碳质纳米燃料添加剂对柴油机性能影响的试验研究

2022-08-25郭亚泰卫将军滕勤王井山李德亮曾杨

车用发动机 2022年4期

郭亚泰，卫将军,，滕勤，王井山，李德亮，曾杨

(1.合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽合肥 230009；2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

柴油机由于其较高的燃油效率和较好的动力性、可靠性等优点被广泛应用，然而柴油机消耗了大量化石能源并产生多种对环境和公众健康有害的空气污染物。为解决上述问题，使用替代燃料是理想的选择之一，其中生物柴油是可再生能源，其化学成分与化石燃料相似，但氧含量更高，且不含多环芳烃、硫等有害化合物。研究表明，柴油机燃烧生物柴油可以有效改善缸内燃烧过程，减少CO，HC，硫氧化物以及炭烟等污染物的排放。但生物柴油黏度较大、热值低的特点使得燃烧生物柴油的发动机油耗升高、热效率降低。此外，燃料添加剂的使用可以改善燃烧过程，减少尾气排放，并提高燃料品质，其中纳米催化剂是常用的燃料添加剂之一。Ghafoori等研究发现，在生物柴油-柴油混合燃料中添加不同浓度的碳纳米管后，柴油机的功率、扭矩和燃油经济性分别提高了17%，18%和38.5%。Nivin Chacko等在两种生物柴油-柴油混合燃料中分别加入20×10，40×10，60×10的氧化石墨烯和石墨烯，研究表明纳米添加剂的浓度影响其催化作用，氧化石墨烯和石墨烯分别为40×10和60×10时效果最好，发动机性能和排放都得到改善。在降低炭烟排放方面，氧化石墨烯要优于石墨烯，40×10的氧化石墨烯最大可降低炭烟排放29.2%。Hosseini等研究了碳纳米管对CI单缸发动机性能和排放特性的影响，结果表明，碳纳米管可以降低排放，包括HC，CO和炭烟，此外，功率和制动热效率等性能参数均显著提高。还有一些研究表明，纳米金属颗粒(如CeO，TiO，ZnO等)能够有效优化缸内燃烧，降低HC，CO，NO，炭烟等排放，但生成的金属氧化物能够长期保持稳定，容易造成DPF堵塞的问题。而碳质纳米颗粒以碳的形式存在，经过缸内燃烧和尾气处理装置，最终能够被完全消耗。本研究选取3种碳质纳米颗粒作为燃料添加剂，探究其对生物柴油-柴油掺混燃料的燃烧和炭烟排放的影响，以便为优化生物柴油的应用提供理论依据及数据支持。

1 试验装置、燃料及方法

1.1 试验装置

试验对象为单缸直喷水冷柴油机ZS1100，其主要的技术参数见表1。主要的测试设备有电涡流测功机CW25、测控装置CMU3A、AVL GH14D缸压传感器、AVL HR-CA-B1燃烧分析仪和AVL Dismoke 4000不透光烟度仪，设备的不确定度数值见表2。选定1 200 r/min发动机转速进行试验，按20%的间隔，测量10%～90%负荷下发动机的缸压、放热率、CA10、CA50、不透光度等参数。对于每个试验工况点，采集3组数据取平均值以减少测量误差 (每组测量数据的相对偏差不能超过3%)。

表1 试验用ZS1100柴油机参数

表2 测量仪器的不确定度分析

1.2 燃料配制及试验方法

试验所用的基础燃料为市售的国六0号柴油和生物柴油。试验所用的燃料包括纯柴油(D100)，B20，B20GO25，B20GO100，B20MWCNT25，B20MWCNT100，B20GR25，B20GR100。其中B20是体积比20%生物柴油和80%柴油的共混物。B20GO25和B20GO100是25×10和100×10的GO分别加入B20中制作的纳米流体燃料，MWCNT和GR以此类推。试验所用的3种碳质纳米颗粒参数见表3。

表3 3种试用碳质纳米颗粒参数

制备纳米流体燃料时，先向B20中加入体积比2%的表面活性剂(Span80)，利用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，然后加入利用精密天平称量好的纳米颗粒再次搅拌1 h，最后将配制的纳米流体燃料用超声波发生器以40 kHz的频率超声30 min。配制成的纳米流体燃料能够维持7 d不分层且无明显沉淀的现象，即保证具有良好的分散性和稳定性。更换燃料时，发动机至少运行30 min，保证消耗完之前的试验燃料。

2 试验结果分析

2.1 燃烧特性

图1示出不同负荷下燃烧各燃料的缸内压力和放热率曲线。可以看出，随着负荷的增大，由于发动机循环喷油量增加，缸压峰值和放热率峰值逐渐升高。中小负荷时B20的缸压峰值小于D100，这是由于生物柴油的热值较低且汽化潜热高，导致B20产生的热量低于D100。高负荷下缸内温度升高，燃烧速率加快，且B20的高含氧量一定程度解决了高温缺氧问题，使得燃料燃烧更充分，B20的缸压峰值大于D100。此外，B20中分别添加不同浓度的碳质纳米颗粒后，各负荷下的缸压峰值和放热率峰值增加，同时滞燃期有所缩短。由图1可知， 10%负荷下添加剂的效果更显著，相较于不加入添加剂，B20GO25和B20GO100的缸压峰值分别增大0.175 MPa和0.147 MPa，放热率峰值分别提高4.4%和3.9%，B20MWCNT25和B20MWCNT100的缸压峰值分别增大0.122 MPa和0.334 MPa，放热率峰值分别提高3.7%和17.9%，B20GO25和B20GO100的缸压峰值分别增大0.108 MPa和0.227 MPa，放热率峰值分别变化1.4%和-5.8%。说明碳质纳米燃料添加剂优化了燃料在缸内的燃烧过程，归因于碳质纳米颗粒的大表面积比增加了燃料的反应性和导热率，加速了燃料间的传热，进而提高了燃料液滴蒸发速率，缩短了滞燃期，同时也改善了燃料的放热率。对比可知，GO和MWCNT对缸压和放热率的提升效果要优于GR，主要是因为GO具有各种含氧官能团，能提供更多的活性位点，而MWCNT的管状结构易于被氧打开，形成较高化学反应活性的羟基、羰基。再者，可以发现3种碳质纳米颗粒对B20在不同负荷下的燃烧优化程度并非一致，由于高负荷下缸内温度急剧升高，燃料蒸发雾化效果较好，使得碳质纳米颗粒的优化效果不再显著。

图1 不同负荷下各试验燃料的缸压和瞬时放热率曲线

根据不同浓度下各碳质纳米颗粒对缸压的提升效果，发现MWCNT和GR对缸压的提升效果在高浓度时更明显，而GO则正好相反。这可能是氧化石墨烯官能团之间的范德华力促进了相邻粒子在高浓度下的聚集或团聚，降低了催化剂的总表面积所致。

滞燃期和CA50的变化规律见图2和图3。显然，随着负荷的增加，各试验燃料的滞燃期逐渐缩短，CA50时刻逐渐后移。这是由于随负荷增大缸内燃烧温度升高，促进了燃料雾化及混合气形成，使得燃烧提前，但喷油量的增加导致燃烧持续期延长，CA50随之延后。相较于D100，各负荷下B20滞燃期缩短，CA50提前。生物柴油的十六烷值高于柴油，导致滞燃期缩短，而生物柴油的高含氧量可加速燃料的燃烧。相比于B20，各纳米流体燃料不同负荷下的滞燃期均有一定程度的缩短且CA50提前。有研究指出，包裹有纳米添加剂的油滴会产生微爆现象，加速喷雾油束的破碎过程，且这3种碳质纳米颗粒加入柴油中能够提高燃料的十六烷值，从而提高燃料的着火性，缩短滞燃期。另一方面，纳米颗粒较高的表面活性和良好的传质导热性能够提高燃料液滴的蒸发速率，加快燃料的燃烧，从而使得CA50提前。此外，文献[17]表明，GO在200 ℃下可进行氧化分解，这将进一步增强燃料液滴的雾化，导致滞燃期缩短。数据显示，70%负荷下B20GR100的滞燃期缩短最明显，缩短1.5°，大于B20GO25的1.2°，这说明GR对燃料的滞燃期影响最大。

图2 不同负荷下各试验燃料滞燃期的变化规律

图3 不同负荷下各试验燃料CA50的变化规律

2.2 经济性能

制动热效率(BTE)和制动燃油消耗率(BSFC)是衡量发动机经济性能的重要指标，其变化规律分别见图4和图5。可以看出，BTE随着发动机负荷的增加呈现先上升后下降的趋势，BSFC呈现相反的趋势。这是因为负荷的增加，缸内温度升高，改善了油气混合，高负荷下，由于喷油量增加，进气量几乎保持不变，造成燃烧室内局部缺氧，燃料燃烧不充分。B20的BTE在所有负荷下都小于D100，主要是因为生物柴油的黏度高、热值低。相较于B20，各负荷下所有的纳米流体燃料都一定程度改善了燃油经济性。对比发现，B20MWCNT100的BSFC最大降幅为5.0%，BTE的最大提升率为4.4%。这可解释为纳米颗粒的大表面积改善了燃料的分散性，燃料-空气混合物均匀地分散在气缸中，使得燃烧过程趋向完全燃烧。文献[18]指出，GO有助于提高混合燃料中生物柴油的馏分，改善了燃烧性能，从而提高BTE。文献[16]指出，CNT和GR加入后，纳米流体燃料分子间动量交换和传热的改善使得燃烧更加充分，提高了BTE，降低了BSFC。

图4 不同负荷下各试验燃料BTE的变化规律

图5 不同负荷下各试验燃料BSFC的变化规律

2.3 炭烟排放

所有试验燃料在不同发动机负荷下炭烟排放(不透光度)的变化见图6。由图可见，炭烟排放随着负荷的升高而增加，且随着负荷的增加，碳质纳米燃料添加剂降低炭烟排放的效果更好。与纯柴油相比，B20较短的滞燃期、高氧含量和较高的十六烷值均降低了炭烟排放。与B20相比，在90%负荷下，B20GO25和B20GO100炭烟排放分别降低12.1%和5.1%，B20MWCNT25和B20MWCNT100炭烟排放分别降低6.8%和17.2%，B20GR25和B20GR100炭烟排放分别降低7.2%和9.0%。GO的减烟效果主要体现在预混燃烧阶段，官能团中的氧会以氧化石墨烯热解离的形式释放到燃烧区，这种过量氧气的突然可用性增加了燃料的燃烧速度并氧化炭烟颗粒。MWCNT降低炭烟排放主要是因为其管状结构易于氧气的打开并形成多种含氧活性基团，将形成的炭烟进行二次氧化。GR降低炭烟排放的主要原因是高的导热率，当扩散火焰传播时，能够将足够的热量传递给附着在添加剂表面的单个燃烧产物分子，从而增强了碳粒子的氧化性。