英语原文共 10 页

正丁醇/柴油混合物对轻型发动机部分预混燃烧和排放特性的影响

Xiaobei Cheng, Shuai LI, Jin Yang, Shijun Dong, and Zufeng Bao

摘要：PPCI 是一种通过延长滞燃期，使燃油和空气在着火之前充分混合的部分预混合压燃，其具有同时降低NOx和烟尘排放并提高热效率的潜力。正丁醇作为一种清洁和可再生的生物燃料，由于其十六烷值低，挥发性高的燃料特性，可有效延长着火延迟期并增强燃料和空气混合，使其成为实现PPCI的更好的替代燃料。在本文中，通过基于单次喷射调节喷射正时和EGR率来实现以正丁醇-柴油混合物为燃料的增压四缸柴油发动机中PPCI燃烧。结果表明，早期和晚期喷射均具有较长的预混时间，有利于形成更均匀的混合物，在放热率曲线中未发现扩散燃烧。预混燃烧和低温燃烧是降低PM和NOx的关键因素。随着混合比的增加，碳烟排放量最大可减少70％，而NOx在低负荷率下略有增加。同时，由于更高的热效率，等效的BSFC减少。有意义的是，当使用高混合比时，可以在较低的喷射压力和EGR率下，实现PPCI燃烧而不会额外的消耗燃料。然而，当负载率增加时，由于短的着火延迟期，燃料的预混燃烧部分明显减少。但即使在高负荷率下，高混合比的燃料的预混燃烧部分仍然高于纯柴油，这表明正丁醇-柴油混合物更有利于扩大PPCI操作条件。

0引言

柴油发动机由于其可靠性，耐用性和高燃料效率而在生活中被广泛使用，然而，其高NOx和烟尘排放对环境非常有害。为了满足越来越严格的排放法规，研究人员渴望找到减少排放的各种手段，包括开发先进的喷射设备，复杂的废气后处理系统和新的燃烧模式等。近年来，一些新的燃烧机制已被研究，比如HCCI（均质充量压缩着火）[1,2,3,4]，PCCI（预混充量压缩着火）[5,6,7]和PPCI（部分预混燃烧着火）[8,9,10,11]。对于HCCI燃烧，通过均匀稀薄燃烧降低温度，实现低烟度和NOx发动机排放，但是，它受到着火正时的精确控制的限制。PCCI是一种新型燃烧，主要通过多次喷射形成预混电荷，同时还可以减少NOx和烟尘排放。在PPCI燃烧中，所有的燃料几乎在燃烧开始之前喷射，以便更好地预混合空气和燃料，当与合适的EGR结合时，使NOx和烟尘排放的大幅减少。另一个优点是它可以有效地将着火正时与喷射正时相结合，以更好地控制燃烧过程。

为了实现PPCI燃烧，获得足够长的着火延迟期十分重要。有许多方法可以延长柴油燃烧的着火延迟期，例如降低压缩比，使用高EGR水平，早期直接喷射，后期直接喷射和燃料特性[12]。酒精作为一种清洁和可再生的生物燃料[13]由于其十六烷值低，燃料特性波动性高，可有效延长着火延迟期，增强燃料/ 空气混合。在不使用更高的EGR率和喷射压力的情况下，有利于实现部分预混燃烧。与甲醇和乙醇相比，正丁醇可以在常温下以任何体积分数与柴油混合。并且它具有比乙醇更高的能量密度，这可以保持操作条件更稳定。而且，润滑性也高于乙醇，更适用于高压共轨燃油喷射系统。因此，正丁醇被认为是与柴油燃料更合适的混合组分，特别是在实现部分预混燃烧中。

科学文献报告了几项实验研究，以评估正丁醇-柴油混合物在不同发动机运行条件下的性能，废气排放和燃烧性能的影响。CAJ Leermakers等[14]研究了部分预混燃烧方案中不同的正丁醇-柴油混合比对排放和效率的影响。结果表明，即使在低喷射压力下，正丁醇体积分数的增加也可降低烟尘排放，并且在较高负载条件下扩散燃烧比例增加。此外，在适度的正丁醇-柴油混合物中可以获得更高的效率。宣峰等[15]研究了喷射正时和EGR率对由正丁醇-柴油混合物驱动的发动机燃烧和排放性能的影响。结果表明，添加到柴油中的正丁醇能够著降低烟尘排放，而NOx排放的变化取决于正丁醇含量和发动机的操作条件。SS Merola等[16]通过紫外-可见数字成像和自然发射光谱研究了配备共轨喷射系统的单缸发动机的喷雾燃烧和污染物形成。

实验中使用的燃料是20％正丁醇混合物。光学研究表明，正丁醇混合物促进了燃烧室中更快的形成和更高的OH浓度。这种效应引起烟灰氧化阶段的推进，该阶段在早期注入条件下确定了类似无烟燃烧。

柴油发动机中的PPCI是常规柴油燃烧和均质充量压缩着火（HCCI）燃烧之间的燃烧模式，其燃料在燃烧开始之前部分预混合。

但是燃料的混合并不均匀。在本文中，基于单次喷射实现了由正丁醇-柴油混合物作为燃料的增压四缸轻型柴油发动机中的PPCI燃烧。采用的策略主要集中在喷射开始，采用合适的喷射压力和适当的EGR率，以实现更长的着火延迟。通过研究燃料的特性，如十六烷值，燃料中的氧含量对PPCI燃烧和排放性能的影响，以减少NOx和烟尘排放。

1实验装置和方法

本研究使用的发动机是涡轮增压，4缸轻型柴油发动机，发动机规格列于表格1，实验装置的一般草图如图所示图1。喷射系统和主发动机参数由ECU控制；喷射压力，间隔和定时等参数由PC使用INCA软件设定，该软件提供灵活的测量管理工具。通过传感器KISTLER 6125C01检测气缸压力，并且以0.1°CA的间隔收集每个操作点上的100个循环用于燃烧分析。在实验过程中，氢火焰离子化检测器（HFID），非分散红外分析仪（NDIR），化学发光检测器（CLD）分别用于测量HC，CO和NOx排放。使用AVL 4000烟度计测试烟雾水平。

图1实验引擎设置的草图

表格1发动机规格

燃料特性：在测试中使用三种不同的燃料：市售的0＃柴油（B00），两种正丁醇-柴油混合物。按体积比计，混合比例为9： 1和7：3的（柴油：正丁醇），分别表示为B10和B30。柴油B00， B10，B30和正丁醇B100的主要特点可以在表2。十六烷值和运动粘度值通过Zoldy等人提出的以下等式计算[17]。

其中和是指混合燃料的动力粘度和柴油燃料的动力粘度， 和是指混合燃料的十六烷值和柴油燃料的十六烷值。（％）是混合燃料中正丁醇的体积比。可以看出，随着共混比的增加，十六烷值，热值，密度，粘度逐渐下降，而氧含量，H / C比，汽化潜热增加。

表2柴油B00，B10，B30和B100的主要特性

试验方法：本实验是主要研究正丁醇-柴油混合物，喷射时间和压力，负荷率对燃烧和排放性能。发动机转速设定为1500r / min，选择三种负荷率（低，中，高），制动平均有效压力（BMEP）分别为0.43MPa，0.86MPa和1.12MPa。在低负荷条件下研究了不同混合比的燃烧放热和排放，燃料喷射压力固定在100MPa，EGR率为23％。此外，研究了中等负荷下的喷射压力（100MPa，120MPa，140MPa）的对燃烧和排放性能的影响。为了减少其他因素的影响，冷却水温度，进气温度和压力应尽可能保持恒定。本研究中探讨的操作范围的细节总结如下表3。在本文中，着火延迟定义为CA10（累计放热量为总放热量的10％的曲轴转角）和注入开始（SOI）之间的差值，由INCA软件调整。等效燃料消耗量通过以下公式计算：

和是正丁醇-柴油混合物和柴油的热值，和

分别代表燃料有效消耗和等效燃料消耗。

表3发动机运行条件的总结

2结果与讨论

2.1混合比对燃烧和排放的影响

图2显示了各种燃料混合物在不同SOI下的气缸压力和热释放率。对于所有燃料混合物，随着SOI延迟，峰值气缸压力下降，而预混合峰值热释放率首先降低，但随后呈现增加趋势。这可归因于常规喷射正时的短着火延迟期，预混燃烧仅占很小的比例。在这种情况下，燃烧速率和耐久时间取决于一些物理过程，如热量，质量传递和反应的扩散混合，使峰值热释放率低

资料编号：[3406]

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