含有甲醇、乙醇和丁醇的汽油机混合燃料试验研究
1 燃料具有不增加排放的自由度
3 试验研究载体
表1 单缸试验发动机技术数据
采用6孔电磁阀式喷油器以高达20MPa的喷油压力进行燃油喷射。 为了进行废气测量从排气歧管提取部分体积流量的废气,并借助于下列测量系统来分析废气成分:
碳氢化合物(HC): 火焰电离分析仪(Rosemout NGA 2000);
氧( O 2):顺磁式氧分析仪(Rosemout NGA 2000);
一氧化碳(CO):红外线气体分析仪(Rosemout NGA 2000);
二氧化碳(CO):红外线气体分析仪(Rosemout NGA 2000);
氮氧化物(NOx):化学荧光分析仪(Eco Physics 700 EL ht)。
为了测定碳烟排放,通过背压节流阀在0.1013 MPa压力水平下提取部分体积废气,并引至烟度仪(AVL 415s),用博世(FSN)黑烟度定量测量烟度。 单缸试验发动机燃油系统中应用的密封件均由聚四氟乙烯(PTFE)和全氟醚橡胶(FFKM)制成的,这些材料与试验燃料接触时不会发生膨胀,而对于三元乙丙橡胶(EPDM)、氟橡胶(FKM)和丁晴橡胶(NBR),在前述工作中就已查明该类材料难以发生膨胀。
4 单缸试验发动机的试验结果
图3示出了根据可达到的50% 燃料转换点,在2 500 r/min转速下2种不同负荷工况点时的各种不同燃料的抗爆性。 为了评价混合燃料,应用常规的RON 98燃料作为基准燃料,其采用与混合燃料相同的压缩比13.0进行试验。 当50% 转换点能在最佳燃烧重心位置点火上止点后7~8°CA范围内实现时,燃料即已显示出较高的抗爆性,随之可达到尽可能高的效率。 如图3所示,在平均指示压力 p mi=1.2 MPa的负荷工况下没有哪种燃料会受到爆震限制。 因为基准燃料采用与混合燃料相同的压缩比进行试验,采用混合燃料的效率仅能提高1%,因而其并非是决定性因素,其中甲醇的效率明显比基准燃料提高了7%,这一方面是由于层状火焰传播速度较高,从而缩短了着火滞后和燃烧持续时间的结果,但是更重要的是较高的蒸发焓带来的效果,由此得到的更低的气体温度并减小了压缩功和壁面热损失。 混合燃料之间的差异同样也是由不同的蒸发焓所造成的。 因为 NO x的形成是由燃烧室中的气体温度所引起的,与基准燃料相比,4种组分因绝热火焰温度较低而产生较低的 NO x排放,再与较高的蒸发焓相结合,特别是甲醇,以此能使 NO x排放显著降低。 混合燃料较大的汽化冷却作用使燃烧温度有所降低,并加剧了不完全燃烧增现象的出现,从而导致了HC排放略有增加。 当然,与混合燃料相比,甲醇因其含碳量减少了56% 以及层状火焰较高的传播速度而使HC排放明显降低。
在 pmi =1.8 MPa的负荷工况下,混合燃料因具有较高的抗爆性而提高了效率。采用RON98基准燃料运行时可达到的最大负荷为 pmi =1.8 MPa,50% 转换点位于点火上止点后28°CA,然而10种混合燃料的50% 转换点位于点火上止点后14~18°CA。10种混合燃料具有的最大 pmi可达2.4~2.7 MPa,其中轻微的差异可归因于不同的辛烷值和蒸发焓,与基准燃料相比,这就导致了使用M3E20燃料时效率提高12.6%,而在甲醇情况下效率甚至能提高23.5%,因为纯组分即使在 pmi=1.8 MPa时仍能达到点火上止点后7.6°CA的最佳燃烧重心位置。尽管2B40和iB40混合燃料的正丁醇和异丁醇40%的混合份额相对较高,但是因RON和蒸发焓比甲醇和乙醇低,其效率仅能提高11%。在相同的醇类含量20%的情况下,E20、M15E5和M5E15混合燃料都达到了使用M15E5时的最高效率,因为M15E5混合燃料中的甲醇含量是最高的。
为了评价在发动机冷起动边界条件下的混合气形成,除了在2 500 r/min的转速下调整负荷之外,所有10种混合燃料和基准燃料以及甲醇的试验还在1 200 r/min和pmi =0.3 MPa典型的催化转化器加热的运行工况点进行。 作为边界条件发动机机油温度和冷却水温度被调整到30 ℃。 此外,将相同的点火时刻(ZZP)、相同的喷油始点(EB)以及具有恒定喷油持续时间(t i2 )的与点火相关的喷油作为试验的基础,如图4所示。 甲醇的燃烧持续期导致了良好的燃烧稳定性,其平均指示压力变化系数(COV pmi )较小,而正丁醇含量较高(分别为15%和40%)的混合燃料则显示出稍高的 COV pmi、略高的HC排放和较长的燃烧持续期,这与组分的沸点较高有关。 在采用甲醇的情况下,因其蒸发焓高、蒸汽压低、空气需求量较少以及由此引起的需求燃料的体积提高而出现明显的气缸壁面润湿现象,因而在排气阶段期间甲醇就从气缸壁面上的机油膜部分解出来,直接导致HC排放有所增加。 与基准燃料相比,由于混合燃料的蒸发冷却作用要高出约21%,因而能降低 NO x排放。 尽管混合燃料的蒸发冷却作用有所提高并由此降低了废气温度,但是在燃烧稳定性有所恶化的情况下,仍有足够的废气热流量以确保 COV pmi。
甲醇的燃烧明显更为稳定,当然其仅能获得2 kJ/s以及相对较小的废气热流量。因为甲醇在点火上止点后25°CA点火时刻时的废气热流量处于与基准燃料和混合燃料在点火上止点后15°CA点火时刻时的相同水平上,因此基于废气热流量的增加与点火时刻之间的线性关系,随着点火角的进一步调整,废气热流量就能达到约3 kJ/s。
5 结论和展望
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