關(guān)于柴油機(jī)燃用煤基含氧混合燃料燃燒及排放特性的探索
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：張毅
隨著世界石油資源的日趨短缺和人們對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，煤炭的清潔化利用與內(nèi)燃機(jī)代用燃料的開發(fā)已成為能源領(lǐng)域廣為關(guān)注的焦點(diǎn)．F-T柴油，即費(fèi)托合成的煤制燃料，是煤炭經(jīng)間接液化生成的煤基代用燃料，具有十六烷值高、硫和芳烴含量低，H/C高等優(yōu)點(diǎn)。F-T柴油燃燒熱效率高，排敦污燃物少，被認(rèn)為是清潔高效的柴油機(jī)代用燃料，是實(shí)現(xiàn)煤炭在內(nèi)燃機(jī)上清潔化利用的最佳載體。研究表明，F(xiàn)-T柴油十六烷值高的特性使其燃燒提前，放熱率峰值降低，燃燒溫度降低，燃燒較柔和；柴油機(jī)燃用F-T柴油時(shí)能夠大幅降低HC，CO，NOx等的排放。但是，關(guān)于F-T柴油對(duì)于碳煙排放的影響還存在分歧，大多數(shù)研究中F-T柴油能降低碳煙的排放，少數(shù)研究中碳煙稍有升高或基本不變。
F-T柴油與含氧替代燃料的摻混燃燒是解決F-T柴油擴(kuò)散燃燒期長、碳煙排放量高等問題的有效途徑。正丁醇是一種新型生物質(zhì)燃料，與F-T柴油有很好的互溶性，其單位熱值高于乙醇，含氧量高，和乙醇相比，其更適合作為發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料。眾多學(xué)者對(duì)柴油正丁醇混合燃料開展了廣泛的研究。Yao在一臺(tái)重型柴油機(jī)上，探討了不同比例的柴油-正丁醇混合燃料的燃燒和排放特性，結(jié)果表明混合燃料降低碳煙與CO排放的效果比較明顯，并且N0x排放和燃油經(jīng)濟(jì)性并沒有明顯惡。與其他醇類燃料相比．柴油-正丁醇燃料更適合于壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
生物柴油是一種主要成分為脂肪酸甲酯的可再生的含氧生物質(zhì)燃料，具有改善燃燒并降低碳煙排放的潛力并且具有較高的運(yùn)動(dòng)黏度，有利于改善混合燃料的潤滑性能，從而保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的精密偶件不被磨損。
為了推動(dòng)煤炭清潔化利用進(jìn)程，擴(kuò)大煤制油的應(yīng)用范圍，研究燃料的理化特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。本文以F-T柴油為基礎(chǔ)燃料，添加含氧燃料丁醇與生物柴油，比較了兩種含氧燃料對(duì)碳煙的降低效果，以及對(duì)N02，NO生成機(jī)理的影響，從而得出高十六烷值燃料與含氧燃料的混合燃燒對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響規(guī)律。
1試驗(yàn)燃料及理化性質(zhì)
試驗(yàn)所用燃料包括常規(guī)商業(yè)0#柴油、無水丁醇、生物柴油和潞安集團(tuán)提供的F-T柴油，其中0#柴油作為試驗(yàn)對(duì)比燃料。以F-T柴油為基礎(chǔ)配制丁醇體積分?jǐn)?shù)分別為10%和20%的F-T柴油一丁醇混合燃料，記為N10和N20;配制丁醇和生物柴油體積分?jǐn)?shù)都為10%三元燃料，記為NlOB10。通過對(duì)N20．NlOB10兩種燃料的性能分析，比較丁醇與生物柴油對(duì)F-T柴油燃燒與排放的影響規(guī)律。表1為各燃料的基本理化特性。
F-T柴油的高十六烷值特性使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒柔和，振動(dòng)降低，可實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，但是也可能造成碳煙排放的升高，而含氧燃料能夠顯著降低碳煙的排放。因此，本文所配制的混合燃料就是具有高十六烷值特性的含氧燃料，具有同時(shí)降低NOx與碳煙排放的潛力。
2試驗(yàn)設(shè)備及方法
試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是云內(nèi)動(dòng)力公司的YN4100QBZL型直噴式柴油機(jī)，主要參數(shù)見表2。
試驗(yàn)采用四川誠邦公司的ET2500重力型油耗儀測量發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，以及DW160型電渦流測功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。試驗(yàn)使用奇石樂公司的6125B型缸內(nèi)壓力傳感器以及4618A2型電荷放大器來獲取缸內(nèi)燃燒壓力，并結(jié)合2613B型角標(biāo)儀測取的曲軸信號(hào)（采樣間隔為0.10），在德維創(chuàng)公司的DEWE-800-CA-SE型燃燒分析儀上實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)燃燒情況的分析。氣態(tài)排放使用多組分測試系統(tǒng)AVL FTIR 160傅里葉變換紅外光譜儀，該設(shè)備可以同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中HC.CO.NOX，醛類，酮類，多環(huán)芳香烴等有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與分析。使用AVL的Micro Soot Sensor 483型微碳煙排放測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線檢測氣中的碳煙微粒污染物。
為了保證試驗(yàn)的可重復(fù)性以及結(jié)果一致性，在試驗(yàn)開始前對(duì)測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)與標(biāo)定，在試驗(yàn)過程中，待發(fā)動(dòng)機(jī)在測試工況運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定30s后，對(duì)燃油消耗量進(jìn)行3次測試，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果；對(duì)排放污染物進(jìn)行1 min測量，舍棄前后15 s，取中間30 s的測試數(shù)據(jù)，求其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果；對(duì)燃燒分析儀采集的所有工作循環(huán)，選取中間的100個(gè)循環(huán)進(jìn)行燃燒分析，以此降低試驗(yàn)誤差。
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1燃燒特性分析
3.1.1燃燒過程分析
5種燃料燃燒過程（轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,平均有效壓力為0.57 MPa）參數(shù)的對(duì)比見表3。
由表3可知，混合燃料的預(yù)混合燃燒期小于0#柴油大于F-T柴油，而擴(kuò)散燃燒期卻恰好相反。這主要是因?yàn)镕-T柴油的十六烷值高，著火提前，滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混合氣較少，急燃期內(nèi)，燃燒的預(yù)混合氣少，急燃期縮短，而含氧燃料丁醇的加入使得混合燃料的汽化潛熱增大，缸內(nèi)溫度降低，滯燃期延長，形成的預(yù)混合氣相對(duì)增多，急燃期變長；F-T柴油在擴(kuò)散燃燒階段燃燒的比重增加，使得緩燃期延長，含氧燃料的加入使得擴(kuò)散燃燒的速度加快，緩燃期稍有降低。
CA50是累計(jì)放熱量達(dá)50%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，CA50能夠反映燃燒過程的能量分布，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的經(jīng)濟(jì)性與排放特性都有重大影響。因此，CA50是評(píng)價(jià)燃燒能量釋放過程的重要參數(shù)。由表3可知，雖然混合燃料的十六烷值很大，燃燒始點(diǎn)提前，但是由于前期燃燒的燃油量較少，放熱量有限，使得CA50有所增大，燃燒放熱中心向后推遲。
3 .1.2燃燒特征分析
圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000 r/min，0.57 MPa工況下，各燃料的缸壓與燃燒放熱率曲線。
由圖1a．可知，混合燃料的缸壓峰值介于0#柴油與F-T柴油之間，峰值所在相位在上止點(diǎn)后5 0CA左右，相差不大F-T柴油摻燒含氧燃料（丁醇與生物柴油）可以明顯改善燃燒質(zhì)量，提高缸壓，有利 改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，但又不至于增加發(fā)動(dòng)機(jī)的 械負(fù)荷。由圖1(b)可以看出：相對(duì)于0#柴油，混合燃料燃燒始點(diǎn)提前，燃燒放熱率第一峰值點(diǎn)降低，所在相位提前，預(yù)混合燃燒放熱量降低，有利于降低燃燒過程的最高溫度，實(shí)現(xiàn)低溫燃燒；第二峰值點(diǎn)升高，擴(kuò)散燃燒所占比重增加，但燃料的含氧特性提高了擴(kuò)散燃燒速度，使得峰值所在相位提前，緩燃期的溫度升高，利于碳煙顆粒的氧化降解。雖然混合燃料的瞬時(shí)放熱率曲線差別較大，但是在上止點(diǎn)附近燃料放出的總熱量相差不大，所以缸壓曲線相差不大。
3.2排放特性分析
3.2.1 NOx排放
圖2為外特性下混合燃料的NOx排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線。
從圖2可以看出：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，N0x的排放量先降低后升高，出現(xiàn)了N0x排放的最，氏轉(zhuǎn)速點(diǎn)：混合燃料(N10，N20，NlOB10)的NOx排放量與0#柴油相比明顯降低，并且在轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)，達(dá)到最大降幅(23.40%，26.95%，23.25%)根據(jù)燃燒過程中氮原子的氧化機(jī)理，氧分子在高溫下首先裂解，開始與氮分子反應(yīng)生成N0和氮原子，氮原子進(jìn)一步與氧結(jié)合產(chǎn)生氮氧化合物；因此，局部的高溫，氧原子的濃度和高溫持續(xù)時(shí)間是影響N0x生成的主要因素。隨著轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)燃燒溫度增加，高溫持續(xù)時(shí)間縮短。在折點(diǎn)之前，隨轉(zhuǎn)速升高，高溫持續(xù)時(shí)間的縮短對(duì)NOx的生成起主要作用，結(jié)果NOx排放量降低：折點(diǎn)之后，隨轉(zhuǎn)速升高，高溫環(huán)境促使NOx排放升高。影響混合燃料NOx排放的因素：(1)F-T
柴油的高十六烷值特性使得燃燒始點(diǎn)提前，預(yù)混合燃燒放熱率降低，最高燃燒溫度降低；(2)丁醇燃料的高汽化潛熱和較低的熱值降低了進(jìn)氣充量的溫度，降低燃燒最高溫度；(3)丁醇的加入減少了預(yù)混合燃燒的比例，降低燃燒溫度；(4)含氧燃料加快了反應(yīng)速度，減少了高溫持續(xù)時(shí)間。由圖1(b)分析可知，混合燃料的預(yù)混合燃燒放熱率峰值較0#柴油明顯降低，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，低溫燃燒是混合燃料NOx排放量降低的主要因素。 圖3為外特性下混合燃料的NO2與NO的排放曲線。由圖3可以看到,NO排放規(guī)律與NOx相似，相比于0#柴油，混合燃料的NO排放明顯降低。
混合燃料的NO2排放較柴油模式變化不大，與0#柴油相比，在低轉(zhuǎn)速下混合燃料的NO2排放升高，在高轉(zhuǎn)速下降低。NO2的生成主要通過NO的氧化反應(yīng)：NO+HO2->NO2+HO;高溫條件下，N02通過反應(yīng)：N02+O->NO+O2轉(zhuǎn)化為NO。當(dāng)形成的NO2遇到較冷的氣體會(huì)被“凍結(jié)”，因此．N02的排放量與溫度有關(guān)，低溫容易生成更多的N02。根據(jù)丁醇的低溫氧化機(jī)理，正丁醇在不斷的脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生大量的自由基HO，HO2，其中的HO主要參與燃料中烴基的脫氫反應(yīng)，HO2主要參與NO的氧化反應(yīng)產(chǎn)生NO2。這兩個(gè)方面因素的共同作用使得混合燃料(N10，N20)的NO2排放高于0#柴油。在低轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)最高燃燒溫度更低，“凍結(jié)”作用更明顯，混合燃料的NO2升高更加明顯。
3.2.2碳煙排放
柴油機(jī)尾氣中的碳煙主要由柴油中的碳在高溫缺氧條件下生成，根據(jù)研究，在局
部當(dāng)量比大于2，溫度為1 600～2 500℃時(shí)碳煙生成。雖然柴油機(jī)缸內(nèi)總體上是富氧燃燒，但是混合氣成分不均，局部缺氧還是會(huì)導(dǎo)致碳煙的生成。
圖4所示為外特性下混合燃料的碳煙排放。
由圖4可以看出，混合燃料的碳煙排放明顯低于0#柴油，高轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)的更加明顯。高十六烷值燃料與含氧燃料的混合燃燒不僅能夠降低燃燒最高溫度，而且可以改善擴(kuò)散燃燒的缺氧狀況來促進(jìn)燃燒，從而降低碳煙排放。N10,N20和N10B10的碳煙排放量較0#柴油分別平均降低71.47％，77.16%，68.80%。通過對(duì)比N20與N10B10燃料可以看出，正丁醇對(duì)于碳煙的氧化作用大于生物柴油，降低效果更加明顯，這與正丁醇的高含氧量有關(guān)。
4結(jié)論
通過分析煤基燃料與兩種含氧燃料的混合燃燒過程，可以得出如下結(jié)論。
（1）通過優(yōu)化燃燒過程，可降低預(yù)混合燃燒放熱量，實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，增加擴(kuò)散燃燒放熱量，從而利于碳煙的氧化；
(2)混合燃料的含氧特性可以顯著降低碳煙排放，其中相同體積分?jǐn)?shù)的正丁醇相較于生物柴油降低效果更加明顯，低溫燃燒可以實(shí)現(xiàn)NOx排放的降低，其中主要表現(xiàn)為NO的降低，而NO2稍有升高。
(3)燃料的十六烷值與含氧量是影響混合燃料性能的主要理化指標(biāo)，高十六烷值燃料與含氧燃料的混合燃燒能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)的性能優(yōu)化。
5摘要：
在F-T柴油中添加不同比例的丁醇、生物柴油燃料，并與0#柴油做了燃燒及排放特性的對(duì)比研究。研 究結(jié)果表明：混合燃料的預(yù)混合燃燒期、擴(kuò)散燃燒期、缸壓峰值與放熱率峰值均介于0#柴油與F-T柴油之間；相對(duì)于0#柴油，混合燃料燃燒始點(diǎn)提前,CA50增加，燃燒放熱中心向后推遲，燃燒放熱率第一峰值降低；所在相位提前，預(yù)混合燃燒放熱量降低，有利于降低燃燒過程的最高溫度，實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，第二峰值升高，擴(kuò)散燃燒 所占比重增加；在轉(zhuǎn)速為2 000 r/mi。時(shí)，混合燃料（N10,N20和NlOB10）的NO、排放量較O#柴油分別降低了 23.40%，26,95%和23.25%,其中主要是N0的降低，NO2的排放量因?yàn)榈蜏厝紵炊杂猩仙�；外特性下，碳煙排放量較0#柴油分別平均降低71.47%,77.16%，68.80%。
