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正丁醇部分預(yù)混燃燒及其顆粒物排放特性試驗(yàn)

2020-12-09 22:50:14·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
在能源與環(huán)境備受關(guān)注的形勢下，內(nèi)燃機(jī)作為能源消耗的大戶和大氣污染物的重要來源之一，其節(jié)能減排意義重大。為此，需要開發(fā)更高效清潔的內(nèi)燃機(jī)燃燒新技術(shù)，同時(shí)
 在能源與環(huán)境備受關(guān)注的形勢下，內(nèi)燃機(jī)作為能源消耗的大戶和大氣污染物的重要來源之一，其節(jié)能減排意義重大。為此，需要開發(fā)更高效清潔的內(nèi)燃機(jī)燃燒新技術(shù)，同時(shí)，尋找適合的生物質(zhì)替代燃料以實(shí)現(xiàn)燃料多元化也是重要途徑之一。正丁醇作為生物質(zhì)燃料替代柴油實(shí)現(xiàn)燃料多元化時(shí)，雖然具有較高熱效率及較低的碳煙排放，但顆粒物數(shù)量可能較高?；诖?，筆者針對正丁醇部分預(yù)混燃燒（PPC）小負(fù)荷工況，重點(diǎn)開展顆粒物排放特性的試驗(yàn)研究，研究EGR、進(jìn)氣壓力及噴射策略等對正丁醇PPC及顆粒物排放濃度、粒徑分布的影響規(guī)律，以期為正丁醇PPC顆粒物排放控制和高效清潔燃燒組織提供參考。
 
1、試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)由高壓共軌6缸柴油機(jī)改造的單缸試驗(yàn)機(jī)，第6缸為試驗(yàn)缸，采用獨(dú)立的進(jìn)/排氣系統(tǒng)及燃油噴射系統(tǒng)。圖1為試驗(yàn)臺(tái)架示意，主要包括單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、測功機(jī)、進(jìn)氣溫度控制系統(tǒng)、模擬進(jìn)氣增壓系統(tǒng)、高壓共軌燃油系統(tǒng)及缸壓采集和燃燒分析系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓由外部壓氣機(jī)模擬，EGR率通過調(diào)節(jié)背壓閥進(jìn)行控制，進(jìn)氣壓力通過調(diào)節(jié)壓氣機(jī)出口旁通閥的開度進(jìn)行控制。噴油量、噴油時(shí)刻和噴油壓力等參數(shù)通過開放式電控單元(ECU)可以靈活調(diào)節(jié)。
 
圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置示意
定義顆粒物粒徑小于30 nm的為核態(tài)，大于30 nm為積聚態(tài)。試驗(yàn)前對比了正丁醇PPC與柴油壓燃燃燒顆粒物排放特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)相比于柴油壓燃燃燒，正丁醇PPC顆粒物排放數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油，很大范圍粒徑的顆粒物濃度相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)，且顆粒物排放粒徑小。為此將探究降低正丁醇PPC顆粒物排放策略。本期推文首先研究EGR及噴射時(shí)刻對正丁醇PPC小負(fù)荷燃燒和顆粒物排放特性的影響，并重點(diǎn)研究其對顆粒物排放濃度及粒徑分布特性影響的規(guī)律，然后研究進(jìn)氣壓力及噴射策略(單次噴射、預(yù)主噴及主后噴兩次噴射策略)對顆粒物排放濃度及粒徑分布的影響，從而探索降低正丁醇PPC顆粒物排放的控制策略。

2、EGR及噴射時(shí)刻的影響
試驗(yàn)固定進(jìn)氣壓力為0.24 MPa，以保證能夠在此噴油油量下穩(wěn)定著火燃燒。文中SOI為噴油時(shí)刻，pin為進(jìn)氣壓力，進(jìn)氣壓力為絕對壓力。圖2為SOI 為-18°CA ATDC時(shí)不同EGR率下的缸內(nèi)壓力和放熱率。圖3為不同EGR 率及噴射時(shí)刻對滯燃期和CA 50的影響。圖4為EGR率及噴射時(shí)刻對正丁醇PPC排放的影響。
圖2中，相對EGR率為0，引入EGR率為5%和10%時(shí)燃燒放熱開始時(shí)刻提前，放熱率峰值增大，最大缸內(nèi)壓力升高；當(dāng)EGR率進(jìn)一步增加到20%，燃燒放熱時(shí)刻滯后，放熱率峰值降低。這主要是由于EGR對滯燃期的影響，引入5%、10%小比例EGR后，滯燃期縮短，尤其在EGR率為5%時(shí)最為明顯(圖3a)。主要是由于引入較小比例EGR時(shí)，廢氣中燃燒后活性較高的產(chǎn)物重新進(jìn)入缸內(nèi)，促進(jìn)了燃油的著火燃燒，縮短了滯燃期。如圖2所示，5%及10%EGR率時(shí)，其在高溫放熱前都有很明顯的前期中溫放熱(a段與b段)準(zhǔn)備階段，從而促進(jìn)燃燒著火。另一方面，EGR的引入也減少了氧濃度，從而阻礙燃油放熱反應(yīng)，因而EGR率為5%時(shí)燃油在前期放熱更明顯，放熱量更多，所以放熱率峰值較EGR率為10%時(shí)低；在EGR率為20%時(shí)，EGR的作用已經(jīng)大于廢氣中活性物質(zhì)促進(jìn)著火燃燒的作用，燃燒放熱滯后，滯燃期延長，形成了更加稀的混合氣，放熱率峰值也降低。
 
圖2 EGR率對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響
 
圖3 EGR率及噴射時(shí)刻對滯燃期及CA 50的影響
 
圖4中，EGR率為10%時(shí)，主噴時(shí)刻遲于-16°CA ATDC的NOx排放較無EGR低，而在之前其高于無EGR情況。EGR雖然有降低NOx排放的作用，但在主噴時(shí)刻早于-16°CA ATDC時(shí)，EGR率為10%的CA 50相對無EGR提前，因而NOx排放較高，同樣EGR率為5%時(shí)的NOx排放在主噴時(shí)刻較早時(shí)也較高。碳煙排放整體都較低，主要是負(fù)荷較小，并且正丁醇含氧減少了碳煙的生成。CO及THC排放隨主噴時(shí)刻及EGR率的變化同燃燒相位CA 50基本一致，通過小比例EGR能夠改善正丁醇PPC的THC、CO排放。
 
選取-18°CA ATDC主噴時(shí)刻研究EGR對正丁醇PPC的顆粒物排放特性影響。圖5為不同EGR率下的顆粒物粒徑分布及EGR對顆粒物不同粒徑段排放的影響。圖5a中，不同EGR率下正丁醇PPC的顆粒物排放粒徑集中在64 nm以內(nèi)，粒徑分布曲線呈單峰形態(tài)。EGR的引入使顆粒物排放濃度峰值整體降低。在EGR率為5%和10%時(shí)，顆粒物排放粒徑分布向較大粒徑偏移，20 nm以上顆粒物濃度增加，并且EGR率為10%的顆粒物排放濃度更大，而粒徑小于20 nm的較小顆粒物濃度降低。在EGR率為20%時(shí)，粒徑分布集中在20 nm以內(nèi)，整個(gè)粒徑范圍內(nèi)顆粒物排放都降低。
 
圖5b中，50%排放粒徑及90%排放粒徑分別指從小粒徑向大粒徑累計(jì)顆粒數(shù)達(dá)到總排放數(shù)50%及90%時(shí)所對應(yīng)的粒徑，可以表征顆粒物排放總體粒徑的大小及集中程度，圖中百分?jǐn)?shù)為核態(tài)顆粒所占比例。雖然正丁醇為含氧燃料，試驗(yàn)中碳煙排放在不同EGR率下都低于0.01 g/(kW·h)(圖4b)，但顆粒物排放濃度較高，總體顆粒物數(shù)排放在108量級(jí)上。可知，不同EGR率下正丁醇PPC的核態(tài)顆粒物排放都在85%以上；EGR率為5%時(shí)的顆粒物排放總數(shù)量有一定的降低，核態(tài)顆粒所占比例降低，50%及90%總顆粒物排放粒徑增大，并且90%顆粒排放粒徑小于35 nm；EGR率為10%時(shí)，顆粒物排放總數(shù)量上升，與無EGR時(shí)顆粒物排放總數(shù)量相當(dāng)，但核態(tài)顆粒物所占比例降低，50%及90%排放粒徑與EGR率為5%相當(dāng)；EGR率為20%時(shí)，顆粒物排放數(shù)量顯著下降(低于108)，約為無EGR率顆粒物數(shù)量的1/4，顆粒物排放基本為核態(tài)顆粒物。
 
圖5 EGR率對顆粒物排放粒徑及顆粒物不同粒徑段排放的影響
3、進(jìn)氣壓力的影響
圖6為進(jìn)氣壓力對正丁醇PPC放熱率和缸內(nèi)壓力的影響。隨著進(jìn)氣壓力的增大，著火時(shí)刻提前，放熱率峰值升高，燃燒相位提前，缸內(nèi)最大壓力增大。主要是由于進(jìn)氣壓力增大提高了氧濃度，縮短了滯燃期，著火時(shí)形成的混合氣濃度相對較高，燃燒速度較快，放熱率峰值高，而在進(jìn)氣壓力為0.230 MPa時(shí)，著火時(shí)形成了過稀的混合氣，同時(shí)燃燒相位較靠后，因而放熱率峰值低，燃燒持續(xù)期長。圖7為進(jìn)氣壓力對正丁醇PPC排放的影響，隨著進(jìn)氣壓力的增大，由于放熱速率提高，燃燒相位提前，燃燒溫度升高，THC和CO排放都降低，NOx排放相應(yīng)增大。而隨著進(jìn)氣壓力的增大，碳煙整體排放升高，主要是由于滯燃期縮短使得混合氣局部濃度增大。
 
圖6 進(jìn)氣壓力對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響
 
圖7 進(jìn)氣壓力對排放的影響
圖8為進(jìn)氣壓力對顆粒物粒徑分布和顆粒物不同粒徑段排放的影響。圖8a中，不同進(jìn)氣壓力下顆粒物粒徑分布同樣呈單峰形狀，隨著進(jìn)氣壓力的增大，顆粒物濃度峰值先升高后降低，濃度峰值對應(yīng)的粒徑增大，但顆粒物排放粒徑基本集中在64 nm以內(nèi)。進(jìn)氣壓力為0.230 MPa時(shí)，顆粒物排放濃度及粒徑遠(yuǎn)小于其他進(jìn)氣壓力，主要是此時(shí)滯燃期較長，著火時(shí)形成的混合氣較稀，同時(shí)燃燒相位靠后，缸內(nèi)燃燒溫度較低，抑制了顆粒物的生成，不完全燃燒碳粒減少，也難以積聚成更大顆粒。當(dāng)進(jìn)氣壓力增大到0.240 MPa時(shí)，滯燃期相對縮短較多，著火前混合氣濃度升高，燃燒相位靠前，燃燒溫度較高，更易形成不完全燃燒碳粒；進(jìn)一步提高進(jìn)氣壓力到0.255 MPa時(shí)，滯燃期進(jìn)一步縮短，顆粒物粒徑分布向更大粒徑方向移動(dòng)，大粒徑的顆粒物濃度增加，但由于氧氣濃度增大，顆粒氧化速度快，因而其顆粒濃度峰值降低。圖8b中，隨著進(jìn)氣壓力的增大，核態(tài)顆粒物排放所占比例逐漸降低，顆粒物排放總濃度先增加再降低，50%及90%顆粒物排放粒徑增大，但都小于40 nm。
 
圖8 進(jìn)氣壓力對顆粒物粒徑分布及不同粒徑段排放的影響
 
4、噴射策略的影響
噴射策略包括單次噴射、預(yù)主噴兩次噴射及主后噴兩次噴射，預(yù)噴比例及后噴比例選為10%以保證不過于影響熱效率，進(jìn)氣壓力為0.240 MPa、EGR 率為0以保證穩(wěn)定燃燒。圖9為不同噴射策略下的缸內(nèi)壓力和放熱率。著火開始時(shí)刻的順序依次為單次噴射、主后噴兩次噴射、預(yù)主噴兩次噴射，而放熱率峰值由高到低則呈相反的規(guī)律．缸內(nèi)最大壓力則是主后噴兩次噴射高于單次噴射及預(yù)主噴兩次噴射策略。這主要是由于小負(fù)荷時(shí)單次噴射更有利于形成可燃混合氣，主后噴兩次噴射先于預(yù)主噴兩次噴射著火是由于主后噴兩次噴射的主噴時(shí)刻早于預(yù)主噴兩次噴射的主噴時(shí)刻。預(yù)主噴兩次噴射策略由于整體燃油噴入缸內(nèi)時(shí)間較早，著火后放熱較集中，放熱率峰值高，然后依次為主后噴兩次噴射(主噴靠前)、單次噴射。
 
圖9 不同噴射策略對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響
圖10為不同噴射策略下的排放對比。單次噴射相對于兩次噴射能夠獲得較低的THC及CO排放，但同時(shí)NOx和碳煙排放較高，這主要是由于兩次噴射相對于單次噴射的混合氣混合更充分。圖11為不同噴射策略對顆粒物粒徑分布和顆粒物不同粒徑段排放的影響。圖11a中，預(yù)主噴兩次噴射策略及主后噴兩次噴射策略相對單次噴射能夠顯著降低顆粒物排放濃度峰值，并且主后噴兩次噴射策略的顆粒物排放濃度峰值更低。同時(shí)，兩次噴射策略的顆粒物排放粒徑分布的單峰曲線相對單次噴射更為平緩，預(yù)主噴兩次噴射顆粒排放粒徑分布更廣。預(yù)主噴兩次噴射一部分燃油在預(yù)噴射噴入缸內(nèi)，同時(shí)主噴時(shí)刻早于單次噴射，混合更充分，因而顆粒物排放相對減少；主后噴兩次噴射時(shí)，一方面，主噴時(shí)刻比較靠前，形成較高的燃燒溫度；另一方面，后噴入缸內(nèi)的燃油放熱加強(qiáng)了顆粒的后期氧化。圖11b中，預(yù)主噴兩次噴射策略中核態(tài)顆粒所占比例最小，單次噴射中核態(tài)顆粒所占比例最大；兩次噴射策略能夠顯著降低顆粒物排放總數(shù)量，其中主后噴兩次噴射降低顆粒物排放最為明顯。兩次噴射策略中50%及90%顆粒排放粒徑增大，其中預(yù)主噴兩次噴射策略粒徑更大，即顆粒物排放粒徑總體較大。
 
圖10 不同噴射策略對排放的影響
 
圖11 不同噴射策略對顆粒物粒徑分布及不同粒徑段排放的影響
 
結(jié)論
(1)正丁醇PPC小負(fù)荷工況引入小比例EGR能夠促進(jìn)著火，縮短滯燃期；在較小EGR率時(shí)，顆粒物排放粒徑分布曲線隨EGR率增大向較大粒徑偏移，主要是氧氣的減少阻礙顆粒物氧化成更小顆粒；較大EGR率時(shí)，由于滯燃期過長，缸內(nèi)溫度降低，使顆粒物數(shù)量減少，粒徑減小。
(2)隨噴射時(shí)刻提前，滯燃期先縮短，燃燒相位提前，缸內(nèi)燃燒溫度升高，導(dǎo)致顆粒物粒徑分布曲線先向大粒徑、高濃度偏移；噴射時(shí)刻繼續(xù)提前，此時(shí)滯燃期延長，燃燒相位推后，缸內(nèi)燃燒溫度降低，顆粒物粒徑分布曲線向小粒徑、低濃度移動(dòng)。
(3)進(jìn)氣壓力較低時(shí)，由于滯燃期較長、燃燒相位滯后，顆粒排放濃度低、粒徑分布范圍窄；增大進(jìn)氣壓力使滯燃期縮短，顆粒物粒徑分布向大粒徑偏移。
(4)相對單次噴射策略，后噴噴射促進(jìn)顆粒氧化，預(yù)主和主后兩次噴射策略都能夠顯著降低顆粒物排放濃度峰值及數(shù)量，主后兩次噴射策略在降低顆粒物排放方面的效果更明顯。
 
文獻(xiàn)來源及推薦閱讀
[1]陳鵬,鄭尊清,劉海峰,李藝漩,王海龍,堯命發(fā).正丁醇部分預(yù)混燃燒及其顆粒物排放特性試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2020,38(06):481-489.
《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》是由中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)主辦的國家級(jí)高級(jí)學(xué)術(shù)刊物，是國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計(jì)用刊，被工程索引(EI)等多個(gè)國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目” 能源與動(dòng)力工程類前列。 
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