含氧燃料与进气氧浓度对柴油机燃烧与排放的影响

曾东建，冷松蓬，姬凯凯，刘成豪，吴浩

(1.西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039；2.流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)

含氧燃料与进气氧浓度对柴油机燃烧与排放的影响

曾东建1,2，冷松蓬1,2，姬凯凯1,2，刘成豪1，吴浩1

(1.西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039；2.流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)

在1台4缸高压共轨柴油机上，通过向柴油中掺混0%，10%，20%正丁醇(质量分数)，研究了在不同进气氧浓度条件下，掺混燃料含氧量对柴油机燃烧特性与排放的影响规律。研究结果表明：进气氧体积分数处于20%～21%之间时，燃用3种燃料的滞燃期均不随氧浓度的变化而变化；随着掺混比例的增加，燃料中含氧量增加，这导致了滞燃期的增加，且随着进气氧浓度的降低，滞燃期受燃料性质的影响作用不断增强；随着燃料中含氧量增加，炭烟(Soot)排放逐渐减小；掺混燃料的含氧量对NOx排放的影响不明显，而对指示热效率的提升有积极作用，在进气氧体积分数小于15%时，燃料含氧量对指示热效率的促进作用减弱。

混合燃料;含氧燃料;滞燃期;燃烧;排放

含氧燃料在解决缸内局部浓混合气缺氧问题起到积极作用，可使柴油机排放得到大大改善[1]。通过含氧燃料与柴油燃料掺混或者双燃料模式来改变喷入缸内燃料的物理化学性质，从而探索在缸内降低柴油机排放的途径，逐渐成为国内外学者研究的热点。目前常用的含氧燃料包括甲醇、乙醇、生物柴油等[2-5]。正丁醇是新一代的生物质含氧燃料，相对于柴油，其十六烷值低，汽化潜热较大，在燃烧过程中滞燃期较长、燃烧速度较快、燃烧温度较高，从而体现出较好的排放特性[6-9]。

目前有不少学者对正丁醇作为掺混燃料在柴油机上进行了相应的研究。O. Dogan等[10]研究发现：正丁醇与柴油完全互溶；燃油消耗率和热效率相比纯柴油略有升高；随着掺混比例增加，排气温度下降，NOx略有下降，CO下降，HC升高，炭烟(Soot)大幅度降低。Choi B等[11]研究结果表明：正丁醇掺混比例增加，乙烯和苯排放物增加；掺混比低于10%时，粒径小于50 nm的微粒排放降低。张全长等[12]研究表明：正丁醇与柴油掺混可改善燃油经济性，延长滞燃期从而明显降低Soot排放，且随着废气再循环比例(EGR率)的增加，Soot排放呈现出较“平坦”的趋势；正丁醇对气体排放的影响与进气压力有关，进气压力越大燃用正丁醇降低NOx排放的趋势越明显。湖南大学的陈征等[13]研究结果表明：丁醇较高的汽化潜热能够降低缸内温度，延长滞燃期，从而改善了缸内局部当量比分布的不均匀性，且降低了燃烧总体当量比，使得Soot排放大幅度改善。

综上所述，正丁醇的加入对柴油机在排放、热效率等方面均有较大的改善。目前，在柴油掺混丁醇的研究中，关于丁醇自带氧的含量和发动机新鲜充量中氧的浓度对柴油机燃烧和排放影响的探索较少，因此本研究主要在不同进气氧体积分数条件下，探究柴油-正丁醇掺混燃料含氧量对柴油机燃烧与排放的影响规律。

1 试验系统及研究方法

试验系统包括试验发动机、测试设备、数据采集系统以及电控系统，试验系统示意见图1。试验采用1台高压共轨柴油机，其主要技术参数见表1。电控单元为开放式ECU，喷油量、喷油时刻、喷油压力和EGR率通过电控单元实时控制。缸内压力通过Kistler5087b传感器测量，经过Kistler5011B电荷放大器和NI USB 6353高速数据采集卡传至数据采集系统进行数据的处理、显示和存储。采用AVL415S滤纸式烟度计测量烟度，采用Horiba MEXA7100DEGR排放仪测量常规排放和再循环废气。

图1 试验系统示意

发动机型式水冷、四冲程、直列缸径/mm93行程/mm102每缸气门数2排量/mL2771压缩比17.5∶1进气方式自然吸气供油方式高压共轨

1.1 研究方法

通过改变EGR率来实现对进气中氧体积分数的改变，通过改变正丁醇的掺混比例来实现对燃料中含氧量的改变。试验所选运行工况见表2，通过调整掺混后丁醇-柴油喷射量来保持缸内掺混燃料热值与纯柴油模式下缸内柴油热值相同，同时保持发动机其他状态参数不变。

表2 试验工况

1.2 参数定义

1) 掺混比例n：

(1)

式中：Mb为丁醇的质量；Md为柴油(本试验以国Ⅴ柴油为基础柴油)的质量。掺混比例为n的丁醇-柴油掺混燃料记为Bn。试验所选掺混燃料主要物理性质[14]见表3。

表3 掺混燃料主要物理性质对比

2) 滞燃期(θ)

θ=θCA10-θSOI。

(2)

式中：θCA10为缸内累计放热量达到总放热量的10%所对应的曲轴转角，用来指示燃烧始点；θSOI为喷油定时。

3) 燃烧持续期(φ)

φ=θCA90-θCA10。

(3)

式中：θCA90为缸内累计放热量达到总放热量的90%所对应的曲轴转角。

4) 指示热效率(ηITE)

(4)

式中：pi为缸内平均指示压力，通过缸压传感器直接测量；V为气缸容积；N为发动机转速；Qc为燃料燃烧释放总热量。

5) 进气氧体积分数(δ)

δ=((1-α/100)·21+α·β)%。

(5)

式中：α为进气CO2体积分数与排气CO2体积分数比值；β为废气中氧气体积分数。

6) 高温持续期(Ω)

Ω定义为缸内平均温度达到1 600 K及以上时对应的曲轴转角。

2 试验结果与分析

2.1 掺混燃料在不同进气氧浓度下的燃烧特性

图2示出燃用不同燃料时滞燃期随氧体积分数的变化趋势。从图中可知，随着进气氧体积分数减小，燃用不同燃料时滞燃期均呈现增加趋势，但在氧体积分数高于20%的区域，滞燃期出现一个平阶，即不再随氧体积分数的变化而变化。主要原因是缸内的氧气较为充足，初始燃烧相位对氧体积分数较小的变化不敏感。而在进气氧体积分数为20.9%时，燃用B20的滞燃期相对燃用B10增加了1°曲轴转角，相比燃用B0增加了2°曲轴转角；在进气氧体积分数为21%～18%时，3种燃料之间的滞燃期差值几乎不变，这是由于缸内处于相对富氧状态，对滞燃期的影响主要决定于燃料的性质；随着缸内氧体积分数减小，3种燃料之间的滞燃期差值逐渐增加，在进气氧体积分数为12.5%时，燃用B20的滞燃期达到了19.5°曲轴转角，相比燃用B10增加了3°曲轴转角，相比燃用B0增加了4.5°曲轴转角，说明此时燃料性质对滞燃期影响作用加强。

图2 燃用不同掺混燃料时滞燃期随 进气氧体积分数的变化趋势

图3示出燃用不同燃料时在不同氧体积分数下的缸压及放热率。从图中可知，随着掺混比例的增加，放热始点逐渐推迟，放热峰值增加；进气氧体积分数为20.9%时， 燃用B20放热率峰值相比燃用B10增加了19 J/(°)，相比燃用B0增加了37 J/(°)；在进气氧体积分数为17.5%时，燃用B20放热率峰值相比燃用B10增加了21 J/(°)，相比燃用B0增加了39 J/(°)；而进气氧体积分数为13.5%时，燃用B20放热率峰值相比燃用B10增加了14 J/(°)，相比燃用B0增加了26 J/(°)。由此可知，随着进气氧含量的逐渐减小，3种燃料放热率峰值差值呈现先增加后减小的趋势，这体现了缸内氧体积分数对燃烧起到决定性的作用。这是由于随着含氧燃料的加入，滞燃期增加，这为油气混合争取了更加充裕的时间，使得缸内可燃混合气分布更加均匀，并且着火后燃烧速度加快，等容燃烧程度增加，最终造成放热率峰值差值增加。当缸内混合气处于贫氧状态时，滞燃期对放热率的影响作用减弱，进气氧浓度对放热率作用加强，从而导致放热率峰值差值减小。

图4示出燃用不同燃料时在不同进气氧体积分数下燃烧持续期的变化趋势。从图中可知，相同掺混燃料的燃烧持续期随着进气氧体积分数的减小呈现先升高后下降的趋势，在进气氧体积分数为17%左右时，3种燃料的燃烧持续期出现峰值。进气氧体积分数为定值时，B0燃料的燃烧持续期最长，B20的燃烧持续期最短。在进气氧体积分数为12.5%时，燃用B20 的燃烧持续期达到了19°曲轴转角，相比燃用B10缩短了2.5°曲轴转角，相比燃用B0缩短了4°曲轴转角。由前文中分析可知，随着掺混燃料中丁醇含量的增加，缸内可燃混合气滞燃期增加，使得其燃烧模式趋于预混燃烧，燃烧速度较快。

图3 燃用不同掺混燃料时的缸压及放热率

图4 燃用不同掺混燃料时燃烧持续期随进气氧体积分数的变化趋势

2.2 掺混燃料在不同进气氧浓度下Soot和NOx排放

图5示出燃用不同燃料时Soot随进气氧体积分数变化的趋势。从图中可以看出，在进气氧体积分数为20.9%～18%时，进气氧体积分数的变化对Soot排放的影响较小。在进气氧体积分数为18%～15%时，Soot排放增幅开始变大，其中B0燃料上升趋势较明显，而B20燃料变化趋势相对较缓。当进气氧体积分数小于等于15%时，Soot增幅进一步加大，燃用B0燃料上升趋势更加明显，B20燃料变化相对较平缓。这主要是由于随着进气氧体积分数的下降，燃空当量比增加，缸内温度降低，在燃烧后期对Soot的氧化作用减弱。

图5 燃用不同掺混燃料时Soot随 进气氧体积分数的变化趋势

进一步分析图5，在进气氧体积分数为定值时，随着掺混燃料氧含量的增加，Soot排放减小，且随着进气氧体积分数的降低，燃料氧含量对Soot的降低影响作用增大。这主要是随着进气氧体积分数的降低，B0，B10，B20燃料的滞燃期差值逐步增加，燃料的混合时间增加，更多可燃混合气当量比小于2，含氧燃料的掺混破坏了Soot的生成条件；而随着掺混比例的增加，燃料氧含量增加，改善了燃烧过程缸内当量比局部浓区的缺氧状态。

为了分析燃烧前期和后期缸内温度对Soot的氧化作用，统计了进气氧体积分数为17.5%时不同掺混燃料的缸内平均峰值温度及高温持续期(见图6)。从图6中可以看出，B20的缸内平均峰值温度及高温持续期最大，B0最小，这是由于B20燃料的滞燃期长，燃烧速度快，放热峰值高。进一步分析峰值温度及高温持续期与soot排放关系：一方面由于缸内平均温度较高，在燃烧前期为Soot的生成创造了条件；另一方面由于高温持续期较长，促进了燃烧后期Soot的氧化。因此可以看出，滞燃期的增加和掺混燃料含氧量的增加是导致Soot排放降低的主要原因，而缸内温度的变化对Soot影响不明显。

图7示出燃用不同燃料时NOx排放随进气氧体积分数的变化规律。从图中可知，随着进气氧体积分数逐渐减少，NOx排放呈现一直减小的趋势。这是由于影响NOx生成的因素有两方面：高温富氧环境和高温持续时间。随着氧气体积分数下降，缸内平均温度下降，高温持续时间缩短，NOx排放降低。在进气氧体积分数为定值时， 燃用B0，B10，B20掺混燃料所生成的NOx排放量相近。根据统计，在进气氧体积分数为17.5%时，燃用B20缸内平均峰值温度最高，高温持续期最长(见图6)，而燃用B0缸内平均峰值温度最小，高温持续期最短。3种燃料缸内平均峰值温度最大变化率为3.4%，高温持续期最大变化率为3.8%。因此从缸内温度角度分析，B20燃料有利于NOx生成。然而3种燃料在该进气氧体积分数区域NOx排放量相当，因此可以看出，含氧燃料的加入对NOx的生成几乎没有影响，而且最大缸内峰值温度超过2 000 K，5%以内的高温及高温持续期差异对NOx生成没有影响。

图6 燃用不同掺混燃料时缸内平均 峰值温度及高温持续期

图7 燃用不同掺混燃料时NOx随 进气氧体积分数的变化趋势

2.3 掺混燃料在不同进气氧浓度下的指示热效率

图8示出指示热效率随进气氧体积分数的变化趋势。从图中可知，随着氧体积分数的逐渐减小，燃用不同掺混燃料时的指示热效率均呈现减小的趋势。图9示出在不同进气氧体积分数条件下燃用B0时的缸压和放热率。当进气氧体积分数为20.9%时，B0燃料的θCA10为-0.5°ATDC，进气氧体积分数为17.5%和13.5%时，θCA10推迟到0.5°ATDC和1.5°ATDC。因此，可以推断出指示热效率减小是由于进气氧体积分数降低，滞燃期增加，燃烧相位推迟到上止点之后，柴油机膨胀功损失增加。

图8 燃用不同掺混燃料时指示热效率随进气氧体积分数的变化趋势

图9 不同进气氧体积分数条件下 B0燃料的缸压及放热率

在相同进气氧体积分数下，燃用B20的指示热效率最大， 燃用B0的最小，且当进气氧体积分数小于15%时，3种燃料的指示热效率差值呈现减小的趋势。这是因为B20燃料的滞燃期最长，燃料含氧量最大，有利于燃料快速放热，燃烧持续期最短，等容放热程度最大，作功能力增强。B0燃料的燃烧放热峰值最小，燃烧持续期最长，此时活塞下行，较长的燃烧持续期并不利于作功。B20燃料燃烧相位离上止点最远，B10燃烧相位较靠近上止点，B20大部分燃烧相位处于活塞下行阶段。因此，根据p-V图可计算得到，B20的指示功略大于B10。

3 结论

a) 在进气氧体积分数为20%～21%范围内，3种掺混燃料的滞燃期不随氧浓度的变化而变化；当进气氧体积分数处于18%～20%时，对滞燃期的影响主要决定于燃料的性质；而当氧体积分数低于18%时，燃料性质对滞燃期的影响作用加强；

b) 随着进气氧体积分数逐渐减小，B0，B10，B20燃料放热率峰值差呈现先增加后减小的趋势，缸内氧体积分数对燃烧起决定性的作用；

c) 随着进气氧体积分数的降低，Soot值逐渐增加，而不同掺混比燃料的Soot差值逐渐变大，主要是滞燃期增加与掺混燃料含氧量增加所导致，缸内温度的变化对Soot的影响不明显；

d) 含氧燃料的加入对NOx排放影响不明显，3种掺混燃料的缸内平均峰值温度和高温持续期变化差异对NOx生成没有影响；

e) 掺混燃料含氧量的增加对指示热效率的提升有积极的影响，但是在进气氧体积分数小于15%时，掺混燃料含氧量对指示热效率的作用减弱。

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EffectsofOxygen-enrichedFuelandIntakeOxygenConcentrationonDieselEngineCombustionandEmission

ZENG Dongjian1,2,LENG Songpeng1,2,JI Kaikai1,2,LIU Chenghao1,WU Hao1

(1.School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039，China；2.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Chengdu 610039，China)

The effects of oxygen content in blended fuel on combustion and emission of diesel engine were researched under different intake oxygen concentration on a 4-cylinder high pressure common rail diesel engine by mixing 0%, 10% and 20% mass faction of n-butanol into diesel respectively. The results show that the ignition delay periods of three blended fuels keep almost constant when the volume fraction of intake air oxygen is between 20% and 21%. The increase of blending ratio leads to the increase of oxygen content of blended fuel so that the ignition delay period prolongs. And the effects of fuel properties on ignition delay period increase with the decrease of oxygen volume fraction of intake air. In addition, the increase of oxygen content improved soot emission and indicated thermal efficiency but had little influence on NOxemission. When the oxygen volume fraction of intake air is lower than 15%, the active effect of oxygen content of blended fuel on indicated thermal efficiency weakens.

blended fuel;oxygen-enriched fuel;ignition delay period;combustion;emission

潘丽丽]

2017-06-18；

2017-12-13

四川省教育厅科研创新团队项目(17TD0035)；四川省科技厅青年科技创新研究团队项目(1321300)

曾东建(1964—)，男，教授，主要研究方向为发动机燃烧与控制；zdj.640102@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.006

TK464

B

1001-2222(2017)06-0030-06