试验用发动机为一台匹配有增压中冷的高压共轨四缸柴油机, 排放指标为国IV。试验过程采用开放式电控燃油喷射系统对喷油时刻、喷油压力、喷油量等参数进行在线调节。发动机的详细技术参数如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试验用发动机主要技术参数 Table 1 Engine specification 缸径× 行程/mm 93× 100 最大扭矩转速 /(r· min-1) 1800 进气方式 增压中冷 标定功率/kW 80 压缩比 17.2 标定转速 /(r· min-1) 3400 怠速转速 /(r· min-1) 850 最大扭矩/(N· m) 260 燃烧室形式 缩口ω 型 总排量/L 2.771 轨压/MPa 160 喷油器孔径/mm 0.126

表1 试验用发动机主要技术参数 Table 1 Engine specification

图1

Fig.1

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	图1 试验台架及测控系统示意图Fig.1 Schematic diagram of test bench and control system

图1为本文所用试验台架及测控系统的布置示意图。测控系统主要由如下设备构成:洛阳南峰机电设备公司生产的CW260程控式电涡流测功机; HORIBA 7100DEGR汽车排气分析仪; AVL439消光式烟度计; 日本小野数字油耗仪; 小野DS-9100燃烧分析仪; Kistler 6052C缸压传感器及Kistler 6124B编码器。其中, 编码器的采样分辨率为0.25 ℃A。

本文选取国IV低硫石化柴油和丁醇作为基础燃料, 按不同体积比进行配比, 获得具有不同理化特性的试验燃料。根据燃料中丁醇所占比例, 本文对试验燃料代号作如下定义:B0为纯柴油; B10为丁醇体积分数为10%的混合燃料; B30为丁醇体积分数为30%的混合燃料。试验用3种燃料理化特性参数如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 试验燃料理化特性 Table 2 Physical and chemical properties of test fuel 燃料理化特性 B0 B10 B30 十六烷值 51.1 47.6 42.5 低热值/(MJ· kg-1) 43.04 42.07 40.1 汽化潜热值(20 ℃) /(kJ· kg-1) 250 296.6 389.8 密度(20 ℃)/(g· cm-3) 0.84 0.837 0.831 运动黏度(20 ℃)/(mm2· s-1) 3.89 3.65 2.87 氧含量/% 0 2.1 6.2 硫含量/% 0.0038 0.0034 0.0027

表2 试验燃料理化特性 Table 2 Physical and chemical properties of test fuel

试验选取发动机稳态工况转速为最大扭矩转速1800 r/min, 平均指示压力(IMEP)分别为0.5和1.1 MPa, 分别对应发动机30%和75%负荷。为保证试验结果重复性, 试验过程中发动机机油及冷却水温度均稳定在85 ℃。

图2为燃用不同比例丁醇/柴油混合燃料时发动机的放热率和缸内压力对比。

图2

Fig.2

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	图2 丁醇掺入比例对缸压及放热率的影响Fig.2 Effect of butanol volumetric percentage on incylinder pressure and heat release rate

当IMEP为0.5 MPa时, 混合燃料B10和B30的缸压峰值均低于纯柴油燃料B0, B30放热率峰值高于B0和B10。同时, 与纯柴油相比, 在燃料中添加丁醇后, 缸内压力及放热率峰值相位随丁醇添加比例的增大有所推迟。当IMEP增大到1.1 MPa时, 3种试验燃料的放热率峰值和缸内压力峰值均较小负荷工况时有所升高, 燃烧持续期延长, 不同燃料的放热率曲线差距缩小。由图2(b)可以看出, 燃用大比例丁醇燃料B30时, 发动机的着火延长期比B10和B0燃料更长, 爆发压力更高, 着火时刻的放热率曲线斜率更大, 预混合燃烧特征更为明显。说明在燃料中添加丁醇后, 发动机着火延迟期增长, 更有利于着火前油气的充分混合, 燃烧过程中预混合燃烧比例随丁醇掺混比例的增大而明显增大。

图3为发动机的主要燃烧特征参数随混合燃料含丁醇比例的变化规律。

图3

Fig.3

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	图3 不同燃料主要燃烧特征参数对比Fig.3 Comparison of key parameters on combustion of different fuels

由图3(a)可见, 对于3种不同燃料, 着火延迟期均随负荷的增大有所缩短。但在相同工况下, 发动机着火延迟期随丁醇比例的增大而延长。丁醇/柴油混合燃料的着火延迟期长的主要原因为:一方面, 加入丁醇后, 混合燃料的十六烷值降低, 着火性下降; 另一方面, 因丁醇的汽化潜热大于柴油, 在蒸发过程中吸收的热量较多, 导致缸内温度下降较快, 反应热氛围变差, 燃烧滞后。相对于小负荷工况, IMEP=1.1 MPa时缸内温度较高, 蒸发过程对缸内热氛围影响程度减弱, 故大负荷工况下燃用丁醇/柴油混合燃料时着火滞后现象略有改善。另外, 在不同负荷工况下, 随丁醇掺入比例的增大, 燃烧持续期均缩短。特别是大负荷工况下, 与纯柴油相比, B30的燃烧持续期缩短了5 ℃A。主要原因在于, 燃料中添加了丁醇后滞燃期延长, 在滞燃期内形成的预混合气更多, 预混合燃烧比例增大, 扩散燃烧比例减小。同时因丁醇/柴油混合燃料的运动黏度更小, 油雾更细, 着火前燃料与空气接触面积更大, 有利于提高燃烧速率, 缩短燃烧持续期。

图3(b)为不同试验条件下, 发动机的指示燃油消耗率与指示热效率的数据对比。由图3(b)可见, 随着丁醇加入比例的增加, 发动机指示热效率下降, 指示燃油消耗率有所增加。这主要是因为与柴油相比, 丁醇/柴油混合燃料的热值较低, 又因丁醇的气化潜热较高, 导致循环放热量减少, 吸热量增加, 故发动机指示热效率下降。结果表明, 在IMEP为0.5和1.1 MPa的两种不同负荷条件下, 与纯柴油相比, 燃用B30燃料发动机指示燃油消耗率分别提高了12.8%和35.1%。以上因素也是造成在喷油参数不变的条件下, 燃用丁醇/柴油混合燃料时发动机动力性下降的最主要原因。

除燃烧关键参数外, 试验过程中还对燃用不同燃料时的发动机排放进行了采集。图4为丁醇添加比例对发动机排放的影响规律。与纯柴油燃料相比, B10及B30的碳烟排放明显减少, 相对于B0, B30燃料在IMEP为0.5和1.1 MPa条件下碳烟排放分别降低了63%和77%。碳烟排放降低的主要原因是:加入丁醇后, 燃料黏度及十六烷值下降。一方面喷油压力不变, 低黏度燃料的雾化质量更高; 另一方面, 因滞燃期延长, 燃料与空气在着火前能够实现更为充分的混合, 同时丁醇的加入使燃料自身含氧量提高, 有利于促进燃烧过程中碳烟粒子的氧化, 故碳烟排放降低。此外, 丁醇在燃烧初期发生的分解反应产生的大量-OH自由基与碳核前驱体乙炔(C₂H₂)反应时的活化能低, 进一步抑制了碳烟的生成。相对于小负荷工况, 大负荷工况缸内温度更高, 丁醇的降温作用效果减弱, 而其在增加混合气含氧量及提高雾化质量方面的效果增强, 故大负荷工况下碳烟排放降低得更为明显。

图4

Fig.4

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	图4 不同燃料排放特性对比Fig.4 Comparison of emission characteristics with different fuels

丁醇对NO_x排放的影响主要来自两个方面:一方面丁醇的气化潜热高, 燃烧反应初期缸内平均温度降低, 有利于抑制NO_x的生成; 另一方面, 丁醇的加入使燃料含氧量升高, NO_x的生成量增加。从图4可以看出, 在不同工况下, 以上两方面作用的效果不同, 从而导致丁醇混合燃料在不同负荷工况下对NO_x的影响存在一定的差异性:小负荷工况下, NO_x排放随着丁醇掺混比例的增大略有降低; 大负荷工况下, NO_x排放随丁醇的掺混比例的增大出现小幅上升。造成上述结果的主要原因是:在小负荷工况下, 缸内温度是影响NO_x排放的主要因素, 随着燃料中丁醇比例的增大, 缸内温度逐渐下降, 较低的温度抑制了NO_x的正向反应速率, 故NO_x排放随丁醇的添加比例增大有所下降; 在大负荷工况下, 发动机循环温度高, 燃烧过程含氧量成为影响NO_x排放的主导因素, 随燃料中丁醇体积分数的增大, 混合气的均匀性和燃料含氧量均所有提高, 故NO_x的生成量随燃料中丁醇体积分数的增大有小幅升高, 但不明显。

图4(a)还表明, 在不同条件下燃用丁醇/柴油混合燃料也会改变排气中CO和HC浓度, 但与NO_x和烟度相比, 变化较小。因大量现有研究对含氧燃料在影响CO及HC排放机理方面有较为透彻的分析, 本文对此不再赘述。

EGR是降低NO_x排放的有效机内净化措施之一, 其净化效果已得到广泛认可^{[21, 22]}。对于纯柴油而言, 较大的EGR率会导致碳烟排放急剧增加, 这也是制约大EGR率在压燃式发动机上应用的主要因素。根据本文前面所述试验结果可知, 燃用丁醇/柴油混合燃料可以实现在发动机NO_x排放基本不变的条件下, 显著降低发动机碳烟排放。这为采用较大EGR率来进一步降低发动机的NO_x排放提供了可能。本文对不同掺混比例的丁醇/柴油混合燃料在不同EGR率下的排放进行了系统的试验研究。

试验在IMEP为1.1 MPa工况下进行。因不同EGR率会导致发动机燃烧相位发生改变, 试验过程中通过改变喷油时刻调节燃烧相位, 从而保证了下文中所有测试结果所对应的3种CA50值在不同试验条件下均稳定不变。同时, 为了消除丁醇添加比例不同造成的燃料密度及热值变化对试验结果的影响, 本文采用了微调喷油脉宽的方法来保证各次试验中发动机计算循环放热量值相同。

图5为燃用B0、B10及B30燃料时发动机NO_x和碳烟在不同EGR率下的排放特性对比。

图5

Fig.5

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	图5 EGR率对不同燃料NOx及碳烟排放的影响Fig.5 Effect of EGR on NOx and smoke emissions

由图5(a)可见, 在试验所选取的3种不同EGR率下, B10和B30燃料的烟度排放明显低于纯柴油燃料B0。同时, 随着EGR率的增大, B0燃料的碳烟排放变化曲线的斜率明显高于B10和B30燃料, 说明EGR对丁醇/柴油混合燃料的碳烟排放影响与纯柴油相比较小。这主要是因为丁醇的黏度小于柴油, 有利于提高反应前燃料雾化质量, 同时燃料中加入丁醇后滞燃期延长, 燃烧过程中预混合比例增大, 较长的着火延迟期有益于减少缸内负氧的区域, 从而降低了碳烟排放对EGR的敏感度。

图5(b)为不同EGR率下燃用不同丁醇体积分数的混合燃料发动机的NO_x排放结果。由图可见, 在EGR率较低的情况下, 丁醇/柴油混合燃料的NO_x排放水平略高于纯柴油; 随着EGR率的增大, 3种试验燃料的NO_x排放均有所降低, 特别是B30燃料下降最为显著, 当EGR率由0增加到14.6%时, B30的NO_x排放降低了77.6%, 而B0的NO_x排放仅降低了69%。丁醇/柴油混合燃料在大EGR率下具有更为明显的降低NO_x排放的效果, 这主要是因为燃用纯柴油时尽管较大的EGR率降低了燃烧过程的氧浓度, 但同时也会促进缸内温度升高, 为NO_x的生成提供了有利的温度条件。而燃用丁醇/柴油混合燃料时, 特别是丁醇体积分数较大的混合燃料时, 丁醇的高汽化潜热抑制了大EGR率造成的燃烧初始期缸内的温度升高, 阻断了NO_x链式反应中NO的生成途径, 因此对于降低NO_x效果更为明显。

图6为不同EGR率下燃用不同混合燃料的经济性对比。

图6

Fig.6

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	图6 EGR率对不同燃料经济性的影响Fig.6 Effect of EGR on fuel economy with different fuels

由图6(a)可见:在CA50不变的条件下, 3种燃料的指示热效率均随EGR率的增大呈下降趋势。对比不同燃料可以发现:B10与B0在不同EGR率下的指示热效率基本相同, B30的指示热效率较B0、B10所有降低。相应地由图6(b)可见, 在各试验工况下B30混合燃料的燃油消耗率明显高于B0及B10燃料。结合之前的分析可知:一方面因丁醇的热值低于柴油, 在循环供油量相同的情况下, 混合燃料的循环放热量较低; 另一方面, 因丁醇的十六烷值低于柴油, 在燃料中添加丁醇后导致发动机着火延迟期延长, 着火过晚也会造成混合燃料的指示热效率下降。综上所述, 若在在发动机喷油时刻、油轨压力等喷油参数不变的情况下保证燃用丁醇/柴油混合燃料的发动机的动力性不变, 必须根据所添加的丁醇比例适当增加发动机的循环供油量。

为探究在不增加混合燃料循环供油量的前提下, 通过改变喷油参数在一定范围内实现发动机动力性、经济性恢复的可行性措施, 本文对EGR与燃烧相位协同控制方法的实现进行了试验研究。试验工况为:IMEP=1.1 MPa; 所用燃料为B30; EGR率为0~14.6%。对3种不同的CA50值进行了测试, 分别为5、10和12.5 ° CA ATDC。CA50的改变通过调节喷油正时获得。图7为B30在不同EGR率和燃烧相位(CA50)下燃油经济性的对比。

如图7(a)所示, 在相同EGR率下, 随CA50的提前, 发动机指示热效率有所提高。CA50位于5、10 ° CA ATDC时发动机指示热效率差别不大, 均高于CA50位于12.5 ° CA ATDC时的指示热效率。由图7(b)可见:随着指示热效率的提高, 发动机燃油经济性明显改善, 与CA50为12.5 ° CA ATDC相比, 燃烧放热中心前移至5、10 ° CA ATDC后, 发动机燃油消耗率明显下降, 这有利于补偿EGR率增大导致的燃油消耗率的升高。

图7

Fig.7

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	图7 EGR和燃烧相位对燃油经济性的综合影响Fig.7 Effect of combustion phase and EGR on fuel economy

图8为燃用B30燃料在不同EGR率和不同燃烧相位下排放特性的对比。

图8

Fig.8

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	图8 EGR和燃烧相位对燃油排放特性的综合影响Fig.8 Effect of combustion phase and EGR on emission characteristics

如图8所示, 对于烟度排放, 在EGR率未超过10%以前, 不同CA50下测得的发动机烟度均小于2%, 且随EGR率的增大无明显变化。对于NO_x排放, 当EGR率相同, CA50较小时, NO_x排放较高, 烟度较低。随EGR率的增大, NO_x排放明显降低, 其中当CA50为10 ° CA ATDC时NO_x排放最低。

由图7和图8可知, CA50位于上止点后5° ~10° 时, 发动机的动力性和燃油经济性最佳。同时, CA50位于上止点后10° , EGR率为10%时, 发动机NO_x和烟度的总体排放最低。上述试验结果表明:对于燃用较大比例的丁醇/柴油混合燃料(如B30), 通过合理调整燃烧相位与EGR率的匹配关系, 能够在发动机NO_x和烟度的总体排放水平较低的条件下, 恢复因燃用丁醇燃料造成的发动机指示热效率下降, 有利于改善发动机的燃油经济性。