正丁醇生物柴油双燃料高预混燃烧特性试验研究

正丁醇生物柴油双燃料高预混燃烧特性试验研究

未来，发动机的开发面临两个问题：能源不足和污染。目前，新方法和代用燃料的研究已成为研究的重点。新型燃烧方式如均质压燃、预混压燃和低温燃烧等,均是通过燃烧方式的改变来提高热效率、降低NOx和碳烟排放.这些新型燃烧方式的燃烧过程主要受化学反应动力学控制,燃料化学特性对燃烧及燃烧反应速度控制有决定性的影响,要实现高效清洁燃烧,燃烧边界条件参数的控制需要与燃料化学特性相适应,其实质就是燃烧过程的化学反应时间尺度与物理时间尺度相适应.国内外学者对此进行了大量试验表明,根据发动机不同运行工况和边界条件,适时调整缸内燃料活性(即燃料十六烷值,其值越高,活性越高)和活性分布可以实现对燃烧过程的有效控制.汽柴油高比例预混合压燃燃烧过程通过在进气道喷汽油、缸内直喷柴油的双燃料组合实现灵活的燃料活性控制,结合适当的燃烧边界条件控制策略,在发动机宽广的工况范围内实现不同的燃烧模式,同时在常用工况范围内发动机原始NOx和微粒排放满足欧V及以上排放法规要求,发动机只需采用简单氧化后处理器即可达到排放法规的要求.汽柴油高比例预混合燃烧在不同负荷工况呈现不同燃烧模式,具有共同的特征:由进气道喷入的汽油形成的预混合气热值占总燃油热值的60%以上,呈现高比例的预混合燃烧,故称此燃烧方式为汽柴油高比例预混合燃烧(highpremixedchargecombustion,HPCC).生物柴油理化性能接近柴油,可直接应用于现有柴油机.正丁醇与甲醇及乙醇相比,与柴油有更好的互溶性、不需要添加剂即可实现完全互溶,且热值较高,有较好的润滑性能.生物柴油和正丁醇均为含氧燃料,对柴油机的碳烟排放有很大的改善作用.生物柴油十六烷值略高于柴油;正丁醇辛烷值和汽油相近,汽化潜热高于汽油,可降低缸内温度,减缓放热速率,降低压升率.基于此,笔者提出一种由进气道喷入正丁醇(热值占总燃油热值量的70%以上)、缸内直喷生物柴油的双燃料高比例预混合燃烧模式,并根据发动机的运行工况调整生物柴油和正丁醇的比例、缸内喷油时刻和喷油控制策略,实现缸内燃料活性和活性分布的有效控制,再通过进气增压、废气再循环(EGR)等控制措施,实现高效清洁燃烧.1试验方法和过程试验用发动机及柴油喷油器参数如表1所示.试验在一台排量为6.5,L的6缸增压中冷、电控高压共轨柴油机上进行.第6缸经过改造作为测试缸有其独立的供油、进排气系统,其它5缸保持不变.生物柴油供给采用自行开发的高压共轨燃油喷射系统,开放式ECU可以灵活调整喷油时刻、压力和喷油量等参数.正丁醇由安装在进气管上的喷油器供给,由可调ECU控制,可以改变正丁醇喷油时刻及喷油量.缸压采集通过自行开发的缸压采集及放热率实时处理系统完成.尾气测量采用AVLFTIR排气分析仪,烟度测量采用AVL415S烟度计,测量值采用FSN(可转换为soot排放),图1为试验装置示意.所有试验均在发动机转速为1,500,r/min下完成,正丁醇喷油时刻固定为进气上止点前80,°CA,进气温度控制在25,℃左右.不同的进气压力由外界压气机进行模拟增压实现,且平均指示压力(IMEP)由压缩和膨胀两行程做功算出.试验中正丁醇比例以热值计算,即每循环正丁醇喷油量的热值占循环总燃油热值的比例,喷油时刻为生物柴油喷油时刻.试验每循环喷入缸内燃料的总热值固定为(当量生物柴油热值)60,mg,负荷(IMEP)为1,MPa,生物柴油喷油压力为100,MPa,进气压力控制在0.18,MPa,保证最大压力升高率不超过1,MPa/°CA,IMEP循环波动系数(COV)控制在5%以下,主要进行了喷油时刻、正丁醇比例和EGR率对正丁醇和生物柴油HPCC燃烧和排放特性的试验.2试验结果及分析2.1生物柴油的喷油对燃烧放热重心的影响针对正丁醇热值比为80%、85%和90%,EGR率为35%时(混合气总当量空燃比为1.55),调整生物柴油的喷油时刻使燃烧放热重心CA50(即累积放热量为总放热量的50%时对应的曲轴转角)在0~10,°CAATDC进行了试验研究和分析.2.1.1正丁醇比例对燃烧特性的影响图2为喷油时刻、正丁醇比例对CA50、COV和最大压升率的影响,CA50随喷油时刻推迟先提前后推迟,COV呈中间平稳,两边增大趋势,即过早和过晚喷油有失火趋势;缸内最大压升率随着喷油时刻的推迟先增大后减小,随着正丁醇比例的增加,最大压升率减小.较早喷入的生物柴油由于缸内温度较低,滞燃期长,混合气较稀且燃料活性分布均匀,燃烧放热不稳定,COV增加;上止点附近喷入的生物柴油,主燃烧相位推迟燃烧稳定性变差,COV增加.即过早或过晚的喷油时刻,均会导致COV升高.故试验中合理选择喷油时刻控制主燃烧相位在0~10,°CAATDC.中期喷油时刻,主燃烧相位在上止点附近区域,缸内混合气的准均质快速燃烧使燃烧放热速率升高,缸内最大压力升高率升高,超过1,MPa/°CA.考虑试验发动机的机械强度,最高压升率控制在1,MPa/°CA,故中间喷油时刻部分出现断点.正丁醇比例较低时,压升率总体处于较高水平,故试验中正丁醇比例控制在80%以上.随着正丁醇比例的增加,正丁醇汽化潜热值较高,缸内温度下降,缸内燃料混合气活性下降,COV增加.图3、图4是喷油时刻、正丁醇比例对燃烧特性的影响.图3表明,喷油时刻在-20,°CAATDC之前呈单峰放热;在-5,°CAATDC附近时呈双峰放热,且第2次放热率峰值较高,正丁醇比例增大,第1次放热峰值减小.图4表明,着火时刻随喷油时刻推迟先提前后推迟,滞燃期则一直减小,随着正丁醇比例的增加,滞燃期延长,着火时刻推迟.出现上述规律的原因为生物柴油十六烷值较高,燃料活性高.正丁醇燃料活性低,汽化潜热较高,使得缸内温度较低.正丁醇由进气道喷入后和空气形成稀薄的均质混合气,只有当喷入缸内的生物柴油着火后才能燃烧.在同一正丁醇比例下(以85%为例),喷油时刻较早时(-25,°CAATDC之前),缸内直喷的生物柴油与缸内工质混合较好,缸内燃料活性分布相对均匀,此时缸内温度较低,不易着火,滞燃期较长,其着火燃烧与燃烧反应速率主要受化学反应动力学所控制,表现出单峰放热特征.随着喷油时刻推迟,在上止点前附近区域,生物柴油与缸内工质混合分层程度变大,燃料活性分层直接影响了缸内着火和燃烧放热速率,生物柴油在经历极短的滞燃期后着火,即放热率中的第1峰值.生物柴油扩散燃烧引燃周围的正丁醇混合气,生物柴油与正丁醇同时燃烧放热,即放热率第2峰值,其燃烧特征是生物柴油的预混合燃烧、扩散燃烧和正丁醇预混合多点点燃同时进行的燃烧方式.图5为不同喷油时刻、正丁醇比例对燃烧效率和指示热效率的影响.燃烧效率随喷油时刻推迟先增大后减小,随正丁醇比例增加,燃烧效率下降;热效率在较早喷油时刻普遍较高,随着正丁醇比例增加,热效率总体不断下降.同一正丁醇比例时,较早和较晚喷油时刻导致主燃烧相位的推迟;且喷油时刻过早导致的燃油湿壁效应和喷油时刻过晚导致的燃烧过程拖后,均导致燃烧效率降低.由于缸内温度不均匀使燃烧室周边区域存在一个温度梯度较大的边界层区域以及缸内其它有害容积区域,在这些区域的预混合气很难充分燃烧.随着正丁醇比例的增加,缸内温度下降,预混合气比例增加,进入这一区域的正丁醇混合气比例增大,燃烧效率下降.热效率是燃烧效率与CA50共同作用的结果.85%正丁醇比例在较早喷油时刻,同时对应CA50在2~8,°CAATDC附近,燃烧效率(图4)都在95%以上,热效率处于较高的水平,如果喷油时刻继续提前,CA50推迟,则燃烧效率下降导致热效率下降;喷油时刻在上止点附近时,滞燃期缩短导致燃料活性不均匀性增加,缸内压力和燃烧温度上升,传热损失增大,虽然燃烧效率较高,但热效率较低.合理的喷油时刻控制燃烧重心对热效率有重要的影响.随着正丁醇比例增加,CA50推迟,燃烧效率和热效率下降.综上,生物柴油的喷油时刻直接决定了缸内燃料活性的分布,正丁醇比例直接影响了混合气活性,两者相互作用使正丁醇与生物柴油的高预混燃烧呈现预混合压燃、部分扩散燃烧和预混合多点点燃的复合燃烧特征.2.1.2不同预混合比例对co和nmhc排放的影响图6为喷油时刻、正丁醇比例对NOx和soot排放的影响.喷油时刻在-20,°CAATDC之前,NOx排放整体呈较低的水平,随着喷油时刻推迟略有升高.这是因为此阶段缸内的混合气比较均匀且较稀,燃烧温度低.随着喷油时刻的推迟,缸内混合气活性分布不均匀性增加,局部燃烧温度较高,NOx排放随之升高,并达到峰值.之后喷油时刻继续推迟,主燃烧相位不断推迟,缸内燃烧温度降低,NOx排放下降.但总体较晚的喷油时刻导致NOx排放水平明显高于较早喷油时.喷油时刻较早时,正丁醇比例对NOx排放影响较小,此时缸内燃料活性分布均匀,混合气稀,NOx排放整体很低;较晚喷油时,随着正丁醇比例增加,预混合均质混合气比例增加,NOx排放减小.soot排放随喷油时刻推迟先增后减,随正丁醇比例增大而减小,整体排放一直处于较低的水平.这是由于生物柴油和正丁醇燃料都是含氧燃料,且预混合比例很大,均有利于降低soot排放.在中期喷油区域,由于主燃烧相位接近上止点,燃烧温度增高,燃料活性分层导致缸内出现高温过浓区,soot排放增加.正丁醇比例增大,预混合比例增大,燃烧温度降低,soot排放减少.图7为喷油时刻、正丁醇比例对CO和NMHC(非甲烷HC)的影响.CO和NMHC排放随着喷油时刻推迟先减小后增大.随着正丁醇比例的增大,CO和NMHC排放增大.此规律与燃烧效率的规律一致的.喷油时刻在-30~-40°CAATDC,早喷生物柴油导致“湿壁”现象,由于滞燃期长,大量均质混合物堆积在温度较低的压缩余隙及活塞、活塞环和气缸壁形成的环形容积区,燃烧温度较低,很难完全燃烧,成为HC排放的主要来源,燃烧相位较晚,燃烧温度较低,造成早喷情况下NMHC排放较高;喷油时刻推迟,CA50逐渐靠近上止点,燃烧温度升高,燃烧效率提高,NMHC排放降低;喷油进一步推迟,主燃烧相位推迟,燃烧温度降低,NMHC排放升高.随着正丁醇比例的增大,燃烧效率的降低,NMHC排放增大.CO排放与NMHC排放的生成机理不同,CO是化学反应动力学的产物,即当温度能够使混合气发生低温和蓝焰反应,但没有热焰反应发生时,会导致CO不能得到继续氧化.因此在氧气充足且混合气均匀时,CO生成主要是由于缸内较低的燃烧温度影响了其进一步氧化.对于正丁醇比例为80%或85%时,较早喷入的生物柴油,滞燃期长,燃料活性分布均匀,较低的缸内温度影响了CO的进一步氧化,导致CO排放较高;喷油时刻推迟,CA50向上止点移动,缸内温度升高,燃烧效率升高,CO排放降低,此时CO主要来源于燃烧室壁面附近温度边界层区域;喷油时刻接近上止点之后继续推迟,主燃烧相位推迟,缸内温度降低,CO排放又不断升高.同样随着正丁醇比例的增大,缸内平均温度降低,燃烧效率降低,导致CO排放增大.随着正丁醇比例的增大,缸内温度降低,CO排放上升,90%正丁醇比例时更明显.综上,EGR率在35%时,正丁醇比例为85%,生物柴油单次喷油时刻控制在-25~-40,°CAATDC可使热效率保持在47%左右较高的水平,同时最大压升率也保持在相对较低的水平,NOx和soot的原始排放也控制在较低的水平.2.2egr率对燃烧特性和排放特性的影响EGR引入将降低混合气活性,试验控制正丁醇的热值比例为85%,调整喷油时刻使主放热时刻CA50在0~10,°CAATDC,研究分析了EGR率对燃烧特性和排放特性的影响.2.2.1燃烧特性变化图8~图9为生物柴油在不同喷油时刻EGR率对燃烧特性的影响.随着EGR率的增大,着火滞燃期和燃烧持续期延长,燃烧持续期在EGR率为45%时明显延长,缸内最大爆发压力和放热率峰值均减小.较早喷油时刻,EGR率升高使缸内温度降低,滞燃期延长,降低缸内活性燃料的分层,化学反应动力学对着火燃烧与燃烧反应速率作用增大,燃烧特性表现出均质压燃的燃烧特征.较晚喷油时,随着EGR率提高,滞燃期延长,燃料活性分层降低,影响了正丁醇均质预混合气的充分燃烧,双峰放热模式中两个放热率峰值均降低.当EGR率增大到接近燃烧的失火界限时,缸内的温度和当量比下降,燃烧放热率下降,燃烧持续期延长.2.2.2提高egr率图10为喷油时刻、EGR率对NOx和soot排放的影响.在生物柴油较早喷油时,NOx排放水平整体较低,EGR率的提高对NOx排放影响不大,在生物柴油较晚喷油时,EGR率的提高,可大幅降低NOx的排放.EGR率为45%时,NOx排放整体都处于较低水平.提高EGR率对soot排放具有一定的改善作用.在生物柴油较早喷油时,形成稀的均质混合气,缸内燃烧温度低,NOx排放低,增大EGR率对NOx排放影响不大;较晚喷油时,由于混合气浓度不均匀造成局部燃烧温度高,使NOx排放较高,而随着EGR率的提高延长了滞燃期,减少了缸内局部高温区,使NOx排放明显下降.由于占燃料总量80%以上的正丁醇是充分预混的,soot排放很低,EGR率的提高使生物柴油滞燃期延长,混合更为充分,进一步降低了soot排放.图11为喷油时刻、EGR率对CO和NMHC排放的影响.EGR率较低时,CO和NMHC排放在生物柴油较早喷油时刻变化不大,在喷油时刻较晚时,随EGR率增大,两者明显升高.在EGR率为45%时,CO和NMHC排放明显高于EGR率为35%和40%时.EGR率的增加降低了缸内的燃烧温度,不利于CO和NMHC的氧化.3高预混压燃燃烧过程(1)正丁醇与生物柴油比例决定了缸内燃料活性,生物柴油喷油时刻影响缸内燃料活性的分布,两者相互作用调整缸内燃料活性和活性分层,实现对