纳米SiO2和CeO2对柴油/生物柴油掺混燃料燃烧与排放的影响

刘勇强, 卢文健, 卫将军, 曾 杨, 银增辉, 钱叶剑

(1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国汽车技术研究中心,天津 300300)

0 引 言

柴油机因具有较高的热效率以及较好的动力性、经济性和可靠性等优点,一直被大规模用作交通运输车辆、工程机械和农业机械的动力装置。然而,柴油机消耗了大量的化石能源以及排放的多种污染物给能源储存和环境治理带来了巨大的压力[1]。使用替代燃料是理想的选择之一,其中生物柴油是可再生能源,其含氧量较高,燃烧性能好,生物降解能力强,燃油属性与柴油相似[2]。国内外大量研究表明,使用生物柴油替代燃料可以有效改善发动机缸内燃烧过程,从而降低CO、HC、NOx和碳烟等污染物的排放[3-4];但由于生物柴油黏度较大、热值较低的特点,导致发动机燃用生物柴油的油耗比柴油高,且热效率降低[5]。而燃料添加剂常被用来改善生物柴油的燃料特性。试验研究表明，纳米颗粒添加剂能够促进燃料雾化,加速热量传递,并能有效地改善燃料燃烧,从而提高发动机的经济性,同时降低污染物的排放[6]。文献[7]研究了生物柴油中添加纳米二氧化硅(SiO2)颗粒对燃料特性和发动机排放的影响,发现燃料的黏度下降,缸内燃烧得到优化,进而使得CO和NOx的排放显著降低;文献[8]研究发现,柴油中添加纳米SiO2后发动机油耗降低了19.8%,制动热效率提高了18.8%,HC的排放降低了1.76倍。此外,由于纳米二氧化铈(CeO2)颗粒可以作为氧化催化剂,促进烃的氧化和氮氧化物的还原,因此被广泛用作柴油发动机燃料的添加剂[9-10]。文献[11]在四冲程单缸柴油机上研究了纳米CeO2颗粒对生物柴油燃烧及排放的影响,发现缸内峰值压力升高,燃油经济性得到改善,CO和NOx的排放显著降低。另外,也有研究结合了不同纳米颗粒的优点,使用纳米颗粒混合添加剂来改善发动机性能,文献[12]发现纳米氧化石墨烯和二氧化钛混合添加剂在中、高负荷下可以显著降低发动机油耗。在后处理方面,纳米SiO2和CeO2添加剂及其燃烧产物能够有效地被DPF捕集,并作为催化剂提高碳烟氧化速率,降低DPF的再生平衡温度[13-14]。

因此,本文选取纳米SiO2和CeO2作为混合添加剂,探究其对柴油/生物柴油掺混燃料的燃烧和排放性能的影响。研究结果以期为优化生物柴油的应用提供理论依据及数据支持。

1 试验装置、燃料及方法

1.1 试验装置

试验所用发动机为常柴ZS1100单缸水冷直喷柴油机,其技术参数见表1所列。本试验选用最大扭矩转速为1 800 r/min的发动机,测定不同负荷5、15、25、35、45 N·m下发动机的燃烧及排放特性参数。主要测试设备有AVL GH14D缸压传感器、AVL HR-CA-B1燃烧分析仪、HORIBA MEXA-584L型尾气分析仪及AVL Dismoke 4 000不透光烟度仪。对于每个试验工况点,采集3组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%)。

表1 试验用ZS1100柴油机参数

1.2 燃料配置及试验方法

试验所用基础燃料为市售国六0#柴油和生物柴油。试验测试燃料包括D100(纯柴油)、B20、B20Si25Ce25、B20Si50Ce50、B20Si100Ce100。其中:B20为体积分数20%的生物柴油和80%的柴油掺混后,通过磁力搅拌(MS-PB)制备的掺混燃料;B20Si25Ce25(B20+25 mg/kg SiO2+25 mg/kg CeO2)、B20Si50Ce50(B20+50 mg/kg SiO2+50 mg/kg CeO2)、B20Si100Ce100(B20+100 mg/kg SiO2+100 mg/kg CeO2)表示纳米流体燃料。

在纳米流体燃料配置过程中,先向B20中添加体积分数为2%的表面活性剂(Span80),同时使用磁力搅拌器搅拌至混合液均匀状态,然后将配置好的纳米SiO2和CeO2混合添加剂加入到该配置燃料中,继续搅拌60 min左右,而后将配置好的燃料在40 kHz的频率下超声处理60 min。观察发现,配置而成的纳米流体燃料具有良好的分散性和稳定性。

试验所用纳米SiO2和CeO2颗粒的具体参数见表2所列。从表2可以看出,颗粒粒径都小于50 nm,远远小于喷油器喷孔直径(0.32 mm),因此燃料在喷油器流动过程中不存在堵塞现象。

试验所用测试燃料的理化特性见表3所列。在换测试燃油时,保证发动机至少运行30 min,以耗尽上一组测试燃料。试验后,油箱及油管内未发现纳米SiO2和CeO2颗粒的吸附。

表2 试验用纳米SiO2和CeO2参数

表3 试验用燃料理化特性

2 试验结果分析

2.1 燃烧特性

不同负荷下各燃料缸内压力和放热率曲线如图1所示。

从图1可以看出,随着负荷的增大,由于发动机循环喷油量增加,缸内峰值压力和放热率逐渐升高。在各负荷下,B20的缸内峰值压力和放热率均低于D100,这是由于与柴油相比,生物柴油具有较低的热值和较高的汽化潜热,导致发动机燃用B20所产生的热量低于D100[15];再者,生物柴油高运动黏度的特性不利于燃油的雾化,使预燃混合气的形成速率降低,因此也可能导致缸内压力和放热率峰值的下降[16];此外,通过缸压曲线可以观察到B20峰值压力对应的曲轴转角相较于D100提前,这是由于生物柴油的十六烷值高于柴油,从而导致滞燃期缩短(图1d),燃烧相位提前[3]。

从图1还可以看出,B20中添加纳米SiO2和CeO2混合颗粒后,在各负荷下的缸内峰值压力和放热率峰值均有所增加。其中:在低负荷下,燃用B20Si25Ce25、B20Si50Ce50和B20Si100Ce100纳米流体燃料的缸内峰值压力相较于B20(6.03 MPa)分别增加了0.02、0.03、0.18 MPa,放热率峰值相较于B20(52.3 J/°CA)分别提高了3.6%、10.7%、13.9%;高负荷下,B20Si25Ce25、B20Si50Ce50和B20Si100Ce100的缸内峰值压力相较于B20(7.82 MPa)分别增加了0.04、0.07、0.09 MPa,放热率峰值相较于B20(82.8 J/°CA)分别提高1.2%、2.3%、5.3%。

数据结果表明，纳米SiO2和CeO2颗粒优化了生物柴油在缸内的燃烧过程,促使缸内峰值压力和放热率峰值提高,并且随着纳米颗粒添加量的增加,优化效果更加明显,这可能与纳米颗粒自身的性质有关。纳米颗粒较高的表面活性和良好的传质导热性能够提高燃料液滴的蒸发速率,加快燃料的燃烧[11-17]。另外,纳米SiO2颗粒较大的比表面积能够促进空气与燃料充分接触,从而实现燃料的完全燃烧[8]。同时,纳米CeO2能起到催化氧化作用,在燃烧反应过程中为燃料提供氧气[9]。不难发现，纳米SiO2和CeO2颗粒的添加对B20在不同负荷下的燃烧优化程度并非一致,由于高负荷下缸内温度急剧升高,燃料蒸发雾化效果较好,使得纳米颗粒的优化效果不再显著。此外,与B20相比,添加纳米SiO2和CeO2颗粒可以缩短滞燃期,且随着纳米颗粒添加量的增加,这种趋势更加明显。这是由于纳米颗粒良好的传质导热特性提升了燃料的着火性,致使燃烧始点提前。

图1 不同负荷下各燃料缸内压力和燃烧放热率曲线

比油耗(brake specific fuel consumption,BSFC)即燃油消耗率,是衡量发动机经济性能的重要指标,其变化规律如图2所示。

图2 不同负荷下各燃料BSFC的变化规律

从图2可以看出,随着负荷的增加,BSFC逐渐下降。在低负荷时,由于缸内温度较低,燃油蒸发雾化效果较差,油气混合不均匀致使燃烧不充分,进而导致燃油消耗率较高;随着负荷的增加,缸内温度得到提高,改善了油气混合,燃油消耗逐渐下降;在各负荷下,发动机燃用B20的BSFC均高于D100;尤其是高负荷(45 N·m)下,B20的BSFC升幅最大为5.0%。

尽管生物柴油含氧,但并不能弥补其热值较低的劣势,因此发动机要消耗更多的B20燃料以输出与D100相同的功率;同时,生物柴油较高的运动黏度不利于燃油雾化,导致缸内燃烧变差,进而增加燃油消耗量[18]。

此外,B20中添加纳米SiO2和CeO2颗粒后,发动机各负荷下燃油消耗率能够降低0.69%～5.9%,且随着纳米颗粒添加量的增加,降幅愈发明显。这与燃烧规律的分析结果一致,即纳米颗粒对缸内燃烧起到优化作用,使得燃料燃烧更加充分,进而降低了燃油消耗量。文献[19]将纳米CeO2颗粒作为纯柴油的添加剂,发现随着纳米CeO2添加量的增加,BSFC逐渐降低,最大降幅达到9.5%。然而,文献[8]发现柴油中添加少量(25 mg/kg)纳米SiO2颗粒后会导致油耗升高,当添加量增大到50 mg/kg时才能起到降低油耗的作用。

不同负荷下发动机燃用各燃料的制动热效率(brake thermal efficiency,BTE)变化趋势如图3所示。

图3 不同负荷下各燃料BTE的变化规律

从图3可以看出,发动机燃用不同燃料时BTE随负荷的变化一致,都呈上升趋势。这是由于随着负荷增加,缸内温度升高优化了燃油的雾化,降低了发动机BSFC,进而提高了热效率。与D100相比,发动机燃用B20的BTE降低了1.2%～3.3%，这归因于生物柴油较高的运动黏度不利于燃油蒸发雾化,导致B20燃烧变差[16]。而B20中添加纳米颗粒后,BTE能够提升0.37%～4.9%,随着纳米颗粒添加量的增加升幅更加明显。尤其是发动机燃用B20Si100Ce100时,其BTE能达到与D100相同的水平，这是因为与B20相比,燃油中添加纳米颗粒加速了燃烧过程中的不稳定反应,所以提升了燃油燃烧的热效率[20]。文献[9]使用纳米CeO2和CNT作为混合添加剂以期改善柴油/乙醇燃料的燃烧性能,结果显示BTE最大仅能提高1.9%。

2.2 排放特性

柴油机燃用不同燃料时CO比排放量随负荷变化的规律如图4所示。

图4 CO比排放量随负荷变化的曲线

从图4可以看出,各燃料CO的排放随发动机负荷的增加而降低,并在高负荷下略有增加。柴油机CO主要源于燃油喷注中过浓部分的不完全燃烧[1]。低负荷工况下,缸内温度过低,燃料蒸发雾化效果较差,因此燃料不完全燃烧的现象增多,进而导致 CO 的排放较高[2];随着负荷的增加,燃烧室内燃烧温度逐渐升高,缸内更好的蒸发雾化条件促进了燃料的完全燃烧,进而降低了 CO 排放;在高负荷下,虽然缸内燃烧温度较高,但缸内混合气过浓,同时燃油后燃较严重,这同样会促进 CO排放。

各负荷下,柴油中添加生物柴油会导致CO排放降低。由于生物柴油中含有氧,可以增加局部富油区域的空燃比;同时,燃料分子中含有的氧可以改善扩散燃烧后期CO的氧化过程,因而降低了CO排放[5]。此外数据显示,B20中添加纳米SiO2和CeO2颗粒能够进一步降低CO排放,且随着纳米颗粒添加量的增加,CO排放量逐渐降低,这是由于纳米颗粒的添加优化了缸内燃烧过程,使得燃料的燃烧更加充分。再者,纳米CeO2颗粒能够参与燃烧反应生成O2,这势必会加快CO的氧化速率[21]。B20添加纳米SiO2和CeO2后,各负荷下对CO排放的降低幅度在19%～67.7%。同样,文献[21]发现相较于纯生物柴油,添加纳米CeO2可降低26%的CO排放。

发动机燃用不同燃料时未燃碳氢化合物HC比排放量随负荷增加的变化趋势如图5所示。

从图5可以看出,随着负荷的增加,HC排放逐渐降低。在燃油喷注区域的外围,过稀混合气的未燃是柴油机HC排放的主要来源[1]。低负荷时,空燃比较大,同时较低的缸内温度不利于燃料蒸发雾化,更多未燃混合气进入排气导致 HC 污染物排放较高；随着负荷的增加,缸内温度逐渐升高,燃料更好地蒸发雾化,使得油气混合更加均匀,燃烧更加充分,因此降低了HC的排放。

图5 未燃HC比排放量随负荷变化的曲线

与D100相比,使用B20混合燃料会导致HC排放量显著增加。在所有负荷下,HC排放的增幅在37%～51%之间。尽管B20含氧可以改善燃烧,但由于生物柴油的运动黏度较高,使得B20的雾化效果变差,易形成较大的燃料液滴导致燃烧不完全,从而增大了HC排放。在文献[17]的研究中也观察到,发动机燃用生物柴油会导致HC排放的升高;然而,同样是生物柴油在单缸柴油机上的应用,文献[22]却发现生物柴油能够有效降低HC的排放,且最大降幅能达到近70%。这一截然不同的趋势可能与生物柴油的组分不同有关。相较于B20,发动机燃用纳米流体燃料在各负荷下对HC排放的降幅在11.8%～41.9%,并且随着纳米颗粒添加量的增加,HC排放逐渐降低。尤其是发动机燃用B20Si100Ce100时,其HC排放在各负荷下都能达到低于D100的水平。这归因于纳米颗粒改善了燃烧,使得燃料燃烧更加充分。此外,纳米CeO2颗粒能够与碳氢化合物发生化学反应，即CeO2+CxHy→Ce2O3+CO2+H2O,使HC继续被氧化而减少[9]。在文献[19]的研究中也发现纳米CeO2能够有效降低HC的排放。但并不是所有纳米颗粒添加剂都对HC排放有降低作用,如文献[23]的研究发现纳米Si和纳米Al颗粒会增加HC排放。

不同负荷下发动机燃用各燃料的氮氧化合物NOx比排放量的变化趋势如图6所示。

高温、富氧以及反应持续时间是影响NOx排放的主要因素[1]。从图6可以看出,随着负荷的增大,NOx的比排放量呈下降趋势。尽管负荷增大后,缸内温度升高会引起NOx排放的体积分数上升,但功率的增幅更加显著,因而导致NOx的比排放降低。

图6 NOx比排放量随负荷变化的曲线

从图6还可以看出,发动机燃用B20的NOx排放比D100低8.9%～15.8%。如前所述,生物柴油具有较低的热值和较高的汽化潜热,导致发动机燃用B20的缸内温度比D100低,因此降低了NOx的排放。B20中添加少量的纳米颗粒能够进一步降低NOx的比排放,然而大量添加纳米颗粒后反而会造成NOx的比排放升高。与B20相比,发动机燃用B20Si25Ce25最大能够降低约4.9%的NOx排放量，可能的原因是CeO2在燃烧过程中参与反应生成的Ce2O3充当还原剂，与NO发生反应，即Ce2O3+NO→CeO2+N2,将NO还原为N2,从而降低了NOx的排放量[9]。而相对于B20,发动机燃用B20Si50Ce50和B20Si100Ce100的NOx比排放分别增加了约3.4%和6.8%，这是由于大量的纳米SiO2和CeO2颗粒添加剂显著增强了燃烧过程并导致缸内温度升高,使得NOx的生成速率超过了其被还原的速率,进而增加了NOx的排放量。尽管如此,纳米流体燃料的NOx排放量仍然低于D100。而同样使用生物柴油作为替代燃料,文献[24]的研究发现添加纳米Al2O3颗粒会导致NOx排放增加4.8%～7.95%,且高于纯柴油的NOx排放量。

不同负荷下各燃料碳烟排放(不透光率)的变化规律如图7所示。

从图7可以看出,随着负荷的增加,碳烟的排放量逐渐升高。这是由于随着负荷的增加,循环喷油量增多,导致缸内可燃混合气过浓；同时喷油持续期也随着负荷的增大而延长,使得扩散燃烧期变长[1]。在这2个因素的共同作用下,燃料不充分燃烧的现象加剧,导致碳烟的排放升高。

图7 碳烟排放(不透光率)随负荷变化的曲线

此外,发动机燃用B20的碳烟排放量在各负荷下都低于D100,且最大降低幅度达34.4%。这是由于生物柴油自供氧的能力可以降低燃烧室中过浓混合气的比例,使燃烧更加充分;再者,生物柴油中高分子烃类(如芳香烃)含量比柴油少,高分子烃属于难以燃烧完全的物质,燃油中较少的高分子烃含量可以减少过浓区燃料裂解的发生,从而降低烟度[15]。

同时,B20中添加纳米颗粒后,发动机的碳烟排放能够进一步降低,随着纳米颗粒添加量的增加,降幅会更加明显。一方面,随着纳米颗粒添加量的增加,缸内燃烧得到改善,使得燃料燃烧更加充分;另一方面,CeO2与碳烟反应，即CeO2+Csoot→Ce2O3+CO2,从而进一步降低碳烟排放[9]。数据显示,相对于D100和B20,纳米流体燃料分别能够降低约77.0%和66.7%的碳烟排放。碳烟是柴油机最主要的排放,而结合生物柴油和纳米SiO2和CeO2添加剂能够有效地降低其排放量。

3 结 论

本文在一台单缸四冲程柴油机上研究了纳米SiO2和CeO2添加剂对柴油/生物柴油掺混燃料燃烧和排放特性的影响。主要结论如下:

(1) 纳米SiO2和CeO2颗粒优化了柴油/生物柴油掺混燃料的燃烧,使得缸内峰值压力和放热率升高,燃烧始点提前,滞燃期缩短,并且随着纳米颗粒添加量的增加,优化程度愈发明显。

(2) 柴油中掺混生物柴油会导致发动机油耗升高,BTE下降。使用纳米SiO2和CeO2添加剂能够有效改善生物柴油的燃料特性,从而降低发动机油耗,提升热效率。在柴油/生物柴油掺混燃料中分别添加100 mg/kg的纳米SiO2和CeO2颗粒后,发动机BSFC最大可降低5.9%,BTE最大能提高4.9%且能够恢复到与柴油相同的水平。

(3) 生物柴油的添加可以降低发动机CO、NOx和碳烟排放,但会导致HC排放升高。而添加纳米SiO2和CeO2颗粒后,CO和碳烟的排放能够进一步下降,同时HC排放也能降低到低于柴油的水平,且随着纳米颗粒添加量的增加,降幅更加明显。数据表明,纳米颗粒的添加能够使CO、碳烟和HC排放分别降低约67.7%、66.7%和41.9%。此外,在柴油/生物柴油掺混燃料中分别添加25 mg/kg的纳米SiO2和CeO2颗粒可以使NOx排放降低约4.9%,而随着纳米颗粒添加量的增加,会导致NOx排放升高,但仍低于柴油的NOx排放量。

(4) 向柴油/生物柴油掺混燃料中添加纳米SiO2和CeO2可以提高发动机性能并减少污染物排放。这种技术有助于提高生物柴油的添加比例,进而减少对化石燃料的依赖。