正丁醇/柴油复合燃烧对轻型柴油机排放的影响
  环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (6): 2312-2319
正丁醇/柴油复合燃烧对轻型柴油机排放的影响    [PDF全文]
田维1 , 楚云路1 , 肖邦1 , 韩志强1 , 夏琦2     
1. 西华大学汽车与交通学院, 成都 610039;
2. 温州大学瓯江学院, 温州 325035
摘要: 通过在一台轻型柴油机上加装低压共轨实现在进气歧管上的正丁醇喷射,喷射压力恒定为0.35 MPa;柴油采用缸内直喷,喷射压力恒定为120 MPa;采用自主开发的电控单元(ECU)分别控制柴油与正丁醇的喷射,实现正丁醇/柴油复合燃烧.试验研究了在2800 r·min-1不同负荷下正丁醇喷射量对排放量及颗粒物粒径分布的影响.结果表明:随正丁醇喷射量增加,NOx和碳烟排放减少,高负荷时降低幅度较大;HC和CO排放增加,低负荷时增加幅度较大;颗粒物生成总量降低且粒径分布重心左移;低负荷时相比于大粒径颗粒物,正丁醇对小粒径颗粒物数浓度的减少更明显;大粒径颗粒物减少比例与小粒径颗粒物减少比例的差距随正丁醇喷射量的增加而减小.
关键词: 正丁醇     柴油     复合燃烧     粒径分布     颗粒物减少比例    
The effect of n-butanol/diesel compound combustion on emissions of light duty diesel engine
TIAN Wei1, CHU Yunlu1, XIAO Bang1, HAN Zhiqiang1 , XIA Qi2    
1. School of Automobile and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039;
2. Oujiang College, Wenzhou University, Wenzhou 325035
Received 27 October 2017; received in revised from 19 November 2017; accepted 17 December 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51776177, 51406137)and the Chun Hui Project of Ministry of Education(No. Z2015083)
Biography: TIAN Wei(1981—), male, E-mail:tianviv@qq.com
*Corresponding author: HAN Zhiqiang, E-mail:8312862@qq.com
Abstract: The aim of this research is on effect of n-butanol/diesel compound combustion on emission by a light duty diesel engine. A low pressure common rail was added to the intake manifold of the experimental engine for n-butanol injection. The diesel fuel injection was accomplished by the original injection system and no modification was performed. A self-developed electronic control unit was used to control the n-butanol injection and diesel fuel injection. The injection pressure of n-butanol and diesel fuel was keeping constant at 0.35 MPa and 120 MPa throughout the experiment. Also, the injection timing was keeping constant through all the experiments respectively. Effects of n-butanol injection quantity on emission and particle size distribution were obtained at a constant engine speed of 2800 r·min-1 and at four engine loads. Experimental results showed that NOx and soot emissions were decreased with n-butanol injection quantity increased, especially under heavy load. But HC and CO Emissions were increased with increase of n-butanol injection quantity, especially in light load. Total particle number concentration was decreased when the n-butanol injection quantity increased, and also the peak of particle size distribution curves shifted to small particle side. N-butanol could reduce the number concentration of small particles more obviously than that of large particles at light engine load. The difference of reduction proportion between large particle and small particle was decreased with increase of n-butanol injection quantity.
Key words: n-butanol     diesel     compound combustion     particle size distribution     particle reduction proportion    
1 引言(Introduction)

近年来的研究表明, 空气中悬浮的细颗粒物(PM2.5)已经成为引发灰霾天气的重要原因, 并且这些PM2.5被吸收入人体后会引发呼吸系统疾病, 最新的统计结果显示, 机动车尾气中含有的PM2.5对大气污染的综合贡献占了较大的比重(包良满等, 2016杨柳等, 2012).为了降低机动车PM2.5及其他气体的排放对生态环境的影响, 国内外大多数汽车厂家尝试通过加装尾气后处理装置来降低发动机的有害排放物, 并已成为当前治理汽车尾气污染的主流, 如选择性催化还原系统(SCR)、颗粒捕集系统(DPF)等技术.另外一些内燃机研究人员尝试利用新型燃烧模式和燃用清洁代用燃料, 以通过机内净化的方式实现更好的排放和更高的热效率, 这些新型燃烧方式包括:均质充量压缩着火(HCCI)、预混合压缩着火(PCCI)、低温燃烧(LTC)等.相比于柴油传统的扩散燃烧, 这些新型燃烧方式基于废气再循环(EGR)、燃油多次喷射、可变气门等技术, 打破了NOx和碳烟之间的Trade off关系, 实现了NOx和碳烟排放同时维持在较低水平的目的.但当发动机在中、高负荷下运行时需要大的废气再循环(EGR)率来维持柴油与空气具有足够的混合时间, 保证缸内混合气的均匀分布(Posada et al., 2013张全长等, 20102014马勇等, 2010), 同时还存在燃烧速率不可控、压力升高率过高和工作粗暴等缺点(尧命发等, 2012黄豪中等, 2007).因此, 基于柴油具有的十六烷值, 近年来有研究者提出, 在气缸内使用高自燃性能的燃油与低活性的燃油相混合的方式, 达到对缸内可燃混合气活性的控制, 实现“高效清洁”燃烧(Kokjohn et al., 2011).

目前, 低自燃性能的燃料包括压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、丁醇等(Campos-Fernández et al., 2012Bae et al., 2016Ibrahim et al., 2016; Yu et al., 2017).其中, 正丁醇因具有较高的低热值高、汽化潜热较高、腐蚀性小、易制取等优点而备受关注(Rakopoulos et al., 2015Şahin et al., 2015Jin et al., 2011).Zhang等(2014; 2016)基于一台非道路用四冲程单缸柴油机, 研究了丁醇/柴油混合燃料对排放的影响, 结果表明, 随负荷增大, 丁醇/柴油混合燃烧可以有效降低颗粒物质量、元素碳、挥发型颗粒物和固态颗粒物.楼狄明等(2014)基于一台国Ⅴ共轨柴油机研究了不同转速、负荷下丁醇/柴油混合燃料的颗粒粒径分布特性, 结果表明, 随丁醇掺混比例的增加, 核模态颗粒和小粒径聚集态颗粒排放数量浓度在各工况下都有不同程度的降低.颜方沁等(2015)在定容燃烧弹内研究了丁醇/柴油混合燃料的燃烧火焰基本特征和燃烧生成的颗粒, 结果表明, 掺混丁醇能够延长滞燃期, 促进混合气的形成, 抑制局部缺氧, 缩短燃烧持续期, 改善喷雾燃烧, 降低碳烟排放.

综上所述, 通过对燃料活性的改变, 帮助燃烧路径避开高有害物质排放的生成条件, 将成为未来内燃机发展的一个重要方向.有研究表明, 排气中的小粒径颗粒物相比于大粒径颗粒物, 更容易发生凝结并在大气中形成有害微粒(付娟等, 2007樊筱筱等, 2016).因此, 本文基于一台进气道经过小幅度改装的双燃料柴油机, 分别研究在特定转速不同负荷的条件下, 正丁醇喷射量对气体排放、颗粒物数浓度及粒径分布及大、小粒径颗粒物减少比例的影响.

2 试验设备及方法(Experimental equipment and methods) 2.1 试验设备

本次试验基于一台进气道经过改装的轻型柴油机, 正丁醇供给由在进气道上加装的多点低压共轨喷射系统实现, 柴油供给则是通过BOSCH高压共轨缸内直喷系统实现, 自主开发的ECU对两种燃料的喷油压力(正丁醇恒定为0.35 MPa, 柴油恒定为120 MPa)、喷油正时(柴油恒定为0° ATDC)、喷油量等参数进行控制.试验用柴油机具体参数如表 1所示.

表 1 柴油机主要技术参数 Table 1 Diesel engine specifications

试验用Horiba MEXA-7100D排气分析仪进行排气成分测量, AVL415烟度计进行烟度值测量, DMS500微粒频谱仪进行颗粒分析, KISLER 6125C缸压传感器及其配套的电荷放大器和采集程序进行缸压采集, 试验所用测量设备主要参数如表 2所示, 发动机试验系统布置如图 1所示.

表 2 测量设备主要参数 Table 2 Instruments and specifications

图 1 发动机试验系统 Fig. 1 Schematic of experimental setup
2.2 试验方法

试验以该发动机最大扭矩区间的最高转速(n)2800 r·min-1为目标转速, 平均有效压力(BMEP)分别为0.25、0.5、0.78和1.1 MPa.各工况中通过保持转速和扭矩不变, 改变正丁醇和柴油的喷油量以得到不同正丁醇喷射量下的排放参数.试验用正丁醇和柴油的主要理化特性参数如表 3所示.各工况下柴油喷射量、正丁醇喷射量如图 2所示.

表 3 正丁醇和柴油主要理化特性参数 Table 3 Physicochemical properties of n-butanol and diesel

图 2 各工况喷油策略(柱子上方标注数据为正丁醇喷射量) Fig. 2 Injection quantity in each operation condition
2.3 参数定义

颗粒物数浓度减少比例γ的计算公式如下:

式中, c0为纯柴油燃烧和混合燃烧中一定粒径范围的颗粒物数浓度差值;cc1分别为纯柴油燃烧和混合燃烧一定粒径范围的颗粒物数浓度.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 正丁醇喷射量对排放量的影响

图 3所示为各工况中放热率和缸内平均温度随曲轴转角的变化, 从图中可以看出, 小负荷时(BMEP=0.25 MPa)纯柴油燃烧时放热率曲线呈双峰状, 第1峰和第2峰分别由柴油的预混合燃烧和扩散燃烧形成.随正丁醇喷射量增加第1峰值和第2峰值均降低, 当正丁醇喷射量达到一定值时开始变成单峰曲线.中高负荷(BMEP≥0.5 MPa)纯柴油燃烧时在上止点与10℃A ATDC之间有一拐点, 喷入正丁醇后拐点逐渐消失并且在上止点前生成了波峰, 生成的波峰峰值随正丁醇喷射量增加而增加.生成的波峰在柴油的喷射始点之前, 因此, 该波峰是由于正丁醇预混合气的高温反应造成.

图 3 各负荷不同正丁醇喷射量下放热率及缸内平均温度变化(a. 0.25 MPa, b. 0.50 MPa, c. 0.78 MPa, d. 1.10 MPa) Fig. 3 Variation of the heat release rate and the average in-cylinder temperature under different n-butanol injection quantity at each load

缸内温度峰值随正丁醇喷射量增加而下降, 降低幅度同正丁醇增加比例一致, 并且高温起点提前.中高负荷时缸内温度同放热率一样在上止点前生成了波峰, 并且峰值随正丁醇喷射量升高.

图 4a4b所示为各负荷条件下HC和CO的排放随正丁醇喷射量的变化趋势.对比于纯柴油燃烧模式, HC和CO的排放均随着正丁醇喷射量的增加而呈不同程度增加.小负荷(BMEP= 0.25 MPa)时, HC和CO排放随着正丁醇喷射量的增加呈大幅度增加, 靠近气缸壁、活塞环和缸壁间隙的淬冷作用导致正丁醇未完全燃烧, 生成了大量HC和CO.结合缸内放热率曲线和温度曲线可知此时缸内燃烧不稳定, 因此, 该工况不作为HC和CO排放的主要研究对象.

图 4 各负荷不同正丁醇喷射量下污染物排放变化(a.HC, b.CO, c.NOx, d.碳烟) Fig. 4 Variation of emission under different n-butanol injection quantity at each load

结合图 3中缸内放热率曲线和缸内平均温度变化曲线图可知, 在中高负荷(BMEP≥0.5 MPa)时, 由于放热率曲线呈现双峰趋势, 说明部分正丁醇预混合气在上止点前发生自燃, 而此时的柴油喷射量相对于小负荷时较高, 缸内温度基本维持在1400 K以上, 相对较高的缸内温度使未完全燃烧的HC和CO氧化程度较高.其中, 由于温度升高部分HC被氧化为CO但大部分CO未能完全氧化, 因此, 中负荷时随正丁醇喷射量增加CO排放增加幅度高于HC, 而高负荷时HC排放维持在较低水平而CO呈下降趋势, 是因为此时温度更高CO氧化更完全.

图 4c图 4d所示为各负荷条件下NOx和碳烟的排放随正丁醇喷射量的变化趋势.NOx和碳烟随正丁醇喷射量增加均呈下降趋势, 其中, 在大负荷(BMEP=1.1 MPa)时, 碳烟排放量降低幅度较大.

从正丁醇的燃料性质可知, 正丁醇的低十六烷值和较高的汽化潜热降低了缸内燃烧温度, 同时有利于缸内的混合过程, 抑制了缸内浓混合气分布不均匀性(Zhang et al., 2016).因此, 正丁醇喷射量的增大使得局部的高温条件受到抑制, NOx随正丁醇喷射量的增加呈减少趋势.柴油是碳烟的主要来源, 随正丁醇喷射量增加, 柴油喷射量减少使得柴油所生成的碳烟总量降低;正丁醇的加入使得缸内的混合气总体上更均匀, 消除了生成碳烟的局部浓混合条件, 再加之缸内温度的降低弱化了生成碳烟的温度条件, 因此, 总体上正丁醇/柴油复合燃烧的碳烟排放量降低.

3.2 正丁醇喷射量对颗粒物频谱的影响

图 5所示, 在低、中负荷(BMEP≤0.78 MPa)时, 颗粒物粒径分布曲线在纯柴油燃烧时呈双峰状, 第1峰出现在20 nm, 第2峰出现在50 nm附近, 且第1峰值明显高于第2峰值.随着正丁醇喷射量的增加, 第2峰值逐渐消失且第1峰值也呈下降的趋势, 其中, 在BMEP=0.78 MPa时, 随着正丁醇喷射量的增加, 第1峰值下降幅度大于第2峰值, 整个曲线趋于平坦.在高负荷(BMEP>0.78 MPa)时, 颗粒物粒径分布曲线呈单峰状, 随着正丁醇喷射量的增加, 第2峰值呈下降趋势且峰值由110 nm向80 nm附近偏移.由之前分析可知, 随正丁醇喷射量的增大, 缸内温度降低, 有更多的HC生成, 同时由于混合气更加均匀, 因此, 导致缸内生成核模态颗粒的机率增大.而在高负荷时, 由于缸内温度较高, 燃油更容易发生深度氧化和热裂解, 使其进一步脱氢成原子级的碳颗粒后逐渐聚集成基本碳烟颗粒(计维斌等, 2014), 因此, 高负荷下生成的小粒径颗粒物数浓度略微增加.随着正丁醇喷射量的增加大粒径颗粒物数浓度峰值降低, 一方面由于降低了直喷的柴油量, 另一方面由于正丁醇自带氧原子缓解了高负荷时高温缺氧的状况使颗粒物氧化效果更明显.

图 5 各负荷不同正丁醇喷射量下颗粒物数浓度和粒径变化(a. 0.25 MPa, b. 0.50 MPa, c. 0.78 MPa, d. 1.10 MPa) Fig. 5 Variation of number concentration of particle and particle size under different n-butanol injection quantity at each load

图 6所示为各负荷下粒径≤30 nm的小粒径颗粒物和粒径>30 nm的大粒径颗粒物数浓度减少比例随正丁醇喷射量的变化.如图所示, 低负荷时, 随正丁醇喷射量的增加, 小粒径颗粒物数浓度减少比例较高, 并且大于大粒径颗粒物数浓度的减少比例.这是因为正丁醇改善了缸内的混合气局部浓区, 且正丁醇的高汽化潜热降低了缸内的温度延长了柴油的滞燃期(顾小磊等, 2014), 使燃烧更充分, 但正丁醇加入后对小粒径颗粒的氧化效果较大粒径颗粒更明显.

图 6 各负荷不同正丁醇喷射量下不同粒径颗粒物数浓度减少比例(a. 0.25 MPa, b. 0.50 MPa, c. 0.78 MPa, d. 1.10 MPa) Fig. 6 Reduction proportion of number concentration in various particle size under different n-butanol injection quantity at each load

在BMEP=0.5和0.78 MPa这两种中等负荷工况时, 两者的颗粒物粒径分布和浓度减少比例出现了较大差别, 在BMEP=0.5 MPa时, 正丁醇对大、小粒径颗粒物数浓度的减少比例较低, 而在BMEP=0.78 MPa时, 正丁醇对大、小粒径颗粒物数浓度的减少比例基本维持在较高水平, 这是由于在BMEP=0.78 MPa时, 缸内温度总体较高, 颗粒物后期的氧化作用更明显所导致的.

在BMEP=1.1 MPa高负荷工况时, 大粒径颗粒物数浓度降低比例变小.在此工况下, 各不同正丁醇喷射量所对应的柴油喷射量较大, 此时柴油的扩散燃烧仍然占有较大比例;另外, 在此工况下缸内总体的过量空气系数较小, 氧气氛围较差, 对大颗粒后期的氧化条件变差, 因此, 正丁醇喷射量总体上对大颗粒物的降低效果减弱.与此同时, 小粒径颗粒物浓度出现增加的趋势, 这是因为加入正丁醇后, 燃烧初期产生的颗粒还处于成核期和表面生长初期, 只具有碳核的无序结构, 并且燃烧产生的大量可溶性有机物的极细微颗粒吸附在碳烟颗粒表面, 影响了颗粒的结构和连接形式, 从而相比于纯柴油燃烧小粒径颗粒物数浓度增加.

4 结论(Conclusions)

1) 在低负荷时由于温度较低, 正丁醇/柴油复合燃烧会出现不稳定, 提高正丁醇喷射量会使HC和CO排放剧烈上升;中高负荷时随正丁醇喷射量的增加HC和CO排放增加, 随负荷增大正丁醇喷射量对HC和CO的影响变弱.

2) 提高正丁醇喷射量可以降低颗粒物排放的总量, 并且使得主要颗粒物的粒径变小, 使粒径分布重心左移.

3) 低负荷时, 正丁醇喷射量对大粒径颗粒物的影响效果不如对小粒径颗粒物数浓度的影响效果明显.高负荷时, 正丁醇/柴油复合燃烧的大粒径颗粒物相对纯柴油燃烧明显降低, 但随正丁醇喷射量的增大其影响效果增大不十分明显.

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