肖合林，王 儒，曾鵬飛，侯貝貝

前言

隨著石油能源日益減少和排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，尋找可再生能源和降低內(nèi)燃機(jī)排放已成為當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。在我國(guó)，隨著汽車(chē)數(shù)量的增加汽車(chē)排放儼然成為城市環(huán)境污染的主要來(lái)源[1]。生物燃料作為清潔能源可有效地解決資源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題。

目前普遍使用的可再生燃料是生物柴油，生物柴油不僅具有與石化柴油相似的理化性質(zhì)而且還具有排放低的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。生物乙醇是另一種常用的替代燃料，其使用方法是與汽油或柴油按一定的比例混合[4]。但是，生物乙醇易溶于水、對(duì)金屬和橡膠件的腐蝕性限制了生物乙醇的使用。

近年來(lái)，隨著新型制備方法的出現(xiàn)，2-甲基呋喃(MF)作為替代燃料可通過(guò)果糖脫水和加氫的方法獲得[5]。第1步，果糖經(jīng)過(guò)脫水處理去掉3個(gè)氧原子生成5-羥甲基糠醛(HMF)，第2步，通過(guò)氫解作用去掉2個(gè)氧原子生成2-甲基呋喃。2-甲基呋喃具有理想的理化特性見(jiàn)表1。與生物柴油相比，2-甲基呋喃具有更低的黏度和更高的氧含量，使其更容易形成可燃混合氣并促進(jìn)混合氣的燃燒；與生物乙醇相比，2-甲基呋喃具有更低的汽化潛熱，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，更高的能量密度降低了2-甲基呋喃的燃油消耗；這些都使2-甲基呋喃成為一種具有光明前景的替代燃料。

表1 燃料的理化性質(zhì)

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已對(duì)MF的燃燒和排放特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]中在柴油機(jī)上對(duì)不同比例的2-甲基呋喃和柴油混合燃料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:與燃燒純柴油相比，混合燃料產(chǎn)生更高的熱效率，碳煙排放顯著降低，NOx排放隨MF摻混比例的增大而升高。文獻(xiàn)[7]中在一臺(tái)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上比較了MF、低比例汽油與MF混合燃料和純汽油的燃燒和排放特性。Matthias等[8]首先研究了MF在缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中混合氣的形成和燃燒性能，結(jié)果表明:與傳統(tǒng)汽油燃料相比，特別是在寒冷條件下，MF具有更好的燃燒穩(wěn)定性。綜上所述，MF具有較好的燃燒特性，而有關(guān)MF在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒的研究還很少。

柴油機(jī)采用廢氣再循環(huán)技術(shù)可明顯降低NOx排放[9]。柴油噴射提前角決定了混合燃燒系統(tǒng)的著火時(shí)間，對(duì)混合燃燒的性能尤其是工作粗暴性的影響極大[10]。本研究在一臺(tái)4缸4沖程增壓水冷直噴柴油機(jī)上，采用MF/柴油混合燃料研究噴油提前角和廢氣再循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響。

1 試驗(yàn)裝置與研究方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在一臺(tái)4缸4沖程水冷直噴柴油機(jī)上進(jìn)行，表2為發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)。噴油時(shí)刻和廢氣再循環(huán)由電控單元調(diào)節(jié)，本試驗(yàn)的EGR系統(tǒng)由EGR閥、電子控制單元和中冷器組成。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制EGR率。試驗(yàn)前，先對(duì)試驗(yàn)工況EGR閥門(mén)開(kāi)度所對(duì)應(yīng)的EGR率進(jìn)行了測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力由Kistler壓力傳感器測(cè)量，CB-466燃燒分析儀接收由電荷放大器放大的缸內(nèi)壓力信號(hào)。壓力數(shù)據(jù)每隔0.25°CA取一次樣，壓縮機(jī)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度。尾氣排放由AVL氣體分析儀測(cè)量，不透光煙度計(jì)測(cè)量碳煙排放，DMS500測(cè)量顆粒物排放。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)燃料為柴油與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的MF(柴油和MF的質(zhì)量比為4∶1，M20)的混合燃料。柴油由中國(guó)石化提供，MF由滕州宏立生物科技有限公司提供，純度為99%?；旌先剂犀F(xiàn)場(chǎng)配置。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 800r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為90N·m，保持不變，EGR閥門(mén)開(kāi)度分別為0，20%，50%，80%和100%，表3為EGR閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的EGR率，主噴提前角由上止點(diǎn)前2.5°CA開(kāi)始以5°CA間隔提前到上止點(diǎn)前22.5°CA，冷卻水和機(jī)油溫度均維持在85℃，進(jìn)氣溫度為15℃，進(jìn)氣壓力為0.11MPa，以此探究EGR和噴油時(shí)刻對(duì)燃用M20混合燃料柴油機(jī)的燃燒和排放的影響。

表3 EGR閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的EGR率 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

MF作為含氧燃料，燃燒速率較快，缸內(nèi)燃燒溫度較高，通過(guò)廢氣再循環(huán)技術(shù)能在傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒模式下降低進(jìn)氣的氧濃度，從而降低缸內(nèi)溫度，起到改善NOx排放的效果。燃料與空氣的混合程度直接受?chē)娪驼龝r(shí)的影響，因此，合適的EGR率和噴油正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放尤為重要。

2.1 缸內(nèi)壓力與放熱率

圖2為噴油正時(shí)在 7.5°和 17.5°CA BTDC時(shí)EGR閥門(mén)開(kāi)度對(duì)M20缸內(nèi)壓力和放熱率的影響曲線。由圖可見(jiàn)，隨著EGR閥門(mén)開(kāi)度的增加缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值均逐漸下降。缸內(nèi)燃料的燃燒主要受氧濃度和溫度的影響，隨著EGR率的增大，進(jìn)氣比熱容增加而氧濃度降低，缸內(nèi)壓縮溫度下降；此外，EGR中的惰性氣體對(duì)氣缸內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率具有阻滯作用，這些因素都導(dǎo)致缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值的降低。

圖2 不同EGR閥門(mén)開(kāi)度對(duì)缸壓放熱率的影響

由圖2(a)和圖2(b)的對(duì)比可知:噴油正時(shí)為17.5°CA BTDC的缸內(nèi)壓力峰值明顯高于噴油正時(shí)為7.5°CA BTDC時(shí)的缸內(nèi)壓力峰值，原因是當(dāng)噴油正時(shí)為17.5°CA BTDC時(shí)，燃燒主要發(fā)生在上止點(diǎn)附近，定容燃燒增加，缸內(nèi)燃燒壓力升高；噴油正時(shí)為7.5°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)明顯的雙峰，這是由于在此工況下M20的滯燃期延長(zhǎng)，氣缸內(nèi)形成的預(yù)混合可燃?xì)庠龆啵A(yù)混合燃燒階段的壓力、溫度升高，出現(xiàn)明顯的雙峰。

2.2 滯燃期與燃燒持續(xù)期

在本次研究中，滯燃期定義為從噴油時(shí)刻起到燃料燃燒10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔，燃燒持續(xù)期定義為從燃料燃燒10%到燃料燃燒90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔。

圖3為M20滯燃期隨EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)變化的規(guī)律曲線。由圖可知:在相同噴油正時(shí)下，隨著EGR閥門(mén)開(kāi)度的增加，滯燃期延長(zhǎng)；在相同EGR閥門(mén)開(kāi)度下，隨著噴油正時(shí)的提前，滯燃期先縮短后延長(zhǎng)，并在17.5°CA BTDC時(shí)達(dá)到最短。

圖3 M20不同EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)滯燃期的影響

隨著EGR閥門(mén)開(kāi)度的增加，進(jìn)氣氧濃度下降，惰性氣體濃度上升，進(jìn)氣比熱容增大，缸內(nèi)溫度降低，滯燃期延長(zhǎng)。當(dāng)噴油時(shí)刻為22.5°CA BTDC時(shí)，其滯燃期相對(duì)17.5°CA BTDC的滯燃期有所延長(zhǎng)，這是因?yàn)樵?2.5°CA BTDC噴油時(shí)刻下缸內(nèi)溫度壓力較低，混合燃料達(dá)到著火的時(shí)刻相對(duì)延長(zhǎng)，滯燃期因此延長(zhǎng)；當(dāng)噴油時(shí)刻靠近上止點(diǎn)時(shí)，即使缸內(nèi)溫度和壓力較高，但作用時(shí)間縮短，著火前活塞已經(jīng)下行，滯燃期仍會(huì)延長(zhǎng)。由曲線的變化趨勢(shì)可以得出:在17.5°CA BTDC附近存在最短的滯燃期。

EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)混合燃料燃燒持續(xù)期的影響如圖4所示。與滯燃期的變化趨勢(shì)相反，M20的燃燒持續(xù)時(shí)間隨噴油正時(shí)的提前呈先增大后減小的趨勢(shì)。在同一噴油正時(shí)下，隨著EGR率的增大燃燒持續(xù)期逐漸降低，這是因?yàn)?加入EGR之后滯燃期延長(zhǎng)，油氣混合更加均勻，預(yù)混合燃燒充分并促進(jìn)了M20的擴(kuò)散燃燒；根據(jù)Donahue和Foster[11]的研究，在噴霧階段，混合燃料中的氧元素能降低熱解并促進(jìn)氧化，燃燒持續(xù)時(shí)間因此縮短。

圖4 M20不同EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)燃燒持續(xù)期的影響

2.3 CO排放

EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)CO排放的影響如圖5所示。CO是碳?xì)淙剂显谌紵^(guò)程中生成的主要中間產(chǎn)物[12]，汽車(chē)排放污染物中的CO是燃油在氣缸內(nèi)燃燒不充分所致。噴油時(shí)刻從2.5°提前到7.5°CA BTDC時(shí)，CO排放急速下降至很低水平，噴油時(shí)刻從7.5°提前至17.5°CA BTDC時(shí)，CO排放徐緩降至零；在2.5°-12.5°CA BTDC范圍內(nèi)時(shí)，隨著EGR率的增加，CO排放量逐漸升高，當(dāng)噴油提前角大于17.5°CA時(shí)，CO排放都保持為零，與 EGR率無(wú)關(guān)。

圖5 M20不同EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)CO排放的影響

CO形成的條件是低溫缺氧，EGR率增大，氣缸內(nèi)惰性氣體濃度增加，氧氣含量降低，不利于CO的氧化；當(dāng)噴油時(shí)刻靠近上止點(diǎn)時(shí)，燃燒主要發(fā)生在活塞下行階段，較低的燃燒溫度為CO的形成提供了低溫條件；噴油提前角較大時(shí)，燃燒主要發(fā)生在上止點(diǎn)附近，缸內(nèi)燃燒溫度、壓力升高，燃燒產(chǎn)生的不完全燃燒產(chǎn)物減少，CO排放降低；此外，混合燃料中的MF作為含氧燃料能降低燃燒過(guò)程的局部當(dāng)量比并促進(jìn)CO的氧化。

2.4 NO x排放

圖6為NOx排放隨EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)變化的規(guī)律曲線。由圖可知:在同一噴油正時(shí)下，隨著EGR閥門(mén)開(kāi)度的增加，NOx排放呈下降的趨勢(shì)；隨著噴油正時(shí)提前，NOx排放呈上升趨勢(shì)。這說(shuō)明:推遲噴油和廢氣再循環(huán)有利于降低NOx排放。高燃燒溫度、高氧濃度和較長(zhǎng)的高溫燃燒反應(yīng)時(shí)間是促進(jìn)NOx生成的主要因素。隨著EGR率的增加，惰性氣體濃度增加，氧濃度含量降低，燃燒溫度降低，抑制了NOx的生成，燃燒持續(xù)時(shí)間縮短，NOx在高溫燃燒條件下的生成反應(yīng)減少，也降低了NOx排放。

圖6 M20不同EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)NO x排放的影響

在相同的EGR閥門(mén)開(kāi)度下，不同的噴油時(shí)刻會(huì)造成缸內(nèi)燃燒溫度的不同，噴油提前角較大時(shí)，燃燒主要發(fā)生在上止點(diǎn)附近，缸內(nèi)的燃燒溫度、壓力升高，促進(jìn)了NOx排放，此外，MF中的氧元素對(duì)NOx排放也起到促進(jìn)作用。本研究表明:適當(dāng)?shù)腅GR率和噴油正時(shí)對(duì)降低柴油-MF混合燃料的NOx排放具有顯著意義。

2.5 碳煙排放

EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)碳煙排放的影響如圖7所示。由圖可知:除100%EGR閥門(mén)開(kāi)度、噴油正時(shí)為2.5°CA BTDC工況下，碳煙排放保持在較低的水平，這說(shuō)明:混合燃料對(duì)降低碳煙排放具有顯著的效果。文獻(xiàn)[13]中表明，混合燃料中的氧含量與碳煙的降低有很強(qiáng)的相關(guān)性。碳煙的生成主要發(fā)生在擴(kuò)散燃燒階段，MF的加入會(huì)延長(zhǎng)混合燃料的滯燃期，并促進(jìn)了預(yù)混合燃燒，較少的混合燃料燃燒發(fā)生在擴(kuò)散燃燒階段，降低了碳煙的生成。MF中的氧元素可促進(jìn)燃燒階段碳煙以及碳煙先驅(qū)體的氧化，降低碳煙排放。

圖7 M20不同EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)碳煙排放的影響

隨著EGR閥門(mén)開(kāi)度的增大碳煙排放有所增加，這是因?yàn)檩^低的氧濃度和燃燒溫度不利于碳煙的氧化。當(dāng)噴油時(shí)刻為靠近上止點(diǎn)的2.5°CA BTDC和EGR閥門(mén)開(kāi)度為100%工況下，碳煙排放出現(xiàn)明顯升高，這是因?yàn)?在較高的EGR率下，氧濃度很低，燃燒不充分；此外，在較遲的噴油時(shí)刻下，燃燒發(fā)生在膨脹行程，遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，燃燒溫度降低；這兩方面的原因?qū)е螺^高的碳煙排放。

2.6 碳煙顆粒尺寸分布

EGR閥門(mén)開(kāi)度對(duì)碳煙顆粒尺寸分布函數(shù)(PSDF)的影響如圖8所示。當(dāng)噴油時(shí)刻為7.5°CA BTDC時(shí)，增大EGR可以明顯降低顆粒物數(shù)量，這是因?yàn)?EGR的增大會(huì)導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，而在有利于碳煙顆粒生成的擴(kuò)散燃燒階段的燃燒持續(xù)時(shí)間縮短，更低的燃燒溫度也會(huì)抑制碳煙顆粒的氧化；而噴油時(shí)刻為17.5°CA BTDC時(shí)，EGR對(duì)降低顆粒數(shù)量的效果不明顯，滯燃期的縮短和擴(kuò)散燃燒程度的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致小顆粒的凝結(jié)和聚集，從而產(chǎn)生更多的大顆粒物。

圖8 不同EGR閥門(mén)開(kāi)度對(duì)碳煙顆粒尺寸分布的影響

當(dāng)顆粒尺寸大于300nm，EGR率為0時(shí)，碳煙顆粒的數(shù)目很少，EGR對(duì)大顆粒排放的影響較大，這是因?yàn)?在EGR的影響下，更多的小顆粒物凝結(jié)和聚集并產(chǎn)生更大的碳煙顆粒；此外，EGR的廢氣中含有上一循環(huán)的碳煙粒子，本循環(huán)生成的碳煙更容易聚集沉淀在這些顆粒物上面，使顆粒尺寸進(jìn)一步增大，因此，在EGR的影響下會(huì)出現(xiàn)顆粒尺寸大于300nm的情況。

2.7 碳煙顆粒數(shù)量濃度

圖9為碳煙顆粒數(shù)量濃度隨噴油正時(shí)和EGR開(kāi)度變化的柱狀圖。噴油正時(shí)為2.5°-12.5°CA BTDC時(shí)，隨著EGR率的增加，顆粒物數(shù)量濃度明顯降低；而在噴油正時(shí)為17.5°和22.5°CA BTDC時(shí)，EGR的加入對(duì)顆粒物數(shù)量濃度的影響較小。顆粒物的數(shù)量濃度主要受峰值顆粒數(shù)的影響，噴油正時(shí)為7.5°CA BTDC時(shí)，無(wú)EGR影響時(shí)的顆粒數(shù)量濃度最高，隨著EGR閥門(mén)開(kāi)度的增大顆粒物的數(shù)量逐漸降低，滯燃期和燃燒溫度對(duì)顆粒數(shù)量的降低起到關(guān)鍵作用。

圖9 M20不同EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)碳煙顆粒數(shù)量濃度的影響

2.8 碳煙顆粒質(zhì)量濃度

碳煙顆粒質(zhì)量濃度隨噴油正時(shí)和EGR開(kāi)度的變化曲線如圖10所示。由圖可知:碳煙顆粒質(zhì)量濃度隨噴油正時(shí)變化總的趨勢(shì)是隨著噴油正時(shí)提前，碳煙顆粒質(zhì)量濃度先增高后降低；而其隨EGR開(kāi)度的變化，卻未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，噴油時(shí)刻靠近上止點(diǎn)時(shí)，在EGR的影響下，顆粒質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)；而噴油時(shí)刻在 12.5°-22.5°CA BTDC范圍時(shí)，在EGR的影響下顆粒質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)。顆粒質(zhì)量濃度主要受大尺寸顆粒的影響，噴油正時(shí)為7.5°CA BTDC時(shí)，EGR可明顯降低尺寸為 100～300nm的碳煙顆粒數(shù)量，而噴油正時(shí)為17.5°CA BTDC時(shí)，EGR對(duì)尺寸為100～300nm的碳煙顆粒的影響不明顯。

圖10 M20不同EGR閥門(mén)開(kāi)度和噴油正時(shí)對(duì)顆粒質(zhì)量濃度的影響

3 結(jié)論

(1)隨著EGR增大，MF-柴油混合燃料柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值逐漸下降；噴油正時(shí)為17.5°CA BTDC時(shí)的缸內(nèi)壓力峰值明顯高于噴油正時(shí)為7.5°CA BTDC時(shí)的缸內(nèi)壓力峰值。

(2)相同的噴油正時(shí)下，增大EGR，滯燃期延長(zhǎng)；在相同的EGR閥門(mén)開(kāi)度下，隨著噴油正時(shí)的提前，滯燃期先縮短后延長(zhǎng)，并在17.5°CA BTDC時(shí)達(dá)到最短。MF-柴油混合燃料柴油機(jī)的燃燒持續(xù)期與滯燃期呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。

(3)增大EGR，CO排放逐漸升高，當(dāng)噴油提前角大于17.5°CA BTDC時(shí)，CO排放幾乎為零。

(4)推遲噴油和廢氣再循環(huán)可明顯降低NOx排放；MF-柴油混合燃料對(duì)降低柴油機(jī)碳煙排放具有顯著的效果。

(5)噴油時(shí)刻靠近上止點(diǎn)，EGR可降低碳煙顆粒質(zhì)量濃度，噴油提前角較大時(shí)，EGR使顆粒質(zhì)量濃度升高。