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以2,5-二甲基呋喃和柴油混合物为燃料的柴油机燃烧和排放特性
Helin Xiao, Beibei Hou, Pengfei Zeng, Ao Jiang, Xianjun Hou, Jianguo Liu
摘要
目前，由于发现了新的生产方法，全世界对2,5-二甲基呋喃（DMF）的发展潜力产生了兴趣。然而，DMF的燃烧和排放性质很少被研究。在这里，我们研究了燃料特性和负荷如何影响以柴油-DMF混合物或纯柴油为燃料的四缸直喷式压缩点火（DICI）发动机的燃烧和排放性能。实验条件是载荷为0.13至1.13MPa的制动平均有效压力（BMEP）和恒定速度为1800rpm。我们发现BMEP为0.38 MPa时，最大放热率（HRR）上升，峰值气缸压力随着混合物中DMF质量分数的增加而显著降低。然而，在0.63MPa BMEP下，峰值气缸压力和HRR均随着DMF质量分数的增加而增加。对于每种试验燃料，1,3-丁二烯，苯和乙醛的排放都随着负荷的增加而下降。此外，DMF和柴油混合增加了乙醛的排放，减少了苯和1,3-丁二烯的排放。成核模式极大地支配了整个负载范围内的粒径分布。在大多数操作条件下，DMF和柴油混合倾向于降低颗粒质量浓度和数量浓度。然而，在1.13MPa BMEP下，DMF和柴油混合倾向于增加颗粒数浓度。
关键词：
2,5-二甲基呋喃 DICI发动机 燃烧 非常规排放物 成核模式 粒径分布
- 引言
石油短缺和全球变暖迫使能源供应网络发生革命，特别是在运输领域。过去十年来，人们越来越关注新一代的可再生燃料[1–4].在所有被研究的生物燃料中，SI发动机中最常见的燃料是生物乙醇，因为它具有较大的辛烷值[5–8].它也用于柴油发动机。然而，在中国，由于耕地面积的限制和庞大的人口，生物乙醇的大规模普及是不可能的。
燃料生产技术的发展导致发现了许多柴油替代品，例如2,5-二甲基呋喃（DMF）。最近，DMF生产技术得到了显著改进[9–11]，使得DMF开始广泛的取代压缩点火发动机中的柴油。例如，果糖 - DMF或生物质 -液体转化的效率和生产效率大大提高[12,13]。不依赖于酸催化剂[10]获得了高产量的5-羟甲基糠醛（HMF，一种DMF中间体），使得生产技术进一步发展。该方法在很大程度上节省了使用葡萄糖作为HMF原料的成本。而且，纤维素可以转换为呋喃产品[14].所有这些方法都促进了DMF的应用。
DMF具有与汽油相似的理化性质（表格1），并且一些属性使其更可以作为发动机燃料。首先，DMF的能量密度比乙醇高40％，大约相当于汽油（8％以内）[15]。其次，沸点高于乙醇，这降低了DMF在运输过程中的挥发量[16]。最后，由于不溶于水，DMF不像乙醇那样从空气中吸收水分，因此可以稳定地储存，而不会造成地下输送管道中的污染[17]。这些特性使DMF成为非常有前景的汽油替代品。
DMF的燃烧和排放已被广泛研究[18–22]。丹尼尔等人[23]研究了火花正时和负载对以DMF为燃料的缸内直喷（DISI）发动机的影响，发现DMF具有与汽油类似的燃烧和排放特性。丹尼尔等人[22]还研究了DMF在SI发动机中的燃烧性能，发现DMF在双喷射系统的应用中非常有前途。然而，柴油发动机中DMF的燃烧和排放性能很少被研究。国内张桥，陈格斯等人[24–26]发现添加DMF可以有效减少柴油机的烟尘排放。
非常规排放物会严重损害人类和其他生物的健康。一些非常规排放物即使是少量排放到空气中，也会影响其所在地区大部分人口的健康。关于DMF规定排放物的研究很多，但很少涉及甲醛，乙醛或苯等非常规排放物。空气中的颗粒物（PM）也是几种严重的健康问题的危险根源。因此，我们研究了不同比例DMF和柴油混合物与柴油对柴油机的燃烧性能和非常规排放物以及PM排放的影响。实验条件是发动机转速恒定为1800rpm，负荷从10％到90％，间隔为20％，分别对应0.13,0.38,0.63,0.88和1.13MPa的BMEP。
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实验系统和方法
- 发动机和仪表
改进的水冷四冲程缸内直喷压缩点火（DICI）发动机，安装有传统的高压共轨燃油喷射系统（图1），规格如表2所示。发动机连接到涡流测功机，使发动机转速保持恒定在1800plusmn;5 rpm并调节输出扭矩。为了确定和监控所需的发动机参数，用电气控制模块（ECU）（由Cheng Du ELECK Company，China提供）调节发动机参数。燃料喷射的时间和质量由电控制模块（ECU）精确调节。在ECU管理器上显示数据达到上止点（BTDC）之前，喷油正时保持在7.5曲柄角（CA）。
安装在气缸盖壁上的Kistler 6025C压力传感器检测到缸内压力，信号首先传输到电荷放大器，然后传输到CB-466燃烧分析仪。以0.25CAD的间隔收集一百个连续循环的数据，取其平均值作为测量值。进气温度（25plusmn;1℃）和进气压力分别由空调系统和附加压缩机控制。温度控制器使冷却剂和机油温度保持在85plusmn;1℃下，同时润滑油在加载时温度稳定在87plusmn;2℃。通过K型热电偶测量温度。
通过DMS500 Combustion测量粒径分布和粒子数浓度（PNC），其提供4.87-1000nm粒子的数量/尺寸谱。使用气相色谱仪（GC）测量各种非常规排放物。
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- 试验燃料
此次实验用柴油（基础燃料，中国石油化工股份有限公司）和DMF（TZHL Biological Technology Co.Ltd，99％纯度）作为试验燃料。将0,10％和30％DMF与柴油（质量分数）的混合物分别称为D0，D10和D30。
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- 实验程序
当润滑油和冷却剂分别保持在87℃和85℃时，发动机被认为是加热到正常工作。其他测试条件是1800rpm的转度，7.5°CA BTDC的喷油正时和周围大气（25plusmn;1℃）。发动机负荷以20％的间隔从10％变化到90％，相当于0.13,0.38,0.63，0.88和1.13 MPa BMEP。更换新燃料后，发动机在数据采集前运行15分钟，清除每次测试后留下的残留物。每次测量重复20次，确保结果的可靠性。
表格1柴油，生物乙醇，DMF和汽油的性质
图1.发动机和仪表设置示意图
3. 结果和讨论
3.1. 燃烧特性
图2显示了三种试验燃料的缸内压力和热释放速率（HRR）曲线。在0.38MPa BMEP（30％负荷）下，随着DMF质量分数的增加，气缸的峰值压力显著降低并且燃烧在稍后的曲柄角度处开始，这是因为DMF的点火比柴油更加延迟。据研究报告，较小的十六烷值和较高的汽化潜热都会延长着火延迟[25]。DMF的十六烷值比柴油低得多（见表格1)。因此，DMF延长着火延迟的主要原因是其十六烷值较低。然而，DMF质量分数的增加显著增加了HRR的峰值[27]。原因是具有较高DMF质量分数的混合物具有比柴油更长的着火延迟，可以形成更多的可燃混合物和更快的燃烧。
然而，在0.63MPa BMEP（50％负荷）下，HRR和气缸峰值压力都随着DMF质量分数的增加而增加。DMF氧化可以加速燃烧和在上止点（TDC）附近释放更多的能量，这极大地增加了汽缸内的压力。然而，由于在这些负载条件下燃烧室内的高温补偿了由于低十六烷值引起的点火延迟，因此燃烧阶段没有明显不同。
表2发动机规格
图2.不同燃料在0.38 MPa BMEP（a）和0.63 MPa BMEP（b）下的气缸压力和热释放速率
3.2. 非常规排放物
图3 显示了三种试验燃料的1,3-丁二烯排放随发动机负荷的变化。每种燃料的1,3-丁二烯排放量随着发动机负荷的增加而显著下降，这是由于温度升高，而更高的燃烧温度可以促进排气冲程期间的燃烧和1,3-丁二烯后氧化。
显然，在所有负载下，DMF-柴油混合物在1,3-丁二烯排放方面明显优于柴油。DMF质量分数的增加显著降低了1,3-丁二烯的排放。一方面，DMF中较高的氧含量可促进燃烧过程中的氧气利用率，这有助于减少1,3-丁二烯的排放。另一方面，柴油由几种具有大比例烯烃的烃组成。然而，与柴油混合的DMF降低了燃料中烯烃的比例，因此D10和D30中的排气中的烯烃痕迹可能下降。
图3.三种试验燃料在各种发动机负荷下的1,3-丁二烯排放
图4显示了三种试验燃料在不同发动机负荷下的苯排放量。显然，苯排放的变化趋势大致类似于1,3-丁二烯排放。随着发动机负荷的增加苯排放先是显著降低，然后缓慢降低。随着负荷的增加，缸内温度升高，这极大促进了燃料的氧化，从而减少了苯的排放。如前所述[28]，发动机负荷和废气温度的降低限制了苯的降解，提高了苯的排放。
DMF质量分数的增加显著降低了苯的排放量。在D30中苯排放始终是最低的，在整个负载范围内D0中最高。这也是因为DMF中的氧含量促进了燃烧，从而提高了燃料的氧化并减少了苯的排放。该柴油和其他两种燃料之间的苯排放差异在0.13MPa BMEP的较低负荷端最大化。
图4.三种试验燃料在各种发动机负荷下的苯排放
乙醛是一种有毒和致癌的有机非常规排放物。图5 显示了三种试验燃料的乙醛排放随发动机负荷变化的变化。同样，在0.13-0.088MPa BMEP下，每种燃料的乙醛排放量随着发动机负荷的增加而显著下降。在0.63 MPa BMEP下的乙醛排放量下降得比D0更快。当发动机负荷增加到0.63 MPa BMEP时，排气温度比低负荷时更高。高的排气温度和DMF中的氧共同加速了排气冲程中的乙醛后氧化。发动机负荷超过0.88 MPa BMEP后再增加不会显著影响乙醛的排放。
此外，与苯和1,3-丁二烯不同，DMF与柴油混合增加了乙醛的排放。随着DMF质量分数的增加，乙醛的排放得到了促进。D30在测试负载范围内始终产生最高的乙醛排放，而在D0中乙醛的排放最低。这是因为DMF中含有的氧元素促进了乙醛的形成。柴油和其他两种燃料之间乙醛排放的差异随着负荷的增加而降低，最大值在0.13 MPa BMEP条件下，最小值在1.13 MPa BMEP条件下。这是因为随着负荷的增加，缸内温度的差异会加剧。
图5.三种试验燃料在各种发动机负荷下的乙醛排放量
3.3. PM排放
图6 显示三种试验燃料在不同发动机负荷下的PM排放。显然，随着D0和D10的发动机负荷增加，PM排放得到了促进。这是因为增加了更多的燃料并提供更大的扭矩，从而降低了空燃比。然后，在扩散燃烧中得到了更多的PM前驱物。发动机负荷的增加使进入燃烧室的燃料更多，这加强了燃料在扩散模式下的燃烧，从而促进了颗粒的形成。对于D30，PM浓度在0.38MPa BMEP下略微下降，然后随着负荷的进一步增加而增加。在0.13 MPa BMEP低负荷时，D30在相对较低的气缸压力和气缸温度下燃烧。较高的汽化潜热和较小的十六烷值都使D30的燃烧复杂化，导致燃烧不稳定甚至不完全燃烧，然后增加PM浓度。
另外，与柴油混合的DMF在大多数工况条件下倾向于降低PM浓度，除了D30在0.13 MPa BMEP负荷下。发动机负荷在0.38 MPaBMEP以上，随着DMF质量分数的增加，PM浓度逐渐降低。DMF中较大的氧含量加速了燃烧，在预混合阶段和扩散阶段都有更的多的热释放，将PM氧化固定在废气中并抑制PM的形成。此外，DMF的较低表面张力和粘度导致形成较小的颗粒，从而制备比柴油更好的空气-燃料混合物，然后降低PM浓度。
图6.三种试验燃料在各种发动机负荷下的颗粒质量浓度
图7显示了三种试验燃料在0.38,0.63和1.13 MPa BMEP下的PNC和粒径分布。通常，根据颗粒形成机理，具有lt;50nm和gt; 50nm直径的超细颗粒分别是成核模式和聚集模式[29].在0.38MPa BMEP下，DMF-柴油混合物在每种测试模式下与柴油相比显示出更低的粒径分布。由于含氧化合物中烟尘减少的趋势，每种测试模式中的PNC几乎与DMF质量分数成线性降低。DMF中较大的氧含量使得在燃烧过程中更容易获得氧，从而加速燃烧，促进氧化并减少PNC。对于每种测试的燃料，成核模式极大地支配了粒径分布，并且DMF的添加使粒径分布向较小尺寸移动。
类似地，在0.63MPa BMEP下，DMF-柴油的混合降低了两种模式的浓度。使用DMF-柴油混合物的PNC的减少可以通过DMF的富氧来解释。每种试验燃料的粒径分布由成核模式支配。然而，DMF质量分数的增加降低了聚集模式的比例，但增加了成核模式的比例。D10和D30之间粒径分布的差异是因为DMF的表面张力和粘度较低，导致形成较小的颗粒并相对延长DMF的着火延迟，有助于形成更均匀的空气燃料混合物，所有这些因素也降低了燃烧过程中聚集模式的比例。此外，在这种条件下，成核模式的比例在D30中比D10更高，这可能是由DMF中环结构的燃烧不充分引起的。
然而，粒径分布曲线在1.13MPa BMEP的高负荷下与在0.38和0.88MPa BMEP下不同。与混合燃料相比，柴油的PNC在整个直径范围内始终是最低的。对于每种测试的燃料，粒径分布在很大程度上由成核模式决定。此外，D30的成核模式比例高于D10，但没有明显差异。在聚集模式的比例上，D30聚集模式颗粒的比例略低于D10。D30中的氧含量远远高于D10和纯柴油。在此负荷下，D30在较高的温度，压力和HRR下燃烧，D30中的氧含量有助于大颗粒氧化成小颗粒，而这种现象在低负荷和中等负荷下不会发生。
图7.不同燃料在0.13 MPa BMEP（a）
0.63MPa BMEP（b）1.13MP
资料编号：[3426]
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