喷油参数对生物柴油-柴油混合燃料燃烧和排放特性的影响

2023-01-06季宏王传厚孟繁衍王保力徐文珂孟建

内燃机与动力装置 2022年6期

季宏，王传厚，孟繁衍，王保力，徐文珂，孟建*

1.山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049；2.山东泰开汽车制造有限公司，山东泰安 271000

0 引言

柴油发动机热效率高、经济性好，广泛应用于发电、农业、汽车等领域，柴油机的普及加速了化石燃料的使用[1]。由于交通用柴油需求增加、化石燃料储量减少、柴油价格上涨等，柴油的节能替代燃料的开发日益受到重视。生物柴油的主要成分是脂肪酸酯，是以油料作物、动物油脂及餐余废油等为原材料通过酯交换工艺制成[2]。生物柴油可直接应用于柴油机，也可以和柴油以任意比例掺混使用[3]。以餐余废油作为生物柴油的原料，可以降低生物柴油的制造成本，同时可以解决餐余废油的处理问题[4]。餐余废油生物柴油具有富氧性、十六烷值高等特点，在柴油机上掺混使用时可以促进燃烧，降低CO和碳烟的排放；但在低负荷工况下，随着餐余废油生物柴油掺烧比例的增加，混合燃料黏度过大，可导致喷雾能力下降，发动机燃烧恶化，排放升高。

本文中对一台燃用生物柴油-柴油混合燃料的四缸高压共轨柴油机进行台架试验，利用INCA软件控制喷油压力和喷油时刻，对比分析低负荷条件下喷油压力和喷油时刻对餐余废油生物柴油混合燃料和纯柴油燃烧、常规排放和非常规排放的影响，从而为改善餐余废油生物柴油低负荷下在柴油机上的燃烧和排放提供参考。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

试验样机为四缸高压共轨柴油机，主要技术参数如表1所示。燃烧及排放测试系统如图1所示，主要包括台架系统、测量系统等。台架系统主要包括CAC250程控式电力测功机，用来控制柴油机转速和转矩，从而获得所需的试验工况；测量系统主要包括：AVL INDIMOUL-622燃烧分析仪；AVL GH14P型缸压传感器，缸压信号经KISTLER 5011型电荷放大器处理后输入燃烧分析仪；AVL 415S滤纸式烟度计，测量排气烟度；HORIBA MEXA-7200D型排气分析仪，测量发动机排气中的NOx、THC、CO排放；AVL SESAM i60FT多组分气体排放傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared，FTIR)，动态同步测量发动机排气中的NO2、CH2O、CH4等非常规排放物。

表1 试验样机主要技术参数

图1 燃烧及排放测试系统

1.2 试验方法

选用市售国Ⅵ 0#柴油和WOC(欧标EN14214)餐余废油生物柴油作为基础燃料，2种燃料的理化特性如表2所示。将国Ⅵ 0#柴油记为B0，将WOC餐余废油生物柴油以体积分数为30%掺入纯柴油中制成新混合燃料，记为B30。

表2 试验燃料理化特性

试验工况为最大转矩转速、25%负荷工况。在试验过程中：1)保持冷却液温度为(80±2)℃，进气温度为(40±1)℃；2)发动机在目标工况下稳定运行2 min后，连续采集200个循环的缸压并计算平均缸压来消除缸内燃烧周期变化影响，获得缸压曲线；3)发动机在最大转矩转速1540 r/min下稳定运行，主喷时刻定义为上止点前(before top dead center，BTDC)曲轴转角4°(本文中BTDC曲轴转角一律简记为曲轴转角)，研究不同喷油压力(130、140、150、160 MPa)对2种燃料(B0和B30)燃烧、常规与非常规排放特性的影响；4)发动机在最大转矩转速1540 r/min下稳定运行，主喷压力为130 MPa，研究不同喷油时刻(曲轴转角分别为4°、6°、8°、10°、12°)对2种燃料燃烧、常规与非常规排放特性的影响。在每个试验过程中，每个试验点进行5次重复测量，并将整个试验过程重复2次，以保证再现性和重复性[5]。

2 试验结果及分析

2.1 燃烧特性

不同喷油压力下2种燃料燃烧时的缸压和放热率随曲轴转角的变化曲线如图2所示。由图2可知：1)相同喷油压力(130 MPa)下，相比于纯柴油B0，B30混合燃料的最大缸内压力和放热率峰值分别下降了0.67%和0.92%，且对应的曲轴转角均略微后移，原因为在低负荷条件下，缸内温度和压力较低，餐余废油生物柴油黏度较大，使得喷射入气缸中的B30的雾化效果较差，引起燃烧恶化，滞燃期变长，但餐余废油生物柴油的高含氧量特性可改善燃烧，最终导致燃用B30时缸内最大压力和放热率峰值相比于纯柴油仅略微下降且后移[6]；2)随着喷油压力提高，B30燃烧时的最大缸内压力和放热率峰值均升高且前移，相比于喷油压力为130 MPa时，B30在燃油喷射压力为160 MPa时最大缸压和放热率峰值分别提高了3.83%和4.06%，且对应的曲轴转角均前移1°～2°，其原因为：燃油喷射压力提高，喷射时间缩短，燃油雾化效果得到改善，促进了空气与燃料的混合，从而增加了缸内预混的空气与燃料的混合比例[7]，在预混燃烧阶段燃烧了更多的燃料，使得最大缸内压力和放热率峰值均升高且前移。

图2 不同喷油压力下2种燃料燃烧放热率、缸内压力随曲轴转角变化

不同喷油时刻下2种燃料燃烧缸内压力、放热率随曲轴转角变化曲线如图3所示。由图3可知：随着喷油时刻提前，缸内压力逐渐增加，压力峰值出现时刻提前，B30在喷油时刻的曲轴转角为12°的最大缸内压力较4°时升高22.1%；随着喷油角提前，放热率逐渐升高，在曲轴转角为10°时放热率达到最大。其原因为随着喷油时刻的提前，燃油能够更早喷入缸内，与空气形成预混气，缸内的油气分布更均匀，缸内的燃油燃烧更完全[8]。

a) 放热率 b) 缸压图3 不同喷油时刻下2种燃料燃烧缸内压力、放热率随曲轴转角变化

2.2 常规排放特性

转速为1540 r/min、25%负荷工况下，喷油压力对CO、THC、碳烟和NOx排放的影响如表3所示(本文中各污染物常规、非常规排放数据均为体积分数)。由表3可知，在相同喷油压力和时刻条件下，相比于B0，B30的CO、THC和碳烟排放略微下降;B30的CO、THC和碳烟排放随着喷油压力的提高而降低，在喷油压力为160 MPa时，CO、THC和碳烟排放较130 MPa时分别降低了22.7%、24.7%和48.8%；NOx排放随着喷油压力的升高而升高，在喷油压力为160 MPa时达到最高。其原因为：随着喷油压力的提高，通过产生细小的液滴，燃料的雾化效果增强，结合燃料中的氧分子改善了空气与燃料的混合，促进了低负荷下混合燃料的燃烧，且生物柴油本身含氧量高，可提高低负荷时的空燃比，燃烧后期燃料中的氧分子促进了CO和THC的氧化，使得CO和THC的排放下降[9]；餐余废油生物柴油不含芳香烃且硫含量低，一定程度上减少了碳烟前驱物的生成，所以碳烟排放降低；尽管低负荷下燃用B30时缸内温度低，但是B30中较高的氧含量对促进NOx生成的效果大于低温对NOx生成的抑制效果，最终NOx排放升高[10]。

表3 喷油压力对CO、THC、碳烟和NOx排放的影响

转速为1540 r/min、25%负荷工况下，喷油时刻对CO、THC、碳烟和NOx排放的影响如表4所示。由表4可知：随着喷油时刻的提前，相比于喷油时刻的曲轴转角为4°，B30在12°时CO、THC和碳烟排放分别降低了59.4%、65.5%和56.0%，但NOx排放升高了86.3%。其原因为：喷油时刻提前，混合燃料喷射入气缸的时间提前，且混合燃料中的氧分子含量高，使得空气和燃料的混合更加充分，导致缸内燃烧充分，缸内温度和压力升高[11]。

表4 喷油时刻对CO、THC、碳烟和NOx排放的影响

2.3 非常规排放特性

转速1540 r/min、25%负荷工况下，喷油压力和喷油时刻的变化对NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影响分别如表5、6所示。由表5、6可知，在相同喷油压力和时刻条件下，相比于B0，B30的NO2、CH4、C2H4和CH2O排放略微下降；在不同喷油压力和时刻条件下，B30的NO2、CH4、C2H4和CH2O排放随着喷油压力的增大略微下降，随着喷油时刻的提前大幅下降。

表5 喷油压力对NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影响

表6 喷油时刻对NO2、CH4、C2H4和CH2O排放的影响

NO2通常在低温缺氧环境下生成，只占NOx排放的一小部分[12]。随着喷油压力升高和喷油时刻提前，缸内混合气均匀程度增加，燃烧更加充分，缸内温度和压力升高，促使NO2在高温富氧环境下转化为NO，降低NO2排放。

CH4是低温稀燃条件下的产物，低负荷且缸内温度较低的工况下，更多的燃料进入稀薄淬熄区域，促进CH4生成[13]。混合燃料虽然挥发性较低，在低负荷下易形成稀薄淬熄区域，但随着喷油压力升高和喷油时刻提前，缸内空气与燃料混合更加充分，燃烧更加充分，燃烧温度提升与燃料中氧分子增加减少了稀薄淬熄区的存在，使CH4排放降低。

C2H4主要来源于燃料的不充分燃烧。随着喷油压力的提升，燃料在缸内雾化效果增强，燃烧充分，缸内温度升高，C2H4在高温富氧环境下具有较高的活性，易分解[14-15]，所以B30的C2H4排放逐渐降低。在160 MPa时，B30的C2H4排放较130 MPa时降低了40.7%；相比于喷油时刻的曲轴转角为4°，B30混合燃料在曲轴转角为12°的C2H4排放降低了84.6%。

CH2O是产生光化学烟雾的重要来源，严重污染环境。当发动机低负荷运行时，缸内温度和压力较低，燃烧室壁面易形成含有许多醛类化合物的厚淬火层，导致CH2O排放较高[16-17]。随着喷油压力的增加，喷油雾化效果较好，燃烧更加充分，同时餐余废油生物柴油具有富氧特性，在高温环境下促进CH2O氧化成H2O和CO2，燃烧室壁面的淬火层变薄，CH2O排放降低。相比于130 MPa时，B30在160 MPa时的CH2O排放降低了46.9%；相比于喷油时刻的曲轴转角为4°，B30在12°时CH2O排放降低了84.6%。