EGR率对乙醇/生物柴油混合燃料燃烧及排放特性的影响

肖合林，李胜君，薛 琪，鞠洪玲



EGR率对乙醇/生物柴油混合燃料燃烧及排放特性的影响

肖合林1, 2，李胜君1, 2，薛 琪1, 2，鞠洪玲1, 2

(1. 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070； 2. 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070)

在一台经过深度改装的四缸直喷水冷柴油机上，燃用乙醇与生物柴油的混合燃料，研究了EGR率与燃料特性对柴油机燃烧及排放的影响．结果表明：EGR系统的介入以及乙醇的掺混均可减小燃烧过程中缸内压力和放热率峰值．燃用同种掺混比的燃料，随着EGR率的增大，滞燃期和燃烧持续期出现了不同程度的延长，当量燃油消耗率升高，有效热效率降低．EGR率不变时，燃用不同掺混比的混合燃料，随乙醇质量分数的增加，滞燃期与燃烧持续期逐渐延长，当量燃油消耗率逐渐降低，有效热效率逐渐升高．NO的排放量在EGR引入后出现了显著下降，HC排放量升高．相同EGR率下，随着乙醇掺混比的提高NO排放量略微下降，HC排放量表现出先减小后升高的趋势．相比纯生物柴油，乙醇的掺混可以显著减少大粒径颗粒物的数量．EGR率的变化对核模态粒子的数量影响不明显，但聚集态粒子的数量会随着EGR率的提高出现较为明显的增多．将乙醇、生物柴油和EGR系统三者相耦合可改善柴油机的燃烧及排放特性．

EGR率；乙醇；生物柴油；燃烧；排放

代用燃料在发动机上的应用从未停止，这不仅是出于能源安全的考虑，即石油资源告罄后需要代用燃料的技术储备，也是出于解决传统常规燃料对大气环境造成较大污染的现实要求．由于生物柴油具有与传统柴油相近的理化特性，近年来成为国内外学者研究的热点．研究表明：燃用生物柴油可显著降低CO、HC和PM的排放，但因其分子的含氧特性(约10.8%)促进了NO的生成导致排放量有所上升[1]．由于生物柴油具有运动黏度大，低温流动性差、喷射锥角小、贯穿距离长等缺点[2]，导致燃油雾化质量差与空气混合不均，容易形成局部缺氧区域，使得发动机燃烧和排放性能变差；而乙醇运动黏度小、低温流动性好、挥发性好，与生物柴油掺混使用可改善上述缺点[3].其次，乙醇的十六烷值含量较低，发火性能差，混合使用后生物柴油的高十六烷值恰好能得到中和．因此，乙醇与生物柴油的混合实际上是两种燃料理化特性的互补．

废气再循环系统(exhaust gas recirculation system)是目前柴油机减少NO排放最有效的手段[4-7].艾晓威[8]在1台四缸直喷柴油机上研究了大EGR率工况下柴油机燃用生物柴油的工作特性．结果表明：传统柴油机燃烧模式存在Soot和NO排放的trade-off关系，通过超高EGR率实现低温燃烧工作模式能够很有效地实现Soot排放和NO排放的双降．张全长[9]对柴油机的低温燃烧理论和燃烧控制策略进行了实验性研究．结果表明：随着EGR率的升高，在Soot-Bump出现之前碳烟排放略有增大，在Soot-Bump峰值后碳烟排放急剧下降，在高EGR率工况下，可同时实现NO和Soot超低排放，但CO和THC排放量急剧增加，燃油消耗率升高10%～20%．

综合国内外的研究不难发现，不论是生物柴油还是醇类与柴油的混合燃料，又或是EGR系统的应用都能在一定程度上减少有害排放物的排放量，但与此同时又会产生其他问题．为了找寻利与弊之间的平衡点，笔者基于1台经过改装的四缸直喷柴油机，研究了在不同EGR率下发动机燃用不同比例乙醇(质量分数为0、10%和20%)掺混的乙醇/生物柴油混合燃料时的燃烧及排放特性．

1 实验装置和研究方法

1.1 发动机实验装置

实验搭建了燃烧分析和排放物测试平台，如图1所示．表1为实验机的主要技术参数．实验机曲轴动力输出端通过联轴器与电涡流测功机相连，调整测功机转速将发动机稳定在1800r/min(±5r/min)，发动机电子控制单元为Bosch公司提供的可进行实时标定的开放式ECU，实验机工况参数通过上位机的ELECK软件进行实时在线调整，选用Kistler6125C压力传感器对缸压进行测量，测量信号经电荷放大器放大后传入CB-466分析仪，采样频率为：曲轴每转动0.25°进行1次缸压采样，为了减小误差连续采样100个工作循环取其平均值．为保证实验数据的可靠性以及可重复性，进气压力控制在(110±0.3)kPa，进气温度由台架实验室内的恒温控制系统控制在25℃(±0.5℃)，实验机冷却水与机油温度经外部循环控制系统分别稳定在85℃(±0.5℃)和87℃ (±2℃)．尾气排放使用AVL DiGas 4000气体分析仪进行测量，测量气体包括NO、HC、CO、CO2和O2．

表1 柴油机基本参数

Tab.1 Specifications of diesel engine

图1 实验装置示意

1.2 实验燃料

实验所用燃料为国药集团化学试剂有限公司提供的纯度为99.7%的无水乙醇，生物柴油由滕州宏利生物科技公司提供，表2为柴油、生物柴油和乙醇3种燃料的理化特性对比．

表2 柴油、生物柴油和乙醇的理化特性

Tab.2 Physicochemical properties of diesel，biodiesel and ethanol

1.3 实验方案

实验将发动机转速稳定在1800r/min，喷油压力设定为110MPa．将纯度为99.7%的乙醇与生物柴油均匀混合，分别配置乙醇质量分数为10%、20%的乙醇/生物柴油混合燃料，且分别用E10和E20表示，纯生物柴油则用E0表示，表3为混合燃料的理化特性．实验中分别燃用E0、E10和E20并采集数据．为保证燃用不同掺混比的燃料所提供的循环供热量相同，发动机在1800r/min、30%负荷下燃用纯生物柴油，此时循环喷油量为22mg对应循环供热量为825J，保证每循环供热量不变，此时E10、E20的每循环喷射量分别为：22.64mg、23.32mg．在此条件下探究EGR率为6%、17%、27%时对生物柴油以及乙醇/生物柴油混合燃料燃烧及排放特性的影响．

表3 混合燃料的理化特性

Tab.3 Physicochemical properties ofblended fuel

2 实验结果及分析

2.1 缸内压力及放热率

图2为实验机燃用E20时不同EGR率对缸压与放热率的影响．从图中可以看出，随着EGR率的升高，放热率与缸压峰值都出现了一定幅度的下降和燃烧相位推迟．这是因为：①EGR的引入增加了H2O、CO2等比热容较高的多原子气体，降低缸内温度的同时抑制了燃烧过程的化学反应；②废气再循环中的未完全燃烧产物以及各种废气排放物使得进气中的氧浓度降低，导致燃烧速率降低．在以上两方面因素的共同作用下，缸压和放热率峰值均降低且燃烧相位出现后移．

图3为不同EGR率下燃料特性对缸压和放热率的影响．当EGR率为17%时，随着乙醇质量分数的升高，缸压峰值依次降低，放热率峰值依次升高，峰值相位均出现后移．缸压峰值下降的原因是：乙醇气化潜热较高、十六烷值较低和自燃温度较高的特点，导致缸内压缩终了时的温度较低，同时较低的十六烷值使得混合燃料发火困难，着火时刻推迟，滞燃期延长，大部分燃料的燃烧集中发生在活塞远离上止点的做功行程，导致缸压峰值降低，峰值相位出现后移．放热率峰值升高的原因是：较长的滞燃期使混合燃料有足够的时间与空气混合，增强了预混燃烧阶段，加上乙醇的低运动黏度、高挥发性提高了混合燃料的雾化效果，增加了与空气混合的均匀性；此外其高含氧量也为混合燃料的燃烧提供了良好的氧化氛围，使得混合燃料的燃烧更为完全．以上所有因素的共同作用，导致放热率峰值升高，峰值相位后移．当EGR率升高至27%时，随着乙醇质量分数的升高，燃料着火时刻、缸压变化规律与EGR率17%时一致．但放热率峰值随着乙醇掺混比例的升高呈现先升高后降低的趋势．这是因为EGR率升高后，燃油着火时刻推迟，使得发动机燃用E20时，燃烧相位过于滞后，而且高EGR率下不利于低十六烷值燃料着火燃烧，最终导致E20燃料的预混燃烧阶段减弱，放热率峰值降低．

图2 燃用E20时EGR率对缸压和放热率的影响

图3 不同EGR率下燃料特性对缸压与放热率的影响

2.2 滞燃期与燃烧持续期

定义CA10和CA90分别为循环累积放热量为总放热量10%和90%时所对应的曲轴转角，滞燃期为喷油时刻到CA10之间的曲轴转角间隔，燃烧持续期为CA10到CA90的曲轴转角间隔．图4为发动机在30%负荷下，不同的EGR率对滞燃期和燃烧持续期的影响．由图可知，随着EGR率的升高，滞燃期和燃烧持续期均呈现逐渐增长的趋势．如前所述，EGR系统的介入增加了缸内高比热容气体的含量，氧气含量占比减小，导致压缩行程末段缸内温度较低，燃烧反应速率减缓．与E0相比，乙醇的掺混延长了滞燃期，缩短了燃烧持续期．这是因为：乙醇较低的十六烷值和较高的汽化潜热削弱了混合燃料的着火性能，引起滞燃期相对延长；而滞燃期的延长，使得燃料与空气有更充分的时间混合均匀，同时乙醇较高的含氧量有利于加快燃烧反应，从而缩短了燃烧持续期．

图4 不同EGR率下的滞燃期与燃烧持续期

2.3 燃油消耗率和热效率

图5为EGR率对当量燃油消耗率和有效热效率的影响．随着EGR率的升高，当量燃油消耗率逐渐升高，有效热效率逐渐降低．这是因为随着EGR率的增大，引入缸内的惰性气体含量增加，在一定程度上抑制了燃烧过程中的化学反应，另外进气氧浓度也相应减小导致缸内燃烧处于缺氧状态，从而热效率降低，当量燃油消耗率升高．随着乙醇质量分数的提高，当量燃油消耗率降低，有效热效率升高．这是因为加入乙醇后，混合燃料的雾化效果得到改善，配合较长的滞燃期加上乙醇的高含氧量，改善了缸内的燃烧状态，加快了燃料燃烧速度，有效热效率因此得到提高．

图5 EGR率对当量燃油消耗率和有效热效率的影响

2.4 NOx的排放

图6为EGR率和燃料属性对NO排放量的影响．从图中可以看出，随着EGR率的升高，NO排放量显著降低，随着乙醇掺混比的升高NO的排放先升高后降低．EGR率27%工况下，燃用E0、E10和E20时的NO排放量相比EGR率为0时分别下降了84.5%、84%和96.8%．由于NO的生成机理是高温、富氧和浓混合气，随着EGR率的升高，进入缸内的高比热容气体和惰性气体增多，吸收较多缸内热量的同时降低了缸内燃烧速率，使得缸内燃烧温度降低；此外，EGR率的升高加强了废气稀释效应，缸内氧浓度下降，抑制了NO的生成．乙醇是一种高含氧燃料，汽化潜热较高，NO的主要生成条件是高温、富氧以及反应滞留时间，燃用E10时，乙醇的掺入量较少，其汽化潜热造成的温度降低对NO的减少作用不如乙醇中氧元素促进NO的生成作用；而E20正好相反，由于乙醇添加量增多，较高的汽化潜热使得气缸内压缩终了的温度大幅下降，降低了最高燃烧温度，极大地抑制了NO的生成，这是燃用E10时NO排放最高，有别于其他规律的主要原因．

图6 EGR率和燃料属性对NOx排放量的影响

2.5 HC的排放

图7为EGR率和燃料属性对HC排放量的影响．由图可知HC的排放量与EGR率呈正相关，且随着乙醇掺混比的增大，曲线逐渐抬升．原因是：乙醇较大的汽化潜热使得压缩行程末段缸内温度较低，着火条件恶劣，同时乙醇的十六烷值低，混合燃料的滞燃期延长，虽然着火时形成的混合气量和区域均较大，预混燃烧部分增加，且燃烧速度快，但受着火始点较晚的拖累，大量燃料放热时活塞已下行较远，缸内体积增大，散热面积增加，因而导致缸内燃烧温度较低，这有利于降低NO的排放．也正是由于缸内温度较低，氧化反应进行不完全、不充分，壁面和活塞缝隙对火焰的淬熄作用加强，使得HC排放较之纯生物柴油显著增加[10]．

图7 EGR率和燃料属性对HC排放量的影响

2.6 颗粒物排放

图8为燃料属性对颗粒物尺寸分布的影响．与纯生物柴油(E0)相比，燃用E10时粒径大于8nm的颗粒物数量减少，但是粒径小于8nm的颗粒物数量略有增多；燃用E20时以10nm为分界尺寸，大于10nm的颗粒物数量有所减少，但是粒径小于10nm的颗粒物数量有所增多．总体来说，乙醇的掺混可以降低大粒径颗粒物数量．同E0相比，混合燃料具有较低的含碳量和较高的含氧量，燃料中的氧在改善预混燃烧和扩散燃烧的同时还促进颗粒物的进一步氧化，较低的碳含量可以抑制部分颗粒物的形成；且掺混乙醇能抑制碳烟前驱物多环芳香烃的生成；此外，乙醇的C—O键对C—C键的聚合有阻碍作用[11]．在以上3点因素的共同作用下，大粒径颗粒物数量明显减少．

图8 燃料属性对颗粒物尺寸分布的影响

图9为EGR率对排放颗粒物尺寸分布的影响.可以看出，以70nm为分界尺寸，EGR率的升高使得粒径小于70nm的颗粒物数量略有降低，但粒径大于70nm的颗粒物数量升高．这是由于EGR的引入导致：①缸内温度和氧浓度降低，燃烧速率减缓，不利于大粒径颗粒物的进一步氧化；②缸内挥发性碳氢化合物增加，有利于颗粒物的生长，形成大粒径颗粒物，而大颗粒物的增加又抑制了碳烟成核过程，使得小颗粒物数量减少[12]；③废气循环中存在大量碳核，这部分碳核通过生长碰撞继续长大，使得颗粒物生成量增加．在以上因素共同作用下，大粒径颗粒物数量增多，小粒径颗粒物数量减少．

图9 EGR率对颗粒物尺寸分布的影响

3 结 论

(1) 随EGR率的增大，缸内压力与放热率曲线峰值降低．小EGR率工况下，随乙醇掺混比例提高，缸内压力峰值逐渐降低，放热率峰值逐渐升高；大EGR率工况下，缸内压力峰值随乙醇掺混比例的变化与小EGR率类似，但放热率峰值呈现先增大后减小的趋势．

(2) 随EGR率的增大，不论是混合燃料还是纯生物柴油，滞燃期与燃烧持续期均呈现正相关的变化规律．在同一EGR率下，随乙醇质量分数的提高，滞燃期延长，燃烧持续期缩短．

(3) 较大的EGR率会降低有效热效率，增加当量燃油消耗量．适当提高乙醇的掺混比有利于减小燃油消耗量，提高有效热效率．

(4) EGR系统的引入可大幅降低NO的排放量，相同的EGR率下，提高乙醇占比可进一步减少NO排放量．EGR率的提高会引起HC的排放量增多，且较大的乙醇掺混比会导致HC排放量大幅提高.

(5) 在生物柴油中掺混乙醇能够显著减少大粒径颗粒物的数量，EGR率的变化对核模态粒子的数量影响不明显，但聚集态粒子的数量会随着EGR率的提高明显增多．

(6) 乙醇与生物柴油混用后，配合合适的EGR率可以有效减少有害排放物的排放量，优化柴油机的燃烧及排放特性．

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Effects of EGR Rate on Combustion and Emission Characteristics of Blends of Ethanol and Biodiesel

Xiao Helin1, 2，Li Shengjun1, 2，Xue Qi1, 2，Ju Hongling1, 2

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Experiments were carried out on a deeply modified four-cylinder DICI engine，and the blends of etha-nol and biodiesel were used to study the effects of exhaust gas re-circulation(EGR)rate and fuel characteristics on the combustion and emissions of diesel engine．Results show that both the intervention of EGR system and ethanol blending could reduce the peak cylinder pressure and heat release rate during combustion．With fuels at the same blending ratio and the increase in the EGR rate，the ignition delay and combustion duration were prolonged to varying degrees；the equivalent fuel consumption rate increased，whereas the effective thermal efficiency de-creased．When the EGR rate was constant，the mixed fuel at different blending ratios was used. As the mass fraction of ethanol increased，the ignition delay and combustion duration were gradually prolonged，the consumption rate of equivalent fuel decreased，and the effective thermal efficiency increased．After the introduction of EGR，NOemissions dropped significantly，whereas HC emissions increased．At the same EGR rate，the NOemissions decreased slightly with the increase in the ethanol blending ratio，and the HC emissions initially decreased and then increased．Compared with pure biodiesel，ethanol blending could significantly reduce the number of large size particles．The effects of changes in EGR rate on the number of nucleation mode particles were not obvious，but the number of aggregated particles increased significantly with the growing EGR rate．The coupling of ethanol，biodiesel and EGR system could improve the combustion and emission characteristics of diesel engine．

EGR rate；ethanol；biodiesel；combustion；emission

TK421

A

1006-8740(2019)03-0237-07

2018-05-09.

国家自然科学基金资助项目(51706163).

肖合林（1967—  ），男，博士，副教授.

肖合林，hlxiao_qcxy@whut.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201805012