫，董超，韩伟强，刘兴文，李博仑

(1.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川成都 610039；2.国家汽车质量监督检验中心，湖北襄阳 441004)

近年来，采用缸内直喷高活性燃料+气道喷射低活性燃料的双燃料(或RCCI)燃烧模式已成为国内外的研究热点。该模式能够通过调节缸内工质的活性分布和梯度有效地控制燃烧相位、放热规律并降低压力升高率，可在全工况范围内实现稳定燃烧[1-2]。相关研究表明[3-7]双燃料燃烧模式在提高热效率和降低污染物排放方面极具潜力。Kokjoh[8]等研究发现，与传统柴油燃烧相比，采用汽油-柴油双燃料燃烧模式能使指示热效率提高约16.4%。Splitter[9]等也指出，汽油-柴油双燃料燃烧模式可使指示热效率达到约60%。此外，Benajes[10]、尧命发[11]等研究发现，采用双燃料燃烧模式可在不使用后处理技术条件下使NOx和Soot排放接近于0。

目前，醇类燃料(如甲醇、乙醇、丁醇等)作为低活性燃料已被广泛应用于双燃料燃烧模式。与甲醇、乙醇相比，丁醇具有较高热值、较高能量密度、较高闪点、密度与柴油接近、对燃油管路无腐蚀性等优异的物理化学性质，已被认为是一种更具潜力的应用于双燃料燃烧模式的低活性燃料[12-13]。针对采用丁醇作为低活性燃料的双燃料燃烧模式，国内外学者已开展了大量的研究工作。Chen[14]等对正丁醇-柴油双燃料燃烧的研究结果表明，在低EGR率(15%)时，正丁醇比例的增加将增大缸压峰值和放热率峰值，减小燃烧持续期；而在高EGR率(45%)时，正丁醇比例的增加降低了缸压峰值和放热率峰值，并使着火始点推迟、燃烧持续期增加。Soloiu[15]等指出正丁醇-生物柴油双燃料燃烧可通过控制燃烧相位改变NOx-Soot的折中关系，同时使NOx和Soot分别降低74%和98%。Ruiz[16]等还研究了正丁醇-柴油双燃料燃烧模式对颗粒物物理化学性质的影响。结果表明，与传统柴油燃烧相比，正丁醇-柴油双燃料燃烧能够增强颗粒物的氧化反应活性，并使其活性表面积和可溶性有机成分增加。此外，Lopez[17]等还指出正丁醇-柴油或乙醇-柴油双燃料燃烧均可提高发动机的有效热效率；相比于乙醇，正丁醇是一种更加优异的低活性燃料，能够更好地改变污染物排放之间的折中关系。

丁醇有正丁醇、仲丁醇、异丁醇和叔丁醇4种同分异构体。它们虽然均具有OH基官能团，但分子结构(羟基位置和碳链结构)存在明显差异。大量的研究表明，4种同分异构体分子结构上的差异将引起不同的燃烧与排放行为。Moss[18]等利用详细化学反应动力学模型通过反应通量和敏感性分析发现，由于正丁醇和异丁醇在化学反应过程中主要发生脱氢和热分解反应，产生高活性的H原子和羟基自由基，为高反应活性的异构体；而叔丁醇和仲丁醇在化学反应过程中主要发生脱水反应，产生较稳定的低活性自由基，为低反应活性的异构体。Gu[19]等在定容燃烧弹上研究了4种丁醇同分异构体的层流燃烧速度。结果表明，分子结构对层流燃烧速度有较大影响，4种同分异构体的层流燃烧速度从大到小依次为正丁醇，仲丁醇，异丁醇，叔丁醇。Stranic[20]等在激波管中测量了4种丁醇同分异构体的着火延迟时间。他们发现4种同分异构体的着火延迟时间从小到大依次为正丁醇，仲丁醇和异丁醇，叔丁醇。此外，Viteri[21]等在管流反应器中研究发现，4种丁醇同分异构体在高温分解反应中生成的Soot浓度从高到低依次为叔丁醇，仲丁醇，正丁醇，异丁醇。Singh[22]等在逆流扩散火焰的研究中也指出，在多环芳香烃(PAHs)的生长阶段，仲丁醇生成的PAHs最少，叔丁醇生成的PAHs最多，正丁醇和异丁醇生成的PAHs介于两者之间。

综上所述，丁醇-柴油双燃料发动机燃烧与排放的研究主要集中于正丁醇，而针对异丁醇-柴油的双燃料发动机燃烧和排放的研究却鲜有报道，已有的关于异丁醇的研究均是与柴油掺烧开展的[23-25]。正丁醇、异丁醇两种同分异构体的燃烧与排放行为的差异性研究也主要是在定容燃烧弹、激波管等装置上基于单一燃料燃烧的基础研究，而对双燃料发动机燃烧和排放的影响差异性却鲜有报道。鉴于此，本研究在1台双燃料发动机上，分别以正丁醇和异丁醇作为低活性燃料，柴油作为高活性燃料开展了燃烧试验，分析了正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的燃烧和排放特性，并比较了两种丁醇同分异构体在燃烧和排放方面的差异。

1 试验设备和方法

1.1 试验发动机与设备

试验发动机为1台排量8.4 L、6缸、直列涡轮增压柴油机，其基本参数见表1。为了实现双燃料燃烧，在进气管上增加一套丁醇供给系统，其喷射压力和喷射时刻分别为0.5 MPa和0°ATDC。丁醇供给系统和原机柴油供给系统均由课题组自行开发的电控单元(ECU)进行控制，可实现对丁醇和柴油喷射时刻和喷油脉宽的灵活柔性调节。丁醇和柴油的消耗量分别由ToCeiL-CMFD015型和ET2500型智能油耗仪进行测量。缸内燃烧参数采用课题组自行开发的燃烧参数采集与分析系统进行测量。该系统由Kistler 6125C型缸压传感器、Kistler 5011B10型电荷放大器、NI USB6353型采集卡和E6C2-CWZ3E型光电编码器等组成。气体排放(CO,NOx,HC)测量采用HORIBA MEXA-7100DEGR型气体排放分析仪；颗粒物测量采用Cambustion DMS500 MKII快速型微粒光谱仪，粒径测量范围为5～1 000 nm，带有两级稀释系统，试验设定稀释比分别为4∶1和150∶1，稀释气体为高纯空气。图1示出试验台架示意。

表1 试验发动机基本参数

图1 试验台架示意

1.2 试验燃料

试验用柴油为0号国五柴油，正丁醇和异丁醇为纯度99.9%的分析醇，其理化性质见表2。

表2 试验用燃料理化性质[12-13]

1.3 试验方法

试验过程中，保持冷却水出水温度和机油温度分别为(80±1)℃和(85±1)℃，进气温度保持为(30±1)℃。在转速1 500 r/min、缸内循环总能量1 280 J/cycle、不同柴油喷射定时和丁醇替代比条件下，研究进气道喷射不同分子结构丁醇(正丁醇和异丁醇)对双燃料发动机燃烧和排放的影响规律。试验工况见表3。

表3 试验工况

丁醇替代比定义如下：

(1)

式中：mD为柴油的质量流量；HuD为柴油的低热值；mx为进气道喷射燃料的质量流量；Hux为进气道喷射燃料的低热值；rx为丁醇替代比；下标x为n或iso，分别代表正丁醇或异丁醇。

2 结果与分析

2.1 燃烧特性

图2示出转速1 500 r/min、缸内循环总能量1 280 J/cycle工况，当丁醇替代比为50%和60%时，柴油喷射定时分别为-8°，-18°，-35°ATDC的缸内压力和瞬时放热率曲线。由图2可知，随着柴油喷射定时的提前，最大缸内压力和瞬时放热率峰值所对应的曲轴转角均提前，最大缸内压力逐渐增加，瞬时放热率峰值先增大后减小。这主要是由于随着柴油喷射定时的提前，缸内形成可燃混合气的时刻提前且缸内工质的混合时间增长，致使缸内工质更早地发生燃烧反应，并使预混燃烧比例增加，因此，最大缸内压力和瞬时放热率峰值所对应的曲轴转角提前，最大缸内压力增加。然而，柴油喷射定时提前虽然能够增大预混燃烧比例，促进瞬时放热率峰值增加，但也降低了缸内工质着火时刻所对应的缸内压力和温度，并使局部空燃比增大，可燃混合气活性降低，从而抑制可燃混合气的燃烧反应速率。因此，在上述因素的综合作用下，瞬时放热率峰值随柴油喷射定时的提前而呈现先增大后减小的趋势。

图2 不同柴油喷射定时下缸内压力和瞬时放热率

图3示出不同柴油喷射定时下的缸内最高平均温度。由图3可知，随着柴油喷射定时的提前，正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的缸内最高平均温度均呈现逐渐升高的趋势；而随着丁醇替代比的增加，两者缸内最高平均温度均降低。这是由于随着柴油喷射定时的提前，燃烧始点提前，相同曲轴转角下的累计放热量增加，导致缸内最高燃烧温度增加；而随着替代比的增加，缸内工质的汽化潜热增加，冷却作用增强，导致缸内最高燃烧温度降低。

图4示出不同柴油喷射定时下燃烧参数(θCA10,θCA50和θCA90)的变化情况。随着柴油喷射定时的提前，缸内形成可燃混合气提前，正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的燃烧始点θCA10逐渐提前；但柴油喷射得越早，着火时刻所对应的缸内压力和温度越低，且增长了柴油的混合时间，降低了局部燃空当量比，使燃烧速度下降，从而导致两种燃烧的燃烧持续期(记为θCD，θCD=θCA90-θCA10)逐渐增长。此外，随着柴油喷射定时的提前，丁醇替代比为50%时，θCA50和θCA90逐渐提前，而丁醇替代比为60%时，θCA50和θCA90先提前后延迟。通常，柴油喷射时刻提前，燃烧始点θCA10提前，也将促使θCA50和θCA90提前。然而，在双燃料燃烧模式下，随着丁醇替代比的增加，缸内工质总体活性降低，同时过早的柴油喷射也促进了柴油分布得更加均匀，从而使燃烧速度明显下降，进而导致了丁醇替代比为60%、柴油喷射定时为-35°ATDC时的θCA50和θCA90有所延迟。

图3 不同柴油喷射定时下缸内最高平均温度

图4 不同柴油喷射定时下燃烧参数(θCA10,θCA50和θCA90)

另外，由图4还可发现，在相同丁醇替代比和柴油喷射定时条件下，相比于正丁醇-柴油，异丁醇-柴油双燃料燃烧的θCA10,θCA50和θCA90均提前，燃烧持续期更短。这主要是由于在丁醇-柴油双燃料燃烧反应过程中，异丁醇对OH基的争夺能力弱于正丁醇，从而使异丁醇-柴油双燃料燃烧反应过程中的可用OH基浓度更高，促使其燃烧始点提前，燃烧速度增加，进而使其θCA10，θCA50和θCA90提前，燃烧持续期缩短。

图5示出不同柴油喷射定时下的最大压力升高率。由图5可知，随着柴油喷射定时的提前，正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的最大压力升高率均呈现先增加后减小的趋势，在柴油喷射定时为-18°ATDC时达到最大。在相同丁醇替代比和柴油喷射定时下，相比于异丁醇-柴油，正丁醇-柴油双燃料燃烧的滞燃期较长，预混燃烧比例较大，也导致了正丁醇-柴油双燃料燃烧的最大压力升高率高于异丁醇-柴油。

图5 不同柴油喷射定时下最大压力升高率

2.2 排放特性

图6和图7示出转速1 500 r/min、缸内循环总能量1 280 J/cycle工况，当丁醇替代比为50%和60%时，柴油喷射定时分别为-8°，-18°，-35°ATDC的HC和CO排放变化情况。

图6 不同柴油喷射定时下HC排放

图7 不同柴油喷射定时下CO排放

在双燃料燃烧模式下，HC和CO主要生成于温度较低且缺少高活性燃料的近气缸壁面区域[34]。随着柴油喷射定时的提前，柴油混合时间增长，预混燃烧比例增加，缸内燃烧温度以及柴油的分布均得到改善，使燃烧更加充分，从而导致正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的HC和CO排放均逐渐降低。另外，由图6和图7还可发现，在相同的丁醇替代比和柴油喷射定时条件下，异丁醇-柴油双燃料燃烧的HC排放高于正丁醇-柴油，而CO排放低于正丁醇-柴油。这可能是由于异丁醇-柴油双燃料燃烧的滞燃期相对较短，高活性燃料的分布较差，燃烧温度也较低，降低了HC向CO的转化速率，从而使其HC排放高于正丁醇-柴油双燃料燃烧。同时，由于HC向CO转化速率的降低，也促使异丁醇-柴油双燃料燃烧的CO排放相对低于正丁醇-柴油。

图8示出不同柴油喷射定时下的NOx排放情况。由图8可见，随着柴油喷射定时的提前，正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的NOx排放均呈现先增加后降低的趋势。这可能是由于随着柴油喷射定时的提前，柴油混合时间增加，一方面增加了预混燃烧比例，使高温反应区域增大，另一方面，也降低了预混燃烧区域的高活性燃料浓度，降低了绝热火焰温度[34-35]。因此，在两者的综合作用下导致了NOx排放随柴油喷射定时提前所呈现的变化规律。另外还可发现，在相同的丁醇替代比和柴油喷射定时条件下，异丁醇-柴油双燃料燃烧的NOx排放高于正丁醇-柴油。相比于正丁醇-柴油，异丁醇-柴油双燃料燃烧的滞燃期较短，尽管使预混燃烧的高温区域有所缩小，但却使预混燃烧区域内的绝热火焰温度有所升高，绝热火焰温度的升高可能成为了主导因素，从而促使异丁醇-柴油双燃料燃烧的NOx排放较高。

图8 不同柴油喷射定时下NOx排放

图9示出不同柴油喷射定时下的颗粒物粒径(Dp)分布。由图9可知，随着柴油喷射定时的提前，正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧的核态颗粒物峰值和聚积态颗粒物峰值均呈现逐渐降低的趋势。其主要原因是随着柴油喷射定时的提前，柴油混合时间增长，柴油分布得更加均匀，局部过浓区域减小，同时也降低了绝热火焰温度，两方面的共同作用抑制了颗粒物的生成，从而导致了正丁醇-柴油和异丁醇-柴油双燃料燃烧颗粒物排放随柴油喷射定时提前的变化规律。

图9 不同柴油喷射定时下颗粒物粒径分布

此外，由图9还可发现，在相同的丁醇替代比和柴油喷射定时条件下，相比于正丁醇-柴油，异丁醇-柴油双燃料燃烧的核态颗粒物峰值和聚积态颗粒物峰值较低，且核态颗粒物峰值粒径有减小的趋势，而聚积态颗粒物的峰值粒径有增大的趋势。虽然正丁醇-柴油双燃料燃烧的滞燃期较长，缸内工质的混合时间较长，能够减小缸内局部过浓区域和降低绝热火焰温度，有利于减少燃烧过程中颗粒物的生成，但是正丁醇和异丁醇的分子结构明显不同，其化学反应过程也将存在显著的差异，从而造成不同的颗粒物排放行为。Viteri[21]等在进行丁醇同分异构体高温分解反应的研究中指出，炭烟(Soot)的形成与丁醇同分异构体分子中的β-H原子数量密切相关，β-H原子数量越多炭烟生成量越大；正丁醇分子中存在2个β-H原子，异丁醇分子中存在1个β-H原子，正丁醇在燃烧过程中生成的炭烟量明显高于异丁醇。Singh[36]等在丁醇同分异构体炭烟形成过程的研究中证实，相比于异丁醇，正丁醇在燃烧过程中生成了更多的炭烟。因此，正丁醇和异丁醇分子结构差异导致的不同化学反应过程，可能是在相同燃烧组织条件下异丁醇-柴油双燃料燃烧颗粒物排放低于正丁醇-柴油的主要因素。