纳米Al2O3对甲醇/柴油掺混燃料燃烧及排放特性的影响研究

陈雪锋, 卫将军, 刘 屹

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年来,为了解决全球石油需求增长过快带来的石油供给不足问题,同时满足日趋严格的排放法规的要求[1],国内外众多学者对柴油机清洁可再生替代燃料和燃油添加剂进行了大量的研究。在众多替代燃料中,甲醇因具有高汽化潜热、产量丰富、常温常压下为液态、经济性好等优点,被认为是最有前景的替代燃料之一[2]。

目前,甲醇应用于柴油机的方式主要有2种:① 采用进气道喷射甲醇、缸内喷柴油的双燃料协同燃烧方式[3];② 采用助溶剂(或乳化剂)将甲醇溶于柴油进而直接喷入缸内燃烧[4]。后者相比于前者因不需要对发动机进行大的改动而倍受青睐。已有研究表明,柴油中掺混甲醇可优化缸内燃烧,提高发动机燃烧热效率[5],降低发动机氮氧化合物(NOx)和颗粒物(particulate matter,PM)排放[6],但会导致碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放增加[7]。

此外,近年来纳米颗粒材料技术获得了长足的发展,内燃机研究者们将纳米颗粒添加到柴油机燃料中进行试验,发现其能促进燃料的雾化,加速热量传递,并能有效地改善燃料燃烧,降低发动机污染物排放[8]。在众多纳米颗粒添加剂中,纳米AL2O3因其具有成本低廉、催化燃烧及减排性能优良而受到更广泛的关注。文献[9]在水柴油乳化燃料中掺混纳米AL2O3颗粒,并在单缸四冲程柴油机上进行试验,发现发动机性能显著提高,HC、NOx和碳烟排放降低,CO排放略有升高；文献[10]研究了以纳米AL2O3、乙醇和异丙醇的混合物作为添加剂对大豆生物柴油-柴油混合燃料的影响,结果表明最大爆发压力和放热率峰值增加,制动热效率提高,同时观察到排气温度降低，CO和HC排放均降低。

为了充分发挥甲醇和纳米颗粒添加至柴油中所表现出的优势,本文选取纳米AL2O3作为添加剂,探究其对于甲醇/柴油掺混燃料的燃烧和排放性能的影响。研究结果旨在为甲醇替代燃料以及燃油添加剂在柴油机上的应用提供一定的理论指导。

1 试验装置、燃料及方法

1.1 试验装置

试验在常柴ZS1100单缸直喷柴油机上进行,该柴油机技术参数见表1所列。其中，BTDC表示上止点前。

表1 试验用ZS1100柴油机参数

本试验在转速1 400 r/min时,测定不同油门开度(25%、50%、75%、100%)下发动机的燃烧及排放参数。试验使用AVL GH14D缸压传感器、KISTLER 5018型电荷放大器及AVL HR-CA-B1燃烧分析仪测定缸内压力及燃烧特性参数;使用HORIBA MEXA-584L型尾气分析仪采集分析CO、HC、NOx等排放数据;使用AVL Dismoke 4000不透光烟度仪测量发动机的烟度排放。主要测试设备见表2所列。

表2 主要测试设备及精度

发动机每个工况运转稳定后,采取3次数据取平均值以减少测量误差 (每组测量数据的相对偏差不能超过3%)。

1.2 燃料配置

试验用基础燃料为市售0#柴油和99.9%分析纯甲醇。由于甲醇与柴油互溶性差,通常需要添加一定体积的助溶剂,如异辛醇、正辛醇和正十二醇等。但助溶剂(添加量一般较大)势必会对柴油机燃烧及排放产生影响,进而不能真实反映甲醇对柴油机的作用效果。因此，本研究采用机械处理的方法配置及供给甲醇/柴油掺混燃料和纳米流体燃料。

试验测试燃料包括D100(纯柴油)、M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100等5种。其中:M10为体积比10%甲醇和90%柴油掺混后,先通过40 kHz超声处理30 min,再在125 r/min下机械搅拌30 min制得；M10AL25、M10AL50和M10AL100分别表示在M10中添加0.002 5%、0.005 0%、0.010 0%的纳米AL2O3而制得的纳米流体燃料。配置过程中需向M10中加入体积比0.2%的表面活性剂(Triton X-100),并经40 kHz超声处理30 min。配置成的纳米流体燃料能维持3～5 d不分层且无明显沉淀现象,即保证其具有良好的分散性和稳定性。

试验用纳米AL2O3参数见表3所列。试验用柴油及甲醇理化特性见表4所列。

表3 试验用纳米AL2O3参数

表4中:密度为20 ℃时的值;运动黏度为40 ℃时的值。

表4 试验用燃料理化特性

2 试验结果分析

2.1 燃烧特性

不同负荷(25%、50%、75%、100%)下各燃料缸内压力和放热率曲线如图1所示。其中，ATDC表示上止点后。

从图1可以看出,随着负荷的增加,由于发动机循环喷油量增加,缸内峰值压力逐渐增加。

图1 不同负荷下各燃料缸内压力和燃烧放热率曲线

在低负荷(25%)下,燃用M10比D100缸内峰值压力降低,且燃烧始点推迟,放热率峰值增加;这是由于低负荷下缸内温度较低,甲醇高汽化潜热使燃油雾化困难,预燃混合气的形成恶化,降低了缸内峰值压力,而燃烧始点推迟导致预混和燃料增多,从而放热率峰值增大。而在50%、75%、100%负荷下,M10比D100缸内峰值压力大,燃烧始点提前;这是由于负荷增加后缸内温度逐渐升高,甲醇高汽化潜热的影响被削弱,同时甲醇低沸点和低运动黏度的特性可以促进燃油的雾化,使预燃混合气的形成速率加快，燃烧始点因此提前,缸内峰值压力也升高。该试验得出的规律符合其他研究[11]中甲醇掺烧对柴油机燃烧的影响规律。

从图1还可以看出,M10中加入纳米AL2O3颗粒后,各负荷下的缸内峰值压力和放热率峰值均有增加,同时燃烧始点略微提前。低负荷下,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100纳米流体燃料的缸内峰值压力相较于M10(6.05 MPa)分别增加0.4、1.0、1.7 MPa,放热率峰值相较于M10(48.5 J/°CA)分别提高2.1%、4.3%、5.8%;满负荷下,M10AL25、M10AL50、M10AL100的缸内峰值压力相较于M10(8.53 MPa)分别增加0.6、1.4、2.1 MPa,放热率峰值比M10(78.9 J/°CA)分别提高6.2%、10.6%、12.2%。

此结果表明,纳米Al2O3优化了缸内燃烧,促使缸内峰值压力和放热率峰值提高,这可能与纳米Al2O3的比面积大、表面活性高和传质导热性良好等特性有关。一方面较大的比表面积可使空气与燃料充分接触，促进燃料完全燃烧;另一方面较高的表面活性和良好的传质导热性可以加快燃烧速率。两方面因素共同导致缸内峰值压力和放热率峰值的提高。早期文献[12]在水乳化柴油中添加纳米铝颗粒并在单缸柴油机上试验,结果发现缸内峰值压力和放热率峰值均升高,并推测此现象与纳米铝表面的氧化铝有关;在文献[13]的研究中详细介绍了10～50 mg/L的纳米AL2O3添加剂对于生物甲酯/柴油共混燃料燃烧的影响,结果表明30 mg/L的纳米AL2O3效果最佳,燃烧峰值压力和放热率峰值分别提升了4.5%和14.0%。

着火延迟期(喷油时刻到放热率达10%时所经历的曲轴转角)和CA50(放热率达50%时对应的曲轴转角)的变化规律分别如图2所示。其中，ATDC表示上止点后。

图2 不同负荷下各燃料着火延迟期和CA50的变化规律

从图2可以看出,随着负荷的增加(25%～100%),着火延迟期逐渐缩短,CA50逐渐增大。这是由于随着负荷的增大缸内燃烧温度升高,促进了燃料雾化及混合气形成,使得燃烧提前;但喷油量的增加导致燃烧持续期延长,CA50随之延后。低负荷(25%)下燃用M10，与燃用D100相比,着火延迟期略微增加,这是由于低负荷下缸内平均温度较低,甲醇高汽化潜热降低了燃油雾化效果，使着火延迟期延长;而当负荷增加,燃用M10的着火延迟期相较于D100均减小,这是由于缸内平均温度随负荷的增加而升高,使得甲醇汽化潜热大的影响被削弱。此外,各负荷下燃用M10，与D100相比,CA50均减小,这是由于甲醇自身高含氧特性可以加速燃料燃烧,促使缸内燃烧持续期缩短,CA50提前。

与M10相比,各负荷下燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的着火延迟期均有一定的程度缩短；这可能是纳米Al2O3添加剂改善了甲醇低十六烷值的影响,使燃油着火性提升,从而缩短着火延迟期。同时可以看出,随着添加剂量的增多,着火延迟期的缩短程度越来越明显。其中,低负荷下燃用M10AL100的着火延迟缩短最多，达到0.65 °CA。

此外,各负荷下M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100的CA50呈现依次从大到小的规律。其中,低负荷下燃用M10AL100的CA50提前程度最大,为0.68 °CA。添加纳米Al2O3使CA50提前可能是由于其较大的比表面积加快了燃油的燃烧速率，使得燃烧持续期缩短。文献[14]通过在热板上进行的液滴点火试验发现，纳米Al2O3可以改善柴油的着火性;文献[15]在柴油机上的试验发现，燃用添加纳米Al2O3的乙醇/生物柴油/柴油混合燃料的着火延迟期缩短了0.24～0.72 °CA。

燃油消耗率和热效率是衡量发动机经济性能的重要指标。不同负荷下各燃料燃油消耗率和制动热效率的变化规律如图3所示。

图3 不同负荷下各燃料燃油消耗率和制动热效率的变化规律

从图3可以看出,随着负荷的增加,燃油消耗率下降,制动热效率增加。各负荷下,燃用M10均比燃用D100的燃油消耗率增加,制动热效率升高。这是由于甲醇低热值比柴油低,导致输出相同功率的燃油消耗率增加;但甲醇的含氧特性使热释放速率加快,从而提高了燃料的制动热效率。相较于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的燃油消耗率呈降低趋势,制动热效率呈升高趋势,且添加剂量越多该趋势越明显。这与上文对于燃烧规律的分析结果一致,即纳米Al2O3对于燃烧起优化作用,使得燃料燃烧更加充分。

对比发现,中高负荷(75%)下燃用M10AL100的燃油消耗率降低幅度最大，达到3.1%,制动热效率升幅最大，达到3.2%。各研究显示纳米Al2O3对于不同燃料的燃油消耗率和制动热效率的改善幅度不同。文献[16]发现纯柴油添加纳米Al2O3后燃油消耗率降低0.6%,制动热效率提升1.1%;文献[17]将纳米Al2O3添加至甲酯/柴油混合燃料,结果显示燃油消耗率降低6%,制动热效率提升10%。

不同负荷下各燃料排气温度的变化规律如图4所示。

图4 不同负荷下各燃料排气温度的变化规律

从图4可以看出,随着负荷增加,排气温度呈升高趋势。这是由于燃烧的燃料随负荷的增加而增多,而更多的燃料燃烧放热使得缸内燃烧温度升高。

各负荷下随着燃料的变化,排气温度均按D100、M10、M10AL25、M10AL50、M10AL100的顺序依次增加。该规律表明添加甲醇和纳米Al2O3对燃料燃烧均具有优化作用,同时热释放量随之增加,最终导致排气温度逐渐升高，纳米Al2O3的优化作用随着添加量的增多而更加明显。在排温影响上，其他文献研究的结果不尽相同。文献[18]在单缸柴油机上的研究表明,纯柴油中添加纳米Al2O3会使排气温度上升;但同样在单缸柴油机上进行试验,文献[13]发现甲酯/柴油混合燃料中添加纳米Al2O3使排气温度显著降低。

2.2 排放特性

CO排放随负荷变化的规律如图5所示。

图5 CO排放随负荷变化的曲线

从图5可以看出,随着负荷的增加，各燃料CO排放均呈升高趋势。这主要是由于空燃比随负荷的增大而减小,缸内局部缺氧现象逐渐严重,燃料燃烧不完全,CO排放随之增加。各负荷下燃用M10的CO排放比D100均有明显降低，这得益于甲醇高含氧特性对于局部缺氧现象的缓解作用，相较于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100等的CO排放均有一定幅度的降低,且降幅随添加剂量的增多而加大。这可能是由于纳米Al2O3改善了混合气的形成,抑制了局部缺氧区域的形成；此外,纳米Al2O3的催化氧化特性加强了O2对CO的氧化作用。其中,燃用M10AL100在满负荷下降幅最大,与M10相比达49%，这可能是因为满负荷下较高的燃烧温度增强了纳米Al2O3的催化氧化活性。

纳米颗粒添加剂由于具有高反应活性和催化氧化性而被期望能够大幅降低CO排放。文献[19]研究表明，纳米Al2O3可以降低生物柴油/柴油混合燃料的CO排放达56.6%;但不是所有纳米颗粒添加剂都对CO排放有降低作用,文献[20]研究发现纳米FeCl3颗粒会略微增加CO排放。

未燃HC排放随负荷变化的曲线如图6所示。

从图6可以看出,随着负荷的增加，各燃料未燃HC排放逐渐升高。这是由于喷油量随负荷的加大而增多，油气混合过稀区域增加,更多燃料无法完全燃烧导致HC排放升高。各负荷下随着燃料的变化,燃用M10产生的HC排放相较于D100均显著增加。这时甲醇沸点较低,易从喷雾油束中蒸发并在油束外围与空气混合形成低温、过稀的混合气,该区域的燃料更难完全燃烧,导致更多的HC排出。相较于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100等的HC排放均随添加剂量的增加而呈递减的趋势。这可能是由于纳米Al2O3良好的传质导热性抑制了低温、过稀的混合气,减少了HC的生成。此外,在燃烧后期纳米Al2O3的催化特性可使HC继续被氧化而减少。M10添加纳米Al2O3后,各负荷下对于HC排放的降低幅度为10.0%～32.4%。文献[21]研究表明，添加纳米ZnO和TiO2后HC排放分别降低23%～35%和11%～29%;文献[22]研究显示,纳米Si和纳米Al会分别增加4%和9%的HC排放。

图6 未燃HC排放随负荷变化的曲线

各燃料NOx排放随负荷变化的曲线如图7所示。

图7 NOx排放随负荷变化的曲线

从图7可以看出,25%～75%负荷下，各燃料NOx排放随负荷的增加均呈上升趋势,而在100%负荷时下降。这是由于25%～75%负荷下空燃比相对较大,燃料始终处于富氧燃烧,NOx排放受燃烧温度升高的影响而逐渐增多；但达到100%负荷时空燃比急剧降低,NOx排放受氧气浓度限制而降低。这与文献[23-24]在ZS1100柴油机上的研究结果一致。各负荷下燃料性质的不同对于NOx排放的影响规律如下:① 低负荷下燃用M10的NOx排放比D100略低,而负荷增加后M10的NOx排放均高于D100；这是由于低负荷的缸内平均温度较低,受甲醇高汽化潜热影响明显,燃烧温度降低,导致NOx生成量减少；但随着负荷增加,缸内平均温度升高，削弱了高汽化潜热的影响,而甲醇高含氧特性对于燃烧的优化作用使得燃烧温度升高,NOx排放物生成量随之增多；② 相较于M10,燃用M10AL25、M10AL50、M10AL100的NOx排放均呈依次增加趋势；这是由于纳米Al2O3优化燃烧使缸内的燃烧温度升高,NOx生成速率加快；其中,燃用M10AL100相比于M10在各负荷下对NOx排放的增幅为3.2%～10.0%。

同样在单缸柴油机上的试验,文献[25]在生物柴油/柴油混合燃料中添加纳米Al2O3也发现NOx排放增加了4.80%～7.95%;但文献[26]研究发现，纯柴油中添加纳米Al2O3会使NOx排放降低6%。

各燃料碳烟排放(不透光率)的变化规律如图8所示。

图8 碳烟排放(不透光率)随负荷的变化曲线

从图8可以看出,随着负荷的增加碳烟排放呈升高趋势。这是由于随负荷的增加喷油量增多,导致混合气过浓的缺氧区域增加；同时喷油持续期也随负荷增加而延长,扩散燃烧比例随之加大。2个因素都会加剧燃料的不完全燃烧而增加碳烟的生成量,最终导致碳烟排放升高。相较于D100,燃用M10在各负荷下的碳烟排放均有明显的降低。这主要是由于甲醇属于含氧燃油,可加速混合气的形成,即抑制混合气过浓区域的出现,碳烟的生成量也随之降低。除此之外,柴油裂解所产生的C—C键是碳烟初期成核的关键,而甲醇为不含C—C键的单碳醇,这就抑制了碳烟初期的成核过程,从而降低碳烟的生成量。相较于M10,各纳米流体燃料M10AL25、M10AL50、M10AL100的碳烟排放均呈降低趋势,且随着添加剂量的增大降低的趋势越明显。其中,燃用M10AL100的碳烟排放相较于M10在各负荷下分别降低了43%、47%、35%、30%。因为纳米Al2O3一方面可以加速燃油雾化,减少混合气过浓区域的形成,抑制碳烟的生成；另一方面其较大的比表面积使得燃油与空气充分接触,燃烧更加充分,从而减少碳烟的生成量。

碳烟作为柴油机最主要的排放,众多学者都试图找到对其改善效果最佳的纳米添加剂。文献[27]研究发现，纳米CuO2添加至生物柴油能降低碳烟排放8.1%～18.7%;文献[28]中报导Ag2O能降低碳烟排放18.0%～31.8%;文献[29]研究了纳米CeO2对于生物柴油影响,结果显示碳烟排放降低了6.4%～19.8%。

3 结 论

(1) 柴油中添加甲醇，低负荷下,缸内峰值压力及放热率峰值降低,燃烧始点推迟,滞燃期延长;高负荷下,峰值压力升高且燃烧始点提前,放热率峰值无明显变化。柴油中添加甲醇会加速燃烧过程,使CA50在各负荷下都提前。纳米Al2O3的添加优化了甲醇/柴油掺混燃料的燃烧,使得缸内峰值压力及放热率峰值升高,燃烧始点提前,滞燃期缩短,CA50减小,且随着纳米Al2O3添加量的增加,优化程度更加明显。

(2) 柴油中添加甲醇会使发动机燃油消耗率升高,制动热效率增加;添加纳米Al2O3后燃油消耗率均有一定幅度的降低,制动热效率进一步提高。这说明添加纳米Al2O3有效地提高了甲醇/柴油掺混燃料的燃油经济性,且随着纳米Al2O3添加量的增加,发动机燃油经济性越来越好。研究发现,燃用纳米流体燃料的燃油消耗率可降低3.1%,制动热效率提升3.2%。此外,排气温度也因纳米Al2O3的添加而升高,且随着添加量的增加发动机排气温度越来越高。

(3) 与柴油相比,燃用甲醇/柴油掺混燃料使CO排放降低,HC及NOx排放增加,碳烟排放减少。添加纳米Al2O3后,发动机CO、HC和碳烟等排放均有较大幅度的降低,且随着纳米Al2O3添加量的增加,降低幅度更加明显。研究表明,甲醇/柴油掺混燃料中添加0.010 0%纳米Al2O3后,发动机CO、HC和碳烟的排放分别降低了49.0%、32.4% 、47.0%；然而纳米Al2O3的添加使发动机NOx排放增加,但增加幅度低于10%。

综上所述,在甲醇/柴油掺混燃料中添加纳米Al2O3不仅可以优化燃烧过程(较低的燃油消耗及较高的热效率),还能较大幅度地降低污染物排放(CO、HC和碳烟排放明显降低)。因此,金属纳米添加剂在燃料中的应用可为甲醇替代燃料在柴油机上的应用和推广提供新思路。