2021, Vol. 41
[PDF全文]
2. 天津大学环境科学与工程学院, 天津 300072;
3. 天津市生物质废物利用重点实验室, 天津 300072
2. College of Environment Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;
3. Tianjin Key Lab of Biomass/Wastes Utilization, Tianjin University, Tianjin 300072
内燃机由于其可靠性, 适应性和低成本等优点在农业、工业和运输业等方面被广泛使用(Reitz, 2013; Hoseini et al., 2017), 但内燃机大范围使用也造成了环境污染和能源短缺(Laha et al., 2017; Soudagar et al., 2018; 刘海峰等, 2020).其中传统化石燃料的使用是造成气候变化或者全球变暖等问题的主要原因之一, 从20世纪80年代开始, 超过84%的大气中的碳排放来自于化石燃料(Boden et al., 2017).
近年来, 我国机动车保有量持续增长, 机动车污染成为我国空气污染的重要来源.据生态环境部日前发布《中国移动源环境管理年报(2019)》, 2018年全国机动车保有量达到3.27亿辆, 同比增长5.5%；其中, 柴油车占9.1%, 但柴油车排放的NOx接近汽车排放总量的70%, PM超过90%；占汽车保有量7.9%的柴油货车, 排放了60.0%的NOx和84.6%的PM, 是机动车污染防治的重中之重.为应对日益严格的排放法规, 醇类作为石油的替代燃料已成为当前研究热点(Zheng et al., 2015a; 2015b; Liu et al., 2018; 王灿等, 2020).为了改善内燃机的燃油经济性同时减少排放, 醇类燃料如甲醇和乙醇, 由于较低的生产成本、对环境友好等特点已经被广泛研究(Sayin, 2010; Aydin et al., 2010; Liu et al., 2019).乙醇汽油已经在许多国家得到了推广和使用, 但是甲醇或乙醇在柴油机上的应用方面, 由于二者与柴油相差较大的极性导致了混合燃料互溶性较差, 形成分层, 因此为了混合燃料的稳定性和试验结果的准确性, 许多研究者会通过添加助溶剂来解决混合燃料液相分离的问题(Huang et al., 2004; Liu et al., 2019; Wu et al., 2020).其中四氢呋喃被认为是助溶性较好的一种助溶剂, 添加较少的比例就可以大幅度的提升混合燃料的稳定性(Jin et al., 2019; Wu et al., 2020).
四氢呋喃(THF) 是一种无色, 与水混溶, 常温常压下有较小粘稠度的有机液体, 是一种重要的有机合成原料, 化学式为(CH2)4O.我国四氢呋喃的消费领域主要是医药、农药和溶剂.由于近年来生产方法的改善, 原料来源更加广泛, 例如以糖醛、顺酐、1, 4-二氯丁烯和丁二烯等为制取原料的顺酐催化加氢法、丁二烯氧化法等方法制取四氢呋喃, 产量逐年增加(白建红等, 2018).研究发现呋喃类燃料例如2, 5-二甲基呋喃和四氢呋喃是很有发展前景的生物替代燃料, 作为含氧的替代燃料逐渐成为研究热点(张全长等, 2014; Giri et al., 2017).相比于目前被广泛研究的、同样作为含氧燃料的甲醇和乙醇, 四氢呋喃拥有与二者相似的燃料特性.十六烷值较低, 作为燃料燃烧会使滞燃期延长, 预混燃烧比例提高(何邦全等, 2003)；燃料自身含氧, 使缸内的燃烧更充分, 减少碳烟以及一些工况下的HC排放(胡斌等, 2017; Rakopoulos et al., 2019)；汽化潜热较高, 使缸内温度降低, 可以在一定条件下减少NOx排放(Rakopoulos et al., 2008; Wu et al., 2020)；粘度较低, 挥发性较好, 可以改善燃油的雾化, 改善油气混合.由此可见, 四氢呋喃不仅可以作为助溶剂使用, 而且有成为替代燃料的潜力.在燃料特性方面, 四氢呋喃与甲醇、乙醇相比也具有一定优势.四氢呋喃具有更高的低热值, 相同的巡航里程所需的油箱更小；亲水性较差, 因此在储存时较为稳定, 不易受到污染；与柴油之间完全互溶, 在研究与日常使用中不用考虑互溶性以及燃料分层的问题(Wu et al., 2020).
综上可知, 四氢呋喃作为替代燃料具有发展前景, 但目前有关四氢呋喃在重型柴油机上的研究很少, 因此, 本试验针对不同混合比例的柴油-四氢呋喃混合燃料进行研究, 试验燃料分别为纯柴油以及两种不同比例的柴油-四氢呋喃混合燃料, 四氢呋喃的混合比例分别为5%和15%.由于发动机的喷油策略对改善燃油经济性和减少排放起着非常重要的作用, 许多研究者也在相关研究中分析了两个主要的喷油策略, 不同主喷时刻以及喷油压力对发动机燃烧和排放的影响(Can et al., 2004; Puhan et al., 2009; Sayin et al., 2009), 因此, 本试验中针对不同工况下的主喷时刻和喷油压力进行调节, 分析不同喷油策略下柴油-四氢呋喃混合燃料对发动机燃油经济性和排放特性的影响规律.
2 试验装置与研究方法(Test device and research method) 2.1 发动机试验装置试验在一台六缸、四冲程重型柴油机上进行, 单级涡轮增压, 电控高压共轨燃油喷射系统. 发动机参数如表 1所示, 试验台架示意图如图 1所示.试验台架系统包括重型柴油机、水力测功机、进排气系统、缸内压力采集系统、排放测试系统.缸内压力数据采集系统包括压力传感器(Kistler 6125C, 瑞士)、电荷放大器和数据采集系统.每个试验点的采样频率为100个循环的缸压, 采集间隔为0.5度曲轴转角(℃A).进行缸内数据分析时建立单区放热模型, 通过Woschni传热模型获得传热系数, 并假设油气混合物以及缸内温度是均匀的.这种计算放热率的模型已经在之前的研究中使用过(Liu et al., 2013; 房性会等, 2019; 刘海峰等, 2019). 试验过程中发动机的废气通过排气分析仪(HORIBA MEXA 7100DEGR, 日本) 进行测量与分析.排气中的烟度由滤纸式烟度计(AVL 415S, 奥地利) 进行测量, 碳烟排放的计算公式如下(单位为g·kW-1·h-1)：
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(1) |
| 表 1 试验发动机主要技术参数 Table 1 Engine main specifications |
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| 图 1 试验台架示意(Liu et al., 2019) Fig. 1 Schematic of experimental setup(Liu et al., 2019) |
式中, FSN为经过滤纸烟度计测量的烟度, 该公式FSN的适用范围为0~8.08；mair and mfuel是进气和燃料的质量流量(kg·h-1)；Pe是有效功率(kW).试验过程中冷却水温度控制在(85±2) ℃, 机油温度控制在(110±2) ℃, 每个测试点待发动机运行状况稳定数分钟后记录数据.仪器的测量精度如表 2所示.
| 表 2 测量仪器精度 Table 2 Uncertainties of the measurement instruments |
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在之前的研究中(Wu et al., 2020)已经通过滴定试验确定了柴油和四氢呋喃之间的互溶性, 二者完全互溶, 不需要添加助溶剂.
试验选用的3种燃料分别命名为纯柴油(中国商用第五阶段柴油)、T5 (柴油-四氢呋喃混合物, 四氢呋喃比例为5%)和T15 (柴油-四氢呋喃混合物, 四氢呋喃比例为15%).柴油、四氢呋喃和试验混合燃料等燃料的掺混比例和主要特性如表 3所示, 加入的四氢呋喃比例增加, 十六烷值和低热值依次降低, 氧含量和汽化潜热依次增加.
| 表 3 柴油、四氢呋喃和试验混合燃料的主要特性(Smallwood, 1996; Kessler et al., 2017; Jin et al., 2019; Ma et al., 2020) Table 3 Main properties of diesel, THF and test blended fuels(Smallwood, 1996; Kessler et al., 2017; Jin et al., 2019; Ma et al., 2020) |
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为了分析四氢呋喃对柴油燃油经济性和排放特性的影响, 试验工况选择的是在十三工况点中加权系数较高的1137 r·min-1转速, 25%负荷工况点以及该转速下对应的70%负荷这两个工况点, 并以原机国六脉谱图为基准进行主喷时刻和喷油压力的调节, 两个工况点调节的主喷时刻以及喷油压力如表 4所示.
| 表 4 试验工况及喷油策略 Table 4 Operating conditions and fuel injection strategies |
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发动机的BSFC和BTE直接关系到整车碳排放.图 2为25%和70%负荷工况下的不同喷油策略的燃油消耗率(BSFC)和有效热效率(BTE).图 3为25%和70%负荷工况下的不同喷油时刻和压力下的缸内压力和放热率曲线.图 2表明, 喷油时刻的提前和喷油压力的提高均使油耗降低, 有效热效率升高.从图 3a、3c中可以看出, 主喷时刻的提前会使滞燃期延长, 油气混合更充分, 预混燃烧比例提高, 燃烧等容度增加, 缸压和放热率峰值升高；从图 3b、3d中可以看出, 喷油压力的提高会改善燃油的雾化, 与主喷时刻提前产生的影响相似, 预混燃烧比例增大, 进而提高有效热效率.四氢呋喃的加入对于燃油消耗率和热效率主要有6点影响：①四氢呋喃的含氧量比柴油高, 加入后可以提高混合燃料中的含氧量, 使燃烧更完全；②汽化潜热更高, 降低的缸内的燃烧温度, 反应速率减小；③十六烷值低, 滞燃期延长；④饱和蒸汽压较高, 挥发性较强, 可以提高预混燃烧比例, 但是在小负荷下会由于滞燃期较长使部分区域的混合气过稀, 燃烧效率变差；⑤粘度较低, 燃油泵驱动低粘度的燃料需要消耗更多的能量；⑥热值较低, 相同工况下需要向缸内喷入更多的燃料, 喷油持续期延长, 爆压降低.燃油消耗率的增加主要是由于四氢呋喃的加入以及比例的提高使混合燃料的热值逐渐降低, 油耗增加.对于有效热效率, 小负荷下, 一方面由于四氢呋喃的加入使混合燃料的热值降低, 喷油持续期延长, 爆压降低, 同时四氢呋喃的加入使燃烧相位推迟, 燃烧等容度减小, 这一点从图 3a、3b中可以看出；另一方面, 四氢呋喃降低了混合燃料的粘度, 增加了泵油损失, 这两点成为有效热效率降低的主要影响因素.而当四氢呋喃的比例进一步提高到15%时, 由于含氧量, 挥发性的进一步提高, 在一定程度上改善了燃烧, 因此相比于T5有效热效率有一定程度的提高.在大负荷下, 由于缸内的温度较高, 汽化潜热高和挥发性大造成的小负荷下燃烧温度低, 混合气过稀导致的燃烧效率低的负面影响减小, 因此, 四氢呋喃的加入对大负荷下燃料燃烧产生的影响较小, 如图 3c、3d所示.这就导致混合燃料与纯柴油相比有效热效率的下降幅度和燃油消耗率的增加幅度均比小负荷时小, 如图 2所示.由于四氢呋喃的粘度低, 会增加泵油损失, 当大负荷下喷油压力高于100 MPa时, 混合燃料的燃油消耗率和有效热效率随着喷油压力的提高基本保持不变.
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| 图 2 3种燃料在不同喷油策略下的燃油经济性 (a.喷油时刻影响, b.喷油压力影响) Fig. 2 BSFC and BTE of test fuels at different fuel injection strategies |
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| 图 3 3种燃料在不同喷油策略下的燃烧特性 (a.25%负荷喷油时刻影响, b.25%负荷喷油压力影响, c.70%负荷喷油时刻影响, d. 70%负荷喷油压力影响) Fig. 3 Combustion analysis of test fuels at different fuel injection strategies |
3种燃料在25%和70%负荷不同喷油策略下的NOx、Soot、CO、HC排放分别如图 4和图 5所示, 从图 4a和4b可以看出, 小负荷下主喷时刻的提前和喷油压力的提高使NOx排放增加, 碳烟排放以及CO排放减少, HC排放基本保持不变, 主要是由于这两种喷油策略的调整会改善油气混合, 提高局部的空燃比.四氢呋喃的加入增加了混合燃料含氧量, 十六烷值降低, 滞燃期延长, 再加上较好的挥发性, 燃烧过程中的空燃比变大, 这些因素有利于NOx生成, 尽管汽化潜热较高会降低缸内温度, 不利于NOx生成, 但是十六烷值和含氧量是主要影响因素, T5与T15的NOx排放相比于纯柴油明显增加.
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| 图 4 3种燃料在25%负荷下不同喷油策略下的排放特性 (a.25%负荷喷油时刻影响, b.25%负荷喷油压力影响) Fig. 4 Emissions of test fuels at different fuel injection strategies at 25% load |
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| 图 5 3种燃料在70%负荷下不同喷油策略下的排放特性 (a.70%负荷喷油时刻影响, b. 70%负荷喷油压力影响) Fig. 5 Emissions of test fuels at different fuel injection strategies at 70% load |
T5的碳烟排放与纯柴油相当甚至在一些工况下高于纯柴油, 这是因为四氢呋喃的杂环结构容易生成芳香烃, 这会增加碳烟的生成, 但是四氢呋喃的含氧量较高, 有利于碳烟的进一步氧化；挥发性好, 燃烧过程中局部空燃比增大；四氢呋喃的m(H)/m(C)高, 会减少碳烟排放, 因此, T5的碳烟排放与纯柴油相比变化较小, 但是T15的碳烟排放较柴油相比明显降低.
对于CO排放, 小负荷下由于缸内温度较低, CO氧化较弱, 四氢呋喃加入进一步延长滞燃期, 使靠近壁面的淬冷层厚度增加, 并且在过稀区域的CO没有进一步的氧化, 因此, T5和T15的CO排放相比于纯柴油增加.
HC排放随着四氢呋喃比例的增加逐渐增加, 这是由于小负荷下缸内温度较低, 四氢呋喃的加入使滞燃期延长, 较好的挥发性使得缸内的混合气存在较多的过稀区域, 并且余隙中也存在未燃的混合气, 因此, HC排放随着四氢呋喃比例的增加逐渐增多.
从图 5a和5b可以看出, 大负荷下主喷时刻提前和喷油压力提高使NOx、Soot和CO排放变化和小负荷时一样, HC排放随主喷时刻提前基本保持不变, 随喷油压力的提高而减少.大负荷下四氢呋喃的加入对NOx和碳烟排放的影响与小负荷下相同, T5和T15的NOx排放相比于纯柴油增加, T5的碳烟排放与纯柴油相当甚至在一些点下高于纯柴油, T15的碳烟排放较纯柴油明显降低.
CO和HC排放相比于小负荷明显降低, 二者随着四氢呋喃比例的增加逐渐减少.由于大负荷下缸内温度较高, 混合燃料中四氢呋喃的加入改善了燃料的挥发性, 改善了混合气的质量, 四氢呋喃的含氧量高, 有助于CO的进一步氧化, 并且四氢呋喃的含碳量比柴油低, 这些原因使CO排放随着四氢呋喃比例的增加逐渐减少.大负荷下空燃比较小, 含氧量成为影响燃烧的主要因素, HC排放同样也由于四氢呋喃较高的含氧量而减少, 但当四氢呋喃的比例进一步提高时可以看出, T15的HC排放相比于T5有所提高, 但还是比纯柴油低, 可见即使大负荷下缸内温度较高, 四氢呋喃的比例也不宜过高.
通过与其他掺混燃料研究的结果对比, Liu等(2019)分析了乙醇、PODE与柴油掺混后混合燃料的有效热效率, 混合燃料在中小负荷下的有效热效率与纯柴油相当；Rakopoulos等(2019)指出柴油中加入乙醇后使有效热效率略有升高, 并且随乙醇比例的增大, 升高幅度增大.四氢呋喃加入后, 由于较低的粘度增加了泵油损失, 较低的十六烷值推迟了燃烧相位, 燃烧等容度降低, 混合燃料的有效热效率相比于纯柴油下降了1%~2%, 在之前的研究中(Wu et al., 2020), 四氢呋喃作为助溶剂, 只加入5%四氢呋喃使有效热效率降低, 随着乙醇的加入以及乙醇掺混比例的增加, 混合燃料的有效热效率与纯柴油相当甚至在大负荷下高于纯柴油.相比于四氢呋喃, 乙醇的高含氧量和略高的粘度等弥补了其他燃料特性对有效热效率的负面影响.可见, 四氢呋喃由于较好的助溶性更适合应用在混合燃料的助溶方面, 作为柴油的混合燃料成分会降低发动机的有效热效率.
4 结论(Conclusions)1) 与纯柴油相比, 5%四氢呋喃的加入使燃油消耗率增加, 有效热效率降低；当四氢呋喃比例进一步提高时, 加入15%四氢呋喃有效热效率相比于5%四氢呋喃有一定程度提高, 但仍低于柴油.大负荷下混合燃料的燃油消耗率和有效热效率与纯柴油之间的差异变小, 当喷油压力高于100 MPa时, 混合燃料的燃油消耗率和有效热效率随喷油压力的提高基本保持不变.
2) 与纯柴油相比, 小负荷下四氢呋喃加入使NOx、CO和HC排放增加, T5的碳烟排放相比于纯柴油变化较小, T15的碳烟排放较柴油明显减少；大负荷下四氢呋喃加入使NOx排放增加, CO和HC排放逐渐降低, 碳烟排放变化趋势与小负荷一致. 由此可见, 四氢呋喃的加入使NOx排放增加, 碳烟排放减少, CO和HC排放在小负荷下增加, 大负荷下降低.
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