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正丁醇部分预混燃烧及其颗粒物排放特性试验
2020-12-09 22:50:14· 来源：内燃机学报
在能源与环境备受关注的形势下，内燃机作为能源消耗的大户和大气污染物的重要来源之一，其节能减排意义重大。为此，需要开发更高效清洁的内燃机燃烧新技术，同时
在能源与环境备受关注的形势下，内燃机作为能源消耗的大户和大气污染物的重要来源之一，其节能减排意义重大。为此，需要开发更高效清洁的内燃机燃烧新技术，同时，寻找适合的生物质替代燃料以实现燃料多元化也是重要途径之一。正丁醇作为生物质燃料替代柴油实现燃料多元化时，虽然具有较高热效率及较低的碳烟排放，但颗粒物数量可能较高。基于此，笔者针对正丁醇部分预混燃烧（PPC）小负荷工况，重点开展颗粒物排放特性的试验研究，研究EGR、进气压力及喷射策略等对正丁醇PPC及颗粒物排放浓度、粒径分布的影响规律，以期为正丁醇PPC颗粒物排放控制和高效清洁燃烧组织提供参考。
1、试验装置与试验方法
试验发动机是一台由高压共轨6缸柴油机改造的单缸试验机，第6缸为试验缸，采用独立的进/排气系统及燃油喷射系统。图1为试验台架示意，主要包括单缸试验发动机、测功机、进气温度控制系统、模拟进气增压系统、高压共轨燃油系统及缸压采集和燃烧分析系统。发动机进气增压由外部压气机模拟，EGR率通过调节背压阀进行控制，进气压力通过调节压气机出口旁通阀的开度进行控制。喷油量、喷油时刻和喷油压力等参数通过开放式电控单元(ECU)可以灵活调节。
图1 试验台架布置示意
定义颗粒物粒径小于30 nm的为核态，大于30 nm为积聚态。试验前对比了正丁醇PPC与柴油压燃燃烧颗粒物排放特点，发现相比于柴油压燃燃烧，正丁醇PPC颗粒物排放数量远远高于柴油，很大范围粒径的颗粒物浓度相差近一个数量级，且颗粒物排放粒径小。为此将探究降低正丁醇PPC颗粒物排放策略。本期推文首先研究EGR及喷射时刻对正丁醇PPC小负荷燃烧和颗粒物排放特性的影响，并重点研究其对颗粒物排放浓度及粒径分布特性影响的规律，然后研究进气压力及喷射策略(单次喷射、预主喷及主后喷两次喷射策略)对颗粒物排放浓度及粒径分布的影响，从而探索降低正丁醇PPC颗粒物排放的控制策略。
2、EGR及喷射时刻的影响
试验固定进气压力为0.24 MPa，以保证能够在此喷油油量下稳定着火燃烧。文中SOI为喷油时刻，pin为进气压力，进气压力为绝对压力。图2为SOI 为-18°CA ATDC时不同EGR率下的缸内压力和放热率。图3为不同EGR 率及喷射时刻对滞燃期和CA 50的影响。图4为EGR率及喷射时刻对正丁醇PPC排放的影响。
图2中，相对EGR率为0，引入EGR率为5%和10%时燃烧放热开始时刻提前，放热率峰值增大，最大缸内压力升高；当EGR率进一步增加到20%，燃烧放热时刻滞后，放热率峰值降低。这主要是由于EGR对滞燃期的影响，引入5%、10%小比例EGR后，滞燃期缩短，尤其在EGR率为5%时最为明显(图3a)。主要是由于引入较小比例EGR时，废气中燃烧后活性较高的产物重新进入缸内，促进了燃油的着火燃烧，缩短了滞燃期。如图2所示，5%及10%EGR率时，其在高温放热前都有很明显的前期中温放热(a段与b段)准备阶段，从而促进燃烧着火。另一方面，EGR的引入也减少了氧浓度，从而阻碍燃油放热反应，因而EGR率为5%时燃油在前期放热更明显，放热量更多，所以放热率峰值较EGR率为10%时低；在EGR率为20%时，EGR的作用已经大于废气中活性物质促进着火燃烧的作用，燃烧放热滞后，滞燃期延长，形成了更加稀的混合气，放热率峰值也降低。
图2 EGR率对缸内压力和放热率的影响
图3 EGR率及喷射时刻对滞燃期及CA 50的影响
图4中，EGR率为10%时，主喷时刻迟于-16°CA ATDC的NOx排放较无EGR低，而在之前其高于无EGR情况。EGR虽然有降低NOx排放的作用，但在主喷时刻早于-16°CA ATDC时，EGR率为10%的CA 50相对无EGR提前，因而NOx排放较高，同样EGR率为5%时的NOx排放在主喷时刻较早时也较高。碳烟排放整体都较低，主要是负荷较小，并且正丁醇含氧减少了碳烟的生成。CO及THC排放随主喷时刻及EGR率的变化同燃烧相位CA 50基本一致，通过小比例EGR能够改善正丁醇PPC的THC、CO排放。
选取-18°CA ATDC主喷时刻研究EGR对正丁醇PPC的颗粒物排放特性影响。图5为不同EGR率下的颗粒物粒径分布及EGR对颗粒物不同粒径段排放的影响。图5a中，不同EGR率下正丁醇PPC的颗粒物排放粒径集中在64 nm以内，粒径分布曲线呈单峰形态。EGR的引入使颗粒物排放浓度峰值整体降低。在EGR率为5%和10%时，颗粒物排放粒径分布向较大粒径偏移，20 nm以上颗粒物浓度增加，并且EGR率为10%的颗粒物排放浓度更大，而粒径小于20 nm的较小颗粒物浓度降低。在EGR率为20%时，粒径分布集中在20 nm以内，整个粒径范围内颗粒物排放都降低。
图5b中，50%排放粒径及90%排放粒径分别指从小粒径向大粒径累计颗粒数达到总排放数50%及90%时所对应的粒径，可以表征颗粒物排放总体粒径的大小及集中程度，图中百分数为核态颗粒所占比例。虽然正丁醇为含氧燃料，试验中碳烟排放在不同EGR率下都低于0.01 g/(kW·h)(图4b)，但颗粒物排放浓度较高，总体颗粒物数排放在108量级上。可知，不同EGR率下正丁醇PPC的核态颗粒物排放都在85%以上；EGR率为5%时的颗粒物排放总数量有一定的降低，核态颗粒所占比例降低，50%及90%总颗粒物排放粒径增大，并且90%颗粒排放粒径小于35 nm；EGR率为10%时，颗粒物排放总数量上升，与无EGR时颗粒物排放总数量相当，但核态颗粒物所占比例降低，50%及90%排放粒径与EGR率为5%相当；EGR率为20%时，颗粒物排放数量显著下降(低于108)，约为无EGR率颗粒物数量的1/4，颗粒物排放基本为核态颗粒物。
图5 EGR率对颗粒物排放粒径及颗粒物不同粒径段排放的影响
3、进气压力的影响
图6为进气压力对正丁醇PPC放热率和缸内压力的影响。随着进气压力的增大，着火时刻提前，放热率峰值升高，燃烧相位提前，缸内最大压力增大。主要是由于进气压力增大提高了氧浓度，缩短了滞燃期，着火时形成的混合气浓度相对较高，燃烧速度较快，放热率峰值高，而在进气压力为0.230 MPa时，着火时形成了过稀的混合气，同时燃烧相位较靠后，因而放热率峰值低，燃烧持续期长。图7为进气压力对正丁醇PPC排放的影响，随着进气压力的增大，由于放热速率提高，燃烧相位提前，燃烧温度升高，THC和CO排放都降低，NOx排放相应增大。而随着进气压力的增大，碳烟整体排放升高，主要是由于滞燃期缩短使得混合气局部浓度增大。
图6 进气压力对缸内压力和放热率的影响
图7 进气压力对排放的影响
图8为进气压力对颗粒物粒径分布和颗粒物不同粒径段排放的影响。图8a中，不同进气压力下颗粒物粒径分布同样呈单峰形状，随着进气压力的增大，颗粒物浓度峰值先升高后降低，浓度峰值对应的粒径增大，但颗粒物排放粒径基本集中在64 nm以内。进气压力为0.230 MPa时，颗粒物排放浓度及粒径远小于其他进气压力，主要是此时滞燃期较长，着火时形成的混合气较稀，同时燃烧相位靠后，缸内燃烧温度较低，抑制了颗粒物的生成，不完全燃烧碳粒减少，也难以积聚成更大颗粒。当进气压力增大到0.240 MPa时，滞燃期相对缩短较多，着火前混合气浓度升高，燃烧相位靠前，燃烧温度较高，更易形成不完全燃烧碳粒；进一步提高进气压力到0.255 MPa时，滞燃期进一步缩短，颗粒物粒径分布向更大粒径方向移动，大粒径的颗粒物浓度增加，但由于氧气浓度增大，颗粒氧化速度快，因而其颗粒浓度峰值降低。图8b中，随着进气压力的增大，核态颗粒物排放所占比例逐渐降低，颗粒物排放总浓度先增加再降低，50%及90%颗粒物排放粒径增大，但都小于40 nm。
图8 进气压力对颗粒物粒径分布及不同粒径段排放的影响
4、喷射策略的影响
喷射策略包括单次喷射、预主喷两次喷射及主后喷两次喷射，预喷比例及后喷比例选为10%以保证不过于影响热效率，进气压力为0.240 MPa、EGR 率为0以保证稳定燃烧。图9为不同喷射策略下的缸内压力和放热率。着火开始时刻的顺序依次为单次喷射、主后喷两次喷射、预主喷两次喷射，而放热率峰值由高到低则呈相反的规律．缸内最大压力则是主后喷两次喷射高于单次喷射及预主喷两次喷射策略。这主要是由于小负荷时单次喷射更有利于形成可燃混合气，主后喷两次喷射先于预主喷两次喷射着火是由于主后喷两次喷射的主喷时刻早于预主喷两次喷射的主喷时刻。预主喷两次喷射策略由于整体燃油喷入缸内时间较早，着火后放热较集中，放热率峰值高，然后依次为主后喷两次喷射(主喷靠前)、单次喷射。
图9 不同喷射策略对缸内压力和放热率的影响
图10为不同喷射策略下的排放对比。单次喷射相对于两次喷射能够获得较低的THC及CO排放，但同时NOx和碳烟排放较高，这主要是由于两次喷射相对于单次喷射的混合气混合更充分。图11为不同喷射策略对颗粒物粒径分布和颗粒物不同粒径段排放的影响。图11a中，预主喷两次喷射策略及主后喷两次喷射策略相对单次喷射能够显著降低颗粒物排放浓度峰值，并且主后喷两次喷射策略的颗粒物排放浓度峰值更低。同时，两次喷射策略的颗粒物排放粒径分布的单峰曲线相对单次喷射更为平缓，预主喷两次喷射颗粒排放粒径分布更广。预主喷两次喷射一部分燃油在预喷射喷入缸内，同时主喷时刻早于单次喷射，混合更充分，因而颗粒物排放相对减少；主后喷两次喷射时，一方面，主喷时刻比较靠前，形成较高的燃烧温度；另一方面，后喷入缸内的燃油放热加强了颗粒的后期氧化。图11b中，预主喷两次喷射策略中核态颗粒所占比例最小，单次喷射中核态颗粒所占比例最大；两次喷射策略能够显著降低颗粒物排放总数量，其中主后喷两次喷射降低颗粒物排放最为明显。两次喷射策略中50%及90%颗粒排放粒径增大，其中预主喷两次喷射策略粒径更大，即颗粒物排放粒径总体较大。
图10 不同喷射策略对排放的影响
图11 不同喷射策略对颗粒物粒径分布及不同粒径段排放的影响
结论
(1)正丁醇PPC小负荷工况引入小比例EGR能够促进着火，缩短滞燃期；在较小EGR率时，颗粒物排放粒径分布曲线随EGR率增大向较大粒径偏移，主要是氧气的减少阻碍颗粒物氧化成更小颗粒；较大EGR率时，由于滞燃期过长，缸内温度降低，使颗粒物数量减少，粒径减小。
(2)随喷射时刻提前，滞燃期先缩短，燃烧相位提前，缸内燃烧温度升高，导致颗粒物粒径分布曲线先向大粒径、高浓度偏移；喷射时刻继续提前，此时滞燃期延长，燃烧相位推后，缸内燃烧温度降低，颗粒物粒径分布曲线向小粒径、低浓度移动。
(3)进气压力较低时，由于滞燃期较长、燃烧相位滞后，颗粒排放浓度低、粒径分布范围窄；增大进气压力使滞燃期缩短，颗粒物粒径分布向大粒径偏移。
(4)相对单次喷射策略，后喷喷射促进颗粒氧化，预主和主后两次喷射策略都能够显著降低颗粒物排放浓度峰值及数量，主后两次喷射策略在降低颗粒物排放方面的效果更明显。
文献来源及推荐阅读
[1]陈鹏,郑尊清,刘海峰,李艺漩,王海龙,尧命发.正丁醇部分预混燃烧及其颗粒物排放特性试验[J].内燃机学报,2020,38(06):481-489.
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目” 能源与动力工程类前列。 
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