主喷角度对MF/柴油混合燃料的燃烧及排放特性的影响*

肖合林 江 奥 侯贝贝 曾鹏飞

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070) (汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070)

主喷角度对MF/柴油混合燃料的燃烧及排放特性的影响*

肖合林1,2)江 奥1,2)侯贝贝1,2)曾鹏飞1,2)

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉 430070) (汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉 430070)

在四缸直喷柴油机上，以2-甲基呋喃(MF)与柴油的混合物为燃料进行试验，研究了喷油提前角对混合燃料燃烧及排放的影响.在调整柴油机喷油提前角的情况下，测试了柴油机尾气排放，并对试验结果进行了分析.结果表明，当主喷角增大时，缸内最高压力会显著增加，尾气中NOx体积分数会升高，HC体积分数先大幅降低再小幅升高，CO体积分数会下降.主喷角度为2.5 (°)CA时，尾气中颗粒物总量较少，平均粒径也较小.

二甲基呋喃；主喷角度；燃烧和排放

0 引 言

对化石燃料可采储量和大规模燃烧化石燃料所引发的环境问题的担心促使人们寻找新的能源解决方案.现代农业每年产生大量的农作物废料，如果能将这些生物质转化为可再生液体类燃料，尤其是不依赖于粮食作物的燃料被普遍认为是一种短期到中期的替代能源解决方案[1].由生物质纤维素大规模制取2,5-二甲基呋喃(DMF)和二甲基呋喃(MF)技术的突破以及它们更接近汽、柴油的理化性质，使MF和DMF展现出成为内燃机代用燃料的巨大可能[2].

MF和DMF 都属于呋喃的同系物，理化性质十分相似，但MF 的化学结构比DMF 更简单，而且具有更高的辛烷值.在汽油机上的燃烧研究发现，MF的抗爆性与DMF相近，且优于汽油，但燃烧速率比DMF快，导致高的缸内压力；在排放方面，MF的HC排放与汽油、DMF相比，降低幅度较大，但NOx排放体积分数较高[3-5]，但要推动MF的应用进程还需要通过更多实验来实现.MF在柴油机上的燃烧应用目前还少见报道.在柴油机的诸多参数中，喷油角度对柴油机油气混合和燃烧品质影响较大，适当的喷油提前角可明显改善燃用MF时发动机的排放情况.实验选用1台四缸四冲程水冷增压直喷柴油机，以MF和柴油的混合燃料，在不同的主喷射角度下进行燃烧实验，测量尾气中的HC，CO，NOx体积分数、颗粒物浓度及气缸内的缸压数据，通过这些数据分析混合燃料的燃烧及排放特性.

1 实验设备、燃料及方案

1.1 实验设备

实验仪器主要有可改变运行参数的柴油机、电涡流测功机、燃油供给装置、机油及冷却水循环装置、数据采集系统和AVL尾气分析仪、DMS500快速微粒频谱仪等.柴油机为某公司提供的CY4FA-40型四缸四冲程水冷增压直喷式柴油机，其主要参数见表1.实验过程中通过调整电涡流测功机电流的大小来调整柴油机的输出转矩，使柴油机的转速保持在1 800 r/min(±5 r/min).柴油机缸内压力通过Kistler压力传感器测量，信号经电荷放大器放大后输入CB-466燃烧分析仪.压力数据每隔0.25 (°)CA取样一次，取100个连续循环的平均值以减少误差.尾气排放用AVL气体分析仪测量，烟度用不透光烟度计测量，颗粒物粒径用DMS500测量.

实验时，控制进气温度在(25±0.5) ℃，冷却液温度在(85±1) ℃，机油温度在(87±1) ℃.

表1 柴油机的主要规格参数

1.2 实验方案

试验中，用市售的0#柴油与纯度为99%的MF混合均匀，配制MF质量分数为10%的混合燃料，记为MF10.测试时保持柴油机的转速(1 800 r/min)及喷油量不变(30%负荷)，EGR开度为0，分别调整发动机的主喷射提前角为2.5，7.5，12.5，17.5，22.5 (°)CA，研究缸内压力、压力升高率、放热率等燃烧参数的变化趋势，排放尾气中CO、HC、NOx体积分数及颗粒物浓度变化情况.

2 试验结果及分析

2.1 缸内压力、放热率及燃烧过程分析

在试验条件下，不同的主喷角度下滞燃期与燃烧持续期见图1.随着主喷提前角的提前，滞燃期先减小后增大，主喷提前角先增大后减小.主喷角度为22.5 (°)CA时，喷油时气缸内温度和压力较低导致滞燃期较长，在这期间喷入燃烧室的燃油较多，着火前形成的预混合气多，扩散燃烧较为剧烈，使燃烧持续期急剧缩短(3 (°)CA)[6-7].主喷角度为2.5 (°)CA时，虽然开始喷油时缸内温度和压力较高，但由于喷油时刻的过度延迟，着火前活塞已经下行，缸内温度和压力开始下降，导致滞燃期也较长.在活塞下行后，较低的温度不利于柴油着火，但在较长的滞燃期有助于预混合气形成的形成，导致扩散燃烧较为迅速，故燃烧持续期历时较短(6 (°)CA).主喷角度为12.5 (°)CA时，滞燃期相对较短，着火前喷入缸内的燃料相对较少，着火前形成的预混合气较少，扩散燃烧过程较为平缓，故燃烧持续期历时较长(13.25 (°)CA).

图1 不同的主喷角度下滞燃期与燃烧持续期

在试验条件下，不同的主喷角度对缸压和放热率的影响见图2.随着主喷提前角的提前，缸内压力峰值逐渐增大，峰值压力和峰值放热率对应曲轴转角提前.主喷角度为2.5 (°)CA时，喷油时刻的过度延迟导致主要燃烧过程发生在压缩上止点之后，导致了缸内压力在做功行程中出现了一个小幅升高过程.随着主喷角度的提前，燃烧逐渐提前到上止点之前，燃烧引起的缸压升高和压缩过程叠加，导致峰值缸压逐渐升高.主喷角度为7.5 (°)CA时，主要燃烧过程也发生在上止点之后，但接近于上止点，燃烧发生时缸内温度和压力较高，燃烧空间比2.5 (°)CA时的小，燃烧过程中缸压曲线出现了明显的峰.主喷角度为12.5 (°)CA时，主要的燃烧过程发生在上止点附近，较慢的扩散燃烧过程导致放热率峰值较低，波较为平缓.主喷角度为22.5 (°)CA时，燃烧发生在上止点之前，剧烈的扩散燃烧导致放热率峰值较大；燃烧过程和压缩行程两个因素的综合作用导致了缸内压力峰值较大.

图2 不同的主喷角度对缸压和放热率的影响

2.2 NOx的排放量

在试验条件下，不同的主喷角度对NOx排放的影响见图3.随着主喷提前角度的提前，NOx排放升高.NOx生成的条件为富氧、高温和高压，主喷角度为2.5 (°)CA时，燃烧发生在做功行程中，缸内压力和温度较低，燃烧过程中生成的NOx较少，尾气中NOx体积分数最低.随着主喷角度的提前，缸内峰值压力升高，提前燃烧导致已燃气体在较高温度下停留时间也增加，导致NOx的体积分数增加.故在图3中看到了尾气中NOx体积分数随主喷角度的增加而上升.

图3 不同的主喷角度对NOx排放的影响

2.3 HC的排放

在试验条件下，不同的主喷角度对HC排放的影响见图4.随着主喷角度的提前，HC排放先降低后升高，呈U字形变化趋势.随着喷油角度的提前，混合气的均匀程度和燃烧都将变得更加充分，从而有利于降低尾气中HC体积分数.但随着主喷角度的进一步提前，燃油喷入气缸时气缸内压力和气缸温度降低，燃油的喷射贯穿距离会增加，部分燃油喷射到气缸壁上会产生壁面淬熄现象，有助于使HC体积分数上升[8]，另一方面，随着缸内压力的提高，进入缝隙的未燃混合气增加，也会增加未燃HC的生成量，一定程度上使尾气中HC体积分数有所上升.故由图4可知，主喷角度为2.5 (°)CA时尾气中HC体积分数最高，主喷角度为12.5 (°)CA时尾气中HC体积分数最低，主喷角度增加后，HC体积分数又稍有增加，尾气中HC体积分数最随主喷角度的增加呈现出U字形变化趋势.

图4 不同的主喷角度对HC排放的影响

2.4 CO的排放

在试验条件下，不同的主喷角度对CO排放的影响见图5.随着主喷角度的提前，尾气中CO体积分数快速下降到接近0.喷油角度为2.5 (°)CA时喷油时刻的过度延迟，导致燃烧不正常，部分混合气不能充分燃烧导致CO生成量较大.主喷角度增加后，混合气的均匀程度和燃烧都更加充分[9]，缸内燃烧温度升高，促成更多的碳被氧化为CO2，从而CO体积分数迅速降低.

图5 不同的主喷角度对CO排放的影响

2.5 颗粒物的尺寸分布

在试验条件下，不同的主喷提前角度下尾气中颗粒物尺寸分布见图6，平均粒径和总数量浓度数据见图7.由图6～7可知，各主喷角下颗粒物包含有核模态粒子和积聚态颗粒物两种粒子；主喷角度为2.5 (°)CA时，尾气中颗粒物浓度较低，曲线明显向左偏移，但当主喷角度大于7.5 (°)CA之后，颗粒物浓度和粒径分布曲线变化不太明显.

图6 不同的主喷提前角度下尾气中颗粒物尺寸分布

图7 平均粒径和总数量颗粒浓度数据

核模态粒子的成因比较复杂，有研究认为核模态粒子是由缸内燃烧过程中产生的固态碳核、排气过程中的稀释和冷却形成的挥发性碳氢化合物以及含硫混合物等成核而成[10].主喷角度为2.5 (°)CA时，未燃HC的体积分数较高；较高体积分数的HC化合物有助于通过成核现象形成核态颗粒物，从而在一定程度上促成5～10 nm粒径的核态颗粒物的生成，使图6中曲线峰相对左移.另外，主喷角度为2.5 (°)CA时，燃油后喷效应明显，发动机排气温度和压力较高，较高的排气温度对对核态颗粒物的氧化是非常有利的[11]，故有助于降低尾气中总的核模态粒子浓度.喷油提前角由2.5 (°)CA提前到7.5 (°)CA，HC体积分数降低，尾气中粒径为5～10 nm的核模态粒子的分布曲线下移明显.当喷油提前角的继续提前，5～10 nm的核模态粒子的分布曲线呈下移趋势，但变化不明显.

积聚态颗粒物属于细小微粒范畴，通常认为积聚态颗粒物是缸内燃油和润滑油在高温缺氧条件下发生热裂解和脱氢反应生成的初级碳烟粒子，经过团聚和吸附HC、金属灰烬和硫酸盐等物质而形成的.降低缸内最高燃烧温度，可以降低局部过浓区域油质热裂解和脱氢倾向，有利于抑制初级碳烟粒子的生成，减少积聚态颗粒物的生成.此外，排气温度升高同样可以增加积聚态颗粒物的氧化速率，导致积聚态颗粒物排放降低.主喷角度为2.5 (°)CA，缸内最高燃烧温度低，但是相对排气温度较高，故大粒径的聚集态颗粒物浓度相对较低.当喷油提前角增加后，缸内最高压力升高，尾气中积聚态颗粒物的分布曲线比2.5 (°)CA时的曲线明显上移.随着主喷角的增加，积聚态颗粒物的分布曲线上移，但主喷角度从7.5 (°)CA增加到22.5 (°)CA的过程中，积聚态颗粒物的分布曲线上移趋势不太明显.

3 结 论

1) 随着主喷角提前，MF/柴油混合燃料滞燃期先缩短再增加，对应的燃烧持续期先变长后缩短.同时，MF/柴油混合燃料缸内压力峰值会升高.

2) MF/柴油混合燃料NOx排放随主喷角度的提前而升高，这主要是因为缸内燃烧温度和压力随主喷角度的提前而升高.

3) 随着主喷提前角的提前，MF/柴油混合燃料在缸内与空气混合的均匀程度以及燃烧都变得更加充分，从而使得HC和 CO排放降低.但随着主喷角度的进一步提前，过大的主喷角度导致“湿壁”现象反而使HC排放升高.

4) 主喷角度为2.5 (°)CA时，MF/柴油混合燃料燃烧尾气中颗粒物颗粒浓度较低.在2.5～7.5 (°)CA主喷提前角范围内，随着主喷角度的提前，颗粒物的颗粒浓度和平均尺寸增大，但当主喷角度大于7.5 (°)CA之后，颗粒物浓度和粒径分布曲线变化不太明显.

5) 采用合适的喷油提前角可改善MF/柴油混合燃料发动机的燃烧和排放性能.

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Effect of Main Injection Angle on Combustion and Emission Characteristics of Methylfuran/Diesel Blended Fuel

XIAO Helin1,2)JIANG Ao1,2)HOU Beibei1,2)ZENG Pengfei1,2)

(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan 430070, China)1)(Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan 430070, China)2)

In this paper, experiments are carried out on the four-cylinder DICI engine with blends of diesel and MF. The influence of spray angle on the mixed fuel combustion and emissions is studied. The diesel emissions are measured and analyzed under different spray angles. Results show that when the spray angle increases, the highest pressure in cylinders increases significantly. Besides, the concentration of NOxin the tail gas rises, and the HC concentration decreases greatly and then rises slightly. In addition, the CO concentration is found to decline with the increase of the spray angle. When the spray angle is 2.5 (°)CA, the total amount of exhaust particulate matter is less and the average particle diameter is smaller.

methylfuran; main injection angle; combustion and emission

2017-01-17

*国家自然科学基金项目资助(21377101)

TK421.5

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.013

肖合林(1967—)：男，博士，副教授，主要研究领域为发动机的燃烧及排放