不同喷射策略下CRDI柴油机燃用柴油-桐油-乙醇混合燃料的燃烧与排放特性

2022-03-05张丹祁东辉沈言锦刘助春

车用发动机 2022年1期

张丹，祁东辉，沈言锦，刘助春

(1.湖南汽车工程职业学院，湖南株洲 412000；2.长安大学，陕西西安 710000)

在能源危机与环境污染的双重背景下，世界各国均在努力开发节能、环保及可再生的生物燃料。植物油因其可再生、环保及来源广泛等特点，被认为是最具有发展潜力的代用燃料之一。在当前大的环境背景下，食用植物油的应用可能与我国现行的能源政策背道而驰。而桐油是一种天然的非食用植物油，广泛种植于中国南方的非种植边缘区域，被认为是不影响食用油市场的最佳原料之一。桐油中的脂肪酸含有大量的α桐酸，使其氧化稳定性降低的同时引起缩合反应，导致其运动黏度变大。为改善其高黏度、低挥发性的问题，柴油机燃用桐油简单而又经济的方法是对其进行微乳化。

当前，国内外大多以一定掺混比(体积百分比)的植物油-柴油混合燃料为基础油，并加入一定体积分数的醇类配制微乳化燃料。乙醇是一种具有良好发展前景的可再生生物质能源，具有高的含氧量、低的密度和黏度、好的挥发性等优点，但其十六烷值相对较低，因此不适合单独在柴油机上燃用。已有研究表明，乙醇和柴油混合使用能够延长滞燃期，使得预混燃烧比例提高，进而提升发动机热效率，减少炭烟排放。但是乙醇与柴油的互溶性不好，需要在柴油中添加表面活性剂以提高混合燃料中乙醇的溶解度和稳定性，改善混合燃料的理化性质。

本研究的目的是制备一种由桐油、柴油和乙醇组成的三元混合燃料，并评估桐油和乙醇体积分数对混合燃料性能、发动机性能、尾气排放及燃烧特性的影响。

1 混合燃料制备及性能

在室温20 ℃下，以桐油-柴油的混合液为油相(O)，以低碳醇(乙醇)为水相(W)，配制3种W/O型微乳化燃料，分别记为D60T20E20、D40T40E20和D40T20E40(D代表柴油，T代表桐油，E代表乙醇，其后的数字表示在混合燃料中所占的体积百分比)。根据溶液的相似相溶原理，选择亲油性强于亲水性的油酸作为表面活性剂，亦可选择正丁醇作为助表面活性剂，利用相界法研究不同配比对微乳化燃料稳定性的影响。从表1可以看出，当乙醇体积分数增加时，需要更多的表面活性剂来维持微乳化燃料的稳定状态。相较于混合燃料各组分的体积分数，表面活性剂(油酸/正丁醇)的体积分数相对较小，可以忽略不计。

表1 混合燃料组成成分

鉴于混合燃料理化特性对燃油雾化、发动机燃烧和排放特性的影响，有必要对其主要性能进行测试。表2示出了混合燃料和各组成部分的主要特性。与柴油相比，3种混合燃料的黏度较高，其中D40T40E20黏度最高。桐油分子量大，化学结构复杂，黏度是柴油的近42倍，而乙醇的黏度较低，使得混合燃料的黏度接近于柴油。桐油和乙醇的热值分别比柴油低16.73%和37.9%，使得混合燃料的热值较低。因此，有必要增加注入燃烧室的喷油量，用以产生相同的功率。

表2 混合燃料和各组成部分理化特性

2 试验装置和步骤

本研究以6缸增压中冷四冲程CRDI柴油机为研究对象，表3示出了试验所用发动机的技术规格。试验采用装有压力喷嘴控制阀的高速电控喷油器(LRB T023 11B)，通过控制高速电磁阀的开闭，定时定量地控制喷油量，确保雾化质量的同时使空燃比处于最佳状态。

表3 试验发动机参数

在发动机转速为1 000 r/min时，中、低负荷时采用两级喷射策略，即预喷射和主喷射相结合，而在高负荷时采用单级喷射策略(见图1)。对于两级喷射策略，预喷射燃油释放的热量使得气缸内的温度和自由基浓度增大，进而减少主喷射期间喷射燃油的点火延迟。随着负荷的增加，预喷射略有提前，主喷射提前更多一些，喷射脉宽也更长。

图1 不同负载下喷油器电流波形示意

如图2所示，发动机控制系统由涡流测功机(CW260/CAMA)和控制单元组成。发动机的转速和负荷由涡流测功机控制，燃油流量由具有正时功能的高精度电子天平测量，曲轴位置由曲轴转角适配器确定，安装于气缸盖上的压力传感器(Kistler 6052A)用于记录气缸内压力，其信号传输至电荷放大器(Kistler 5019B)，然后传输至KIBOX燃烧分析仪。表4示出了各试验仪器的测量范围与精度。

图2 试验仪器原理

表4 仪器范围和精度

在1 000 r/min转速下进行发动机试验，对每个发动机工况重复测量3次，并取平均值作为报告值，评价试验性能。试验采用尾气分析仪(AVL Digas4000)测量尾气中的CO、HC及NO排放量，烟度则由分流烟度计(AVL Dismoke 4000)测量。每次测量前，使用参考气体对气体分析仪进行校准，以确保测量值的准确性。

3 试验结果与讨论

3.1 燃烧特性

试验发动机采用了不同的喷射策略，这导致了不同的缸内压力曲线，如图3所示。在发动机负荷为0.16 MPa和0.48 MPa时，采用两级喷射策略。由于试验燃料的预喷射，压力曲线在上止点前有一个明显的凸起，但随着混合燃料中桐油和乙醇体积分数的增加，乙醇冷却效应增强，导致缸内气体的温度降低，进而影响气缸内的热力状况及燃烧状况，使得滞燃期延长，致使上止点前的缸内压力曲线凸起减弱，甚至消失。

在发动机负荷为0.16 MPa和0.48 MPa时，混合燃料的缸内压力峰值略高于柴油，压力峰值对应的曲轴转角位置大致相同。由于预喷射改善气缸内的热力状况，使得主喷射过程中燃料的雾化质量和燃烧状态得到改善，同时微乳化燃料的“微爆效应”促进了燃油的雾化及可燃混合物的形成，使更多的可燃混合物充分燃烧，进而导致缸内压力升高。另外，微乳化燃料为含氧燃料，可利用其自身分解氧助燃，使得可燃混合物燃烧得更加充分，进而提高气缸内的压力。在发动机负荷为0.80 MPa时，由于喷射正时延迟，在该工况下压力峰值所对应的曲轴转角会进一步远离上止点位置。

图3 不同负荷下缸内压力对比

在发动机负荷为0.16 MPa和0.48 MPa时，由于采用两级喷射策略，放热率出现2个峰值，第1个峰值明显低于第2个峰值(见图4)。随着混合燃料中桐油和乙醇所占体积分数的增加，在发动机负荷为0.16 MPa时，D40T20E40的第一峰值变弱甚至消失，第一峰值对应的曲轴转角延迟。由于小负荷下气缸内的热力状况较差，加之微乳化燃料的雾化质量较差，致使上止点前缸内瞬时放热率曲线后移的同时瞬时放热率变小。随着桐油和乙醇体积分数的增加，混合燃料的第二峰值也随之增加，其中D40T20E40的第二峰值最大。微乳化燃料的低十六烷值以及乙醇的高汽化潜热使得可燃混合物燃烧延迟，更多的可燃混合物参与燃烧放热，使得主喷射时刻的放热率峰值相对较高。

图4 不同负荷下放热率对比

在发动机负荷为0.48 MPa时，D40T20E40也有2个放热率峰值，第1个峰值高于其他试验燃料，并推迟到做功行程。对于混合燃料，第2个放热率峰值对应的曲轴转角与柴油几乎相同。在发动机负荷为0.80 MPa时，采用单次喷射策略，随着混合燃料中桐油和乙醇所占体积分数的增加，放热率峰值增大，其中D40T20E40的放热率峰值最大。桐油和乙醇为含氧燃料，加之“微爆效应”改善了雾化质量，致使燃烧放热更加充分和集中。另外，乙醇所占比例增加，致使滞燃期延长，进而使得更多的可燃混合物参与燃烧放热。上述多方面的相互作用，使得D40T20E40放热率峰值变大。

燃烧开始(SOC)定义为热释放的开始，燃烧结束是累计热释放百分比为90%所对应的曲轴转角(见表5)。结果表明：与柴油相比，随着桐油和乙醇体积分数的增加，混合燃料的燃烧开始时间明显推迟，特别是在0.16 MPa负荷下。但混合燃料燃烧50%时的曲轴转角位置比柴油稍提前，说明混合燃料的燃烧速度较快。在相同的工况下，混合燃料的燃烧持续时间基本相同，明显短于柴油。

表5 不同负荷下已燃燃料质量所对应曲轴转角 (°)

在发动机负荷为0.16 MPa时，引燃开始为-16.6°ATDC，主喷射开始为-6.7°ATDC(见图1)，可见柴油和D60T20E20在主喷射开始前就开始燃烧，但D40T40E20和D40T20E40的燃烧开始延伸到主喷射过程。在发动机负荷为0.48 MPa时，主喷射开始后，只有D40T20E40开始燃烧。混合燃料的高黏度和低挥发性影响了其混合过程和雾化速率，在给定时间内所形成的可燃混合气数量较少，导致缸内压力和放热率较低。此外，对于混合燃料，主喷射过程中喷射的燃油具有较高的气化潜热，使得缸内的温度降低，进而影响燃油的燃烧状况。由于上述原因，随着桐油和乙醇比例的增加，混合燃料的着火延迟时间增加。在发动机负荷为0.80 MPa时，采用单次喷射策略，喷射正时推迟到接近上止点，缸内温度和压力升高，使得点火延迟相较于中、低负荷时缩短。此外，残余气体温度升高，导致喷射时雾化温度升高，并进一步缩短点火延迟。

3.2 燃油经济性

发动机的有效热效率是衡量其燃油经济性的重要指标，柴油和混合燃料的有效热效率(brake thermal efficiency，BTE)随发动机负荷的变化如图5所示。可以看出，BTE随着发动机负荷的增大而增加。发动机的负荷增加，气缸内的热力状况改善，燃油燃烧更充分，使得燃油利用率提高。在0.80 MPa时，柴油的BTE降低，这意味着在该负荷下发动机性能较差。混合燃料的BTE高于柴油，并且随着乙醇比例的增加而提高。一是混合燃料可利用自身分解氧助燃，改善了燃油燃烧时的有效热效率；二是表5所示50%混合燃料燃烧时的曲轴角比柴油燃料更接近TDC，燃烧过程缩短导致混合燃料的“定容”燃烧比例较高；三是混合燃料的化学计量空燃比低于柴油，这将导致“稀薄”燃烧；四是乙醇的火焰温度比柴油低，减少了气缸中的热损失。上述多方面共同作用，使得混合燃料的BTE相对较高。

图5 不同负荷下有效热效率对比

3.3 排放特性

图6示出发动机转速为1 000 r/min时，不同负荷下燃用各燃料的CO排放特性。可以看出，CO排放量随着发动机负荷的增加而降低。与柴油相比，在低负荷下混合燃料的CO排放量更高，并且随着混合燃料中桐油和乙醇体积分数的增加而增加。混合燃料的高黏度导致雾化不良，缸内局部形成富混合气，使得燃烧过程中由于局部缺氧而产生更多的CO。另外，由于乙醇汽化潜热高，冷却效果好，燃烧温度低，抑制了CO氧化生成CO。在发动机高负荷下，混合燃料的CO排放略低。高负荷下气缸内的热力状况得到改善，混合燃料更容易雾化成可燃混合气，加之乙醇较高的氧含量，使其燃烧更充分。

图6 不同负荷下CO排放特性

图7示出发动机转速为1 000 r/min时，不同负荷下燃用各燃料的HC排放特性。总的来说，HC排放主要是由于气缸容积中氧气不足、壁面润湿和残余燃料所致。随着发动机负荷的增加，HC比排放量降低。与柴油相比，混合燃料的HC排放更高，且随着桐油和乙醇比例的增加而增加。由于植物油燃料的黏度高，喷雾质量差，预计会产生更多的HC排放。此外，高黏度会导致较长的喷雾穿距，致使燃油撞击燃烧室壁，这也会导致较高的HC排放。由于乙醇的冷却作用，缸内气体温度降低，导致不良的氧化反应，因此在发动机低负荷时HC排放增加。在高负荷下，缸内温度升高，削弱了乙醇的冷却效果，因此，HC排放降低，混合燃料的HC排放略高于柴油。

图7 不同负荷下HC排放特性

影响NO生成的主要因素是燃烧温度、氧浓度和高温区停留时间。图8示出转速为1 000 r/min时不同负荷下燃用各燃料的NO排放特性。从图中可以看出，随着混合燃料中桐油和乙醇含量的增加，在小负荷下，NO比排放量降低，而在中、高负荷下，混合燃料的NO比排放量略高，且NO比排放量随乙醇体积分数的增加而增加。在发动机低负荷下，由于乙醇汽化潜热较高，热值较低，由此产生的冷却效应会降低燃烧温度，因此混合燃料的NO排放量略有降低。但是，在单次喷射的高负荷下，混合燃料的点火延迟时间越长，预混燃烧阶段燃烧的燃料越多，缸内温度越高，NO排放越高。此外，混合燃料中高氧含量也是NO排放较高的原因之一。

图8 不同负荷下NOx排放特性

图9示出发动机转速为1 000 r/min时，不同负荷下燃用各燃料的炭烟排放特性。与柴油相比，混合燃料烟度显著降低。一是乙醇燃料为含氧燃料，对发动机的整体稀薄燃烧起主导作用；二是乙醇不提供形成芳香环的初始自由基；三是在高负荷下，由于喷射周期相对较长，存在一个富燃料核心，但是通过使用乙醇，氧化剂被有效地引入到富燃料区域，从而抑制燃烧室中炭烟的形成；四是乙醇的加入可以改善混合燃料的雾化特性和混合气的形成。上述多方面共同作用，使得混合燃料的烟度相对较低。随着负荷的增加，柴油的值不降反升。负荷增加的同时喷油量也随之增加，更易于形成局部过浓混合气，导致缸内局部缺氧，进而使得炭烟的排放不降反升。