汽油与DTBP混合燃料压燃试验研究.doc

中国工程热物理学会 燃烧学学术会议论文 编号:094023汽油与DTBP混合燃料压燃试验研究梁晨, 纪常伟, 戴晓旭，胡博，刘达洋（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124） （电话 E-mail:）关键词：汽油 DTBP 混合燃料 燃烧 排放 为了拓宽柴油机的燃料使用范围，同时分析DTBP点火促进剂对高辛烷值燃料在压燃方面应用的可行性以及今后的使用和发展前景。本文在压燃式柴油机台架上将一定体积分数的DTBP混入汽油中并喷入燃烧室，以研究汽油混合DTBP的可行性以及对燃烧和排放的影响。本实验发动机为IVECO SOFIMO 8140.47直列4缸涡轮增压中冷直喷柴油机。试验转速设定为1400 r/min，试验范围为0 -140 Nm。在柴油与DTBP的混合实验研究中，DTBP作为点火促进剂，因其自燃温度低、扩散及燃烧速度快、蒸发雾化性能好等特点，能够提高柴油的十六烷值，明显缩短柴油的滞燃期。通过参考DTBP与LPG混合燃烧的数据，在本试验中，DTBP与汽油按照15/85的体积比例进行混合。通过与原机各工况点第4缸的缸压和排放数据进行对比，确定汽油混合DTBP的可行性以及对燃烧和排放的影响。2 实验结果及分析2.1 汽油/DTBP混合燃料的燃烧范围图2为1400r/min、原机与汽油/DTBP混合燃料燃烧的转矩随油门开度变化的曲线。图2表明在随着油门开度的增大，当燃烧柴油时原机转矩可达到140 Nm，而汽油/DTBP混合燃料的转矩仅能提高到80 Nm。 在传统柴油喷射过程中由柴油对高压油泵柱塞及针阀进行润滑，由于汽油的密度和粘度小于柴油，当燃烧汽油混合燃料时，对于部件的的润滑性能较差，并造成了喷油系统内由于润滑不足而引起的柱塞及针阀卡滞，因此在汽油/DTBP混合燃料燃烧时随着油门开度的增加转矩仅能提高到80 Nm。图2 发动机转矩变化曲线2.2 汽油/DTBP混合燃料对柴油机燃烧的影响图3为1400r/min、原机与汽油/DTBP混合燃料燃烧的缸压峰值随制动平均有效压力变化的曲线。图3表明汽油/DTBP混合燃料燃烧的缸压峰值与柴油原机的变化趋势相符,且在20Nm之后高于柴油原机。这主要是因为汽油的雾化及挥发性能均高于柴油。随着喷油量的增加，在预混燃烧阶段，当DTBP被压燃后参与燃烧的汽油量增加且多于相同状况下原机的柴油量，因此使得当转矩高于20Nm之后汽油/DTBP混合燃料的缸压峰值高于柴油原机。 图3 缸压峰值随bmep变化的曲线图4为1400r/min、原机与汽油/DTBP混合燃料燃烧缸压峰值的曲轴转角随制动平均有效压力的变化曲线。图4表明缸压峰值转角随bmep增加而错后，但汽油/DTBP混合燃料燃烧的缸压峰值转角比柴油原机提前0.2-1.1CA。这主要是因为汽油和DTBP较柴油更易雾化，同时汽油的挥发性更强，因此使得汽油/DTBP混合燃料的预混燃烧期较柴油原机缩短，导致其缸压峰值位置前移。当DTBP与柴油进行混合燃烧时也导致混合燃料预混燃烧期缩短，但因柴油的雾化和挥发性较汽油较差，因此其缸压峰值有所降低。而汽油的雾化及挥发性能好,使得汽油/DTBP混合燃料的在预混燃烧阶段有更多的燃料参与燃烧，改善了燃烧状况，因此在提高缸压峰值的同时提前了峰值位置转角。图4 缸压峰值转角随bmep的曲线图5为1400r/min、不同制动平均有效压力下原机与汽油/DTBP混合燃料的10%已燃能量分数对应的曲轴转角(CA 0-10%)变化曲线。图5表明，汽油/DTBP混合燃料的10%已燃能量分数对应的曲轴转角明显滞后于柴油原机1-1.5CA。这主要是因为汽油混合DTBP后虽然十六烷值有所提高并实现压缩燃烧，但其十六烷值仍低于普通柴油，因此其滞燃期较柴油有明显延长。但由于混合燃料气化完全，大量汽油挥发并与缸内空气均匀充分混合，当DTBP着火并引燃汽油后，汽油迅速燃烧，同时火焰扩散速度快于柴油原机，因此尽管混合燃料的滞燃期延长，但混合燃料燃烧的缸压峰值转角仍先于柴油原机。图5 10%已燃能量分数曲轴转角随bmep变化曲线2.3 汽油/DTBP混合燃料对排放的影响图6为1400 r/min、不同制动平均有效压力下原机与汽油/DTBP混合燃料燃烧的CO变化曲线。图6表明，汽油/DTBP混合燃料燃烧时CO排放变化趋势与原机相同，且CO的排放数值较原机降低0.01%。当汽油/DTBP混合燃料在柴油机中燃烧时，属于稀燃状况，因此CO主要是由于燃烧不充分造成。DTBP低温分解、氧化并释放热量，同时由于汽油易于蒸发的特点，加快了混合燃料在预混期的蒸发扩散的速度，改善了预混燃烧期的燃烧状况，减少了不完全氧化物的生成，因此使得汽油/DTBP混合燃料燃烧的CO排放低于柴油原机。图6 CO随bmep变化曲线图7为1400r/min、不同制动平均有效压力下柴油与汽油/DTBP混合燃料压燃燃烧的HC变化曲线。图7表明，汽油/DTBP混合燃料燃烧时HC排放变化趋势与原机基本相同，但HC的排放数值较原机平均提高5-1510-6。HC主要产生于完全未燃燃料、燃料混合不均匀导致的燃烧不充分以及壁面淬冷等。因为汽油易于挥发且不易被压燃，因此会产生大量的HC蒸气，从而造成HC排放明显增加。由于混合燃料中大部分的DTBP在预混燃烧及扩散燃烧阶段初期已燃烧消耗，因此在扩散燃烧后期，汽油作为主要的燃料，但因为缺乏足够的点火能量，使其不能完全充分燃烧，造成HC有所增加。图8为1400r/min、不同制动平均有效压力下原机与汽油/DTBP混合燃料燃烧的NOx变化曲线。图8表明，随着制动平均有效压力的增加，原机NOx排放成不断增加趋势。当转矩小于60 Nm时，汽油/DTBP混合燃料燃烧的NOx排放小于2010-6，仅为原机的10%-29%。当转矩达到80 Nm时，混合燃料的NOx排放明显增加，但最高值仍较原机排放值降低13010-6。 NOx的生成主要受气缸内最高燃烧温度影响，随着柴油机喷油量增大，可燃混合气的平均过量空气系数随之减小，缸内燃烧温度提高，NOx排放量也提高。由于汽油易于挥发、扩散，减少了燃烧中心区域的燃料浓度，尽管缸压峰值较柴油原机有所提高，但缸内最高燃烧温度较原机有所降低，同时又由于在预混燃烧阶段混合燃料在缸内与空气混合更加充分，因此混合燃料的NOx排放较原机减少。图7 HC随bmep变化曲线图8 NOx随bmep变化曲线图9为1400r/min、不同制动平均有效压力下原机与汽油/DTBP混合燃料燃烧的碳烟变化曲线。图9表明，随着制动平均有效压力的增加，原机与混合燃料燃烧排放的碳烟不断增加。以不透光烟度（OPAC）表示，变化幅度基本相符且比原机高5%-8%。图9 不透光度随bmep变化曲线柴油机排气中的碳烟主要在扩散燃烧阶段由于高温、局部缺氧以及混合气成分不均匀的条件下，由柴油中的碳产生。汽油/DTBP混合燃料较好的雾化和扩散性能，能够降低一部分PM形成；但混合燃料的缸压峰值位置较柴油原机前移,使其扩散燃烧期较长，同时混合燃料中的汽油在扩散燃烧阶段与空气混合不均匀，造成失燃及局部缺氧区域，并缺乏足够的点火能量，使得其不能完全燃烧，导致PM升高。所以综合两种情况，PM的总体排放水平较原机略有增加。3 结论通过综合分析85/15体积比例下汽油/DTBP混合燃料在压缩燃烧下燃烧及排放状况，可以得出如下结论:（1）在普通93#汽油中混合DTBP可以实现在压燃式发动机上的燃烧，但因为汽油的粘度低于柴油，因此缩短了混合燃料燃烧的负荷区间，在今后的实验中可以加入蓖麻油进行润滑，避免柱塞及针阀发生卡滞； （2）汽油/DTBP混合燃料燃烧较柴油原机的滞燃期延长1-1.5CA，缸压峰值提高0.1-0.5MPa，缸压峰值曲轴转角提前0.2-1.1CA； （3）由于扩散燃烧阶段混合气燃烧不充分，导致HC和碳烟的排放较柴油原机提高，但提高幅度均小于30%。 （4）汽油/DTBP混合燃料压燃可以降低柴油机的CO和NOx排放值，NOx排放最高降幅达到90%。参考文献1A.M.Danilov, T.N.Mitusova,V.A.Kovalev,and A.N.Churzin. 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