基于光学发动机的柴油_聚甲氧基二甲醚引燃乙醇对比研究.pdf

第 44卷 第 4期2023年 8月Vol.44 No.4August 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering基于光学发动机的柴油/聚甲氧基二甲醚引燃乙醇对比研究姚嘉伟，王谦，戴礼明，钟汶君，姜鹏，蒋一（江苏大学 能源与动力工程学院，镇江 212013）Comparison Study of the Effects of Diesel/Polyoxymethylene Dimethyl Ethers（PODE）on Pilot Ignition of Ethanol in An Optical EngineYAO Jiawei，WANG Qian，DAI Liming，ZHONG Wenjun，JIANG Peng，JIANG Yi（School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）Abstract：In order to improve the combustion and emissions of internal combustion engines，the combustion characteristics of reactivity controlled compression ignition（RCCI）were investigated on a light-duty optical engine.The combustion properties of direct-injected diesel fuel and polyoxymethylene dimethyl ethers（PODE）igniting ethanol which was injected into the intake manifold were compared.Visual experimental analysis of the combustion process was conducted by adjusting the timing and proportion of direct fuel injection into the cylinder.The results show that the combustion pressure and heat release rate increase first and then decrease as the injection timing is retarded.The best combustion performance was observed when the injection timing was 20 before the top dead center.When the proportion of direct-injected fuel in the cylinder is increased，both the peak combustion pressure and heat release rate per cycle increase continuously，and lead to an advance in the combustion phase and a more complete combustion.The images reveal that flames occur near the wall and then spread outward in both ignition modes.The highest flame brightness and largest flame area appears near the start of combustion.There is no exposure area in the flame field when PODE ignites ethanol，while there is more exposure when diesel ignites ethanol.Compared with diesel/ethanol，the PODE/ethanol has higher cylinder pressure and heat release rate peaks，shorter ignition delay and combustion duration，higher combustion efficiency，and lower soot formation.摘要：为了改善内燃机燃烧与排放，探究反应活性控制压燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）燃烧规律，在一台轻型光学发动机上对比了缸内分别直喷柴油和聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）引燃进气道喷射乙醇的燃烧特性。通过调节缸内直喷的喷油时刻和喷油比例，对燃烧过程进行了可视化试验分析。结果表明：随喷油时刻不断推迟，缸内燃烧压力与放热率呈现先增后减的趋势，喷油时刻在上止点前 20时燃烧效果最好。随着缸内直喷燃油比例的增加，每循环燃烧压力峰值和放热率峰值不断增加，燃烧相位提前，燃烧更充分。利用高速成像技术获得的图片结果显示：两种引燃模式下火焰均发生于近壁区域并向四周扩散。火焰亮度最高和面积最大的时刻出现在燃烧始点附近。PODE 引燃乙醇时火焰场中无曝光区域而柴油引燃乙醇时存在较多曝光区。PODE/乙醇燃料组合相对文章编号：1000-0925（2023）04-0023-08440044收稿日期：2022-11-25修回日期：2022-12-31基金项目：国家自然科学基金项目（51876083）Foundation Item：National Natural Science Foundation of China（51876083）作者简介：姚嘉伟（1995），男，硕士生，主要研究方向为反应活性控制压燃，E-mail：；王 谦（通信作者），E-mail：。2023年第 4期内燃机工程于柴油/乙醇燃料组合的缸压和放热率峰值更高，滞燃期和燃烧持续期更短，燃烧效率更高，碳烟生成量更少。关键词：反应活性控制压燃；聚甲氧基二甲醚；喷油策略；可视化Key words：reactivity controlled compression ignition（RCCI）；polyoxymethylene dimethyl ethers（PODE）；fuel injection strategy；visualizationDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.04.004中图分类号：TK4210概述近年来随着全球气候问题的加剧和人们环保意识的提高，国内外针对汽车尾气排放的法规日趋严格，新能源汽车的普及也对传统内燃机行业提出了挑战13。为了进一步节能减排，内燃机研究者针对新型燃烧方式和发动机替代燃料进行了大量研究。在众多新型燃烧方式中，美国威斯康星大学的学者提 出 的 反 应 活 性 控 制 压 燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）燃烧模式备受关注4。区别于传统柴油机压燃方式，RCCI 模式使用高、低活性两种燃料和两套喷油系统，在进气道喷射低活性燃料后形成均质混合气进入气缸，然后在压缩冲程 缸 内 高 压 直 喷 高 活 性 燃 料 引 燃 缸 内 均 质 混 合气5，这使缸内形成燃料浓度梯度和活性梯度，燃烧沿梯度进行，从而达到控制燃烧相位和燃烧速率的目的6。替代燃料方面，含氧燃料成为研究热点。乙醇（C2H5OH）作为一种来源广泛的可再生生物燃料，将其应用于内燃机具有巨大潜力7。乙醇含氧量高，可以改善缸内局部当量比，抑制碳烟生成8。此外，乙醇具有高汽化潜热，可以提高进气充量系数并降低压缩冲程的缸内温度，这有助于实现低温燃烧9。文献 10 中在一台 4 缸水冷直喷柴油机上开展了乙醇掺混柴油对燃烧及排放的试验研究，研究发现乙醇掺混柴油会改善颗粒物的排放，使得颗粒物总质量有一定的减少，但乙醇的添加会提高氮氧化物（nitrogen oxide，NOx）的排放量。文献 11 中研究表明与燃用汽油相比，燃用纯乙醇使得排放的颗粒更小且总质量更低，对于改善发动机的碳烟排放起到积极作用。文献 12 中研究了 RCCI 模式下含水乙醇进气道喷射对燃烧和排放特性的影响，发现更高的乙醇替代率导致指示热效率降低，乙醇纯度的降低导致燃烧效率降低。聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）是一种具有高十六烷值和高含氧量的合成燃料，其理化特性和柴油近似，可以直接在柴油机上燃用，是一种优良的柴油替代燃料1314。PODE 分子结构式为 CH3O（CH2O）nCH3，n 为聚合度，其分子结构中不含 CC 键，因此在燃烧过程中几乎不产生碳烟15。文献 16 中试验发现，柴油中添加 PODE 后，发动机的缸内燃烧过程有所改善，滞燃期和燃烧持续期缩短，燃烧放热迅速，发动机的有效热效率提高。文献 17 中研究发现 PODE 引燃汽油预混气能够提高指示热效率，实现超低的烟度，且NOx排 放 也 维 持 在 较 低 水 平。文 献18中 发 现PODE 能量密度低，相应最大压升率低，非常适合作为高比例预混压燃燃烧的高活性燃料。目前乙醇和 PODE 在内燃机中的实际应用多数为与其他燃料进行掺混，如乙醇汽油、柴油掺混PODE 的混合燃料。本文中直接以柴油和 PODE作为高活性燃油，乙醇作为低活性燃油，在一台光学发动机上开展低负荷下柴油及 PODE 引燃乙醇可视化对比研究。利用燃烧分析仪采集的缸压及放热率数据，结合高速相机采集的缸内火焰自发光图像，通过改变高压直喷时刻及喷油比例，揭示喷油策略对 RCCI 燃烧过程的影响，并为实际应用提供数据支持。1试验装置及方法1.1试验装置试验所用光学发动机是由一台 4 缸柴油机改造而来的单缸机19，主要结构参数见表 1。图 1 为光学发动机系统示意图，主要包括进气道低压喷射与缸内高压共轨直喷相结合的双燃料喷射系统、高速摄影系 统、数 据 采 集 系 统、电 控 单 元（electronic control unit，ECU）。通过在进气口加装加热器并监测温度实现进气温度调控。利用 ECU 集成控制喷油时刻、喷油量、喷油压力与高速相机触发信号，实现多种信号的同步控制。燃烧压力及放热信号由 6058A 缸压传感器（德国 KISTLER 公司）采集，由 DEWE800燃烧分析仪（奥地利 DEWETRON 公司）计算，火焰自发光信号透过石英玻璃制成的活塞到达底部的反射镜，由高速相机捕捉，从而观测缸内燃烧过程。高速相机型号为 FASTCAM SA-Z（日本 PHOTRON 公 24内燃机工程2023年第 4期司），信号与喷油器信号同步，其拍摄速率 25 000帧/s，曝光时间 26 047-1 s，分辨率 768 像素696像素，镜头型号为 200 mm f/4D。1.2试验燃料试验中在进气道喷射的低活性燃料为无水乙醇，其纯度为 99.9%；缸内直喷的高活性燃料分别为国五 0 号柴油和 PODE 混合物，PODE 组分中各成分的体积比 VPODE3VPODE473%326%。3 种燃料的部分理化性质如表 2 所示，其中密度及低热值数据来自于试验测试以保证试验数据准确性，其余为引用的标准数据。PODE 混合物的物性参数可通过PODE3与 PODE4按混合比例推算得出。1.3试验方案本研究拟针对柴油与 PODE 分别引燃乙醇的燃烧特性开展对比研究。试验中保持测功机倒拖发动机转速为 1 200 r/min，固定每循环供油总能量为 1 400 J，通过喷油脉宽标定测试得到不同比例下的 喷 油 量。例 如 当 柴 油 或 PODE 喷 油 比 例 设 为50%、乙醇喷油比例为 50%时，表示柴油或 PODE在每循环中能量占比为 700 J，乙醇能量占比也为700 J。缸内直喷压力设定为 80 MPa，进气道喷射压力设定为 0.5 MPa。试验中固定乙醇的喷射时刻为进气冲程上止点前 300。光学发动机改造后压缩比仅为 12，远低于传统柴油机，于是在试验中增加进气加热装置，使进气温度保持为 120。设定发动机循环冷却液温度为 90，并在试验开始前使发动机充分预热。通过进气加热和水循环暖机来对低压缩比进行补偿，使缸内燃油混合气能够稳定着火。考虑到光学发动机强度要求，每次试验中发动机工作循环不能过多，且每次喷油燃烧试验结束后均需拆卸缸体进行清洗，以保证光学视窗的透光性20。2结果与讨论2.1喷油时刻对燃烧过程的影响燃料的喷射时刻能够直接影响 RCCI 燃烧过程，在不同喷射时刻下高低活性燃料进行混合的时间不同，使缸内燃油混合气产生不同的燃料浓度和活性分层。试验中将柴油或 PODE 喷油比例设为50%，乙醇喷油比例设为 50%。柴油或 PODE 的喷射 时 刻 fj分 别 设 定 为-35、-30、-25、-20、-15曲轴转角。图 2 和图 3 分别显示了柴油和 PODE 引燃乙醇情况下喷油时刻对缸内压力和放热率的影响。可以看出不管选用柴油还是 PODE，随着直喷时刻 fj从-35不断推迟至-20，缸内压力峰值及放热率峰值均不断增大。这是由于喷油时刻过早，高活性燃料有充足的时间与低活性燃料进行预混，使得混合气总体较为均匀，缸内燃料浓度分层和活性分层不明显，引燃效果较差。而将喷油时刻继续推迟至-15时，缸内压力峰值出现明显下降，放热率峰值略有下降致使燃烧效率降低。这是由于此时喷射时刻过晚，喷油器喷孔距离活塞顶部过近，部分燃油附着在活塞顶光学玻璃壁面造成雾化效果变差，导致预混可燃混合气减少。由此可得，fj在-35-15曲轴转角范围内，缸压与放热率峰值随着喷油时刻靠近上止点而先增后减，并在 fj=-20时表 1光学发动机主要参数项目型式缸径/mm行程/mm连杆长度/mm压缩比喷孔直径/mm喷束夹角/（）进气延迟角/（）排气提前角/（）技术参数4气门自然吸气9294160120.1712015-31图 1光学发动机系统示意表 2试验燃料部分理化性质项目燃料密度/（kg m-3）氧质量分数/%十六烷值低热值/（MJ kg-1）汽化潜热/（kJ kg-1）参数乙醇79035.0826.9904柴油8600.2405544.0250PODE（34）1 02547.18023.1347 252023年第 4期内燃机工程达到最佳燃烧状态。对比图 2 和图 3 可以看出，达 到 最 佳 燃 烧 状 态 时，相 对 于 柴 油 引 燃 乙 醇，PODE 引燃乙醇的缸压峰值和放热率峰值更高，由于两种引燃方式的循环能量和喷油比例相同，这表明 PODE 引燃乙醇的燃烧更充分，热效率更高。图 4 和图 5 显示了不同喷油时刻 fj不同曲轴转角 下的缸内燃烧图像。燃烧过程中关键相位有CA10、CA50 和 CA90，分别指燃烧循环过程中累积释放 10%、50%、90%热量所对应的曲轴转角位置。为了便于分析自发光图像的火焰发展规律和碳烟生成情况，使用 MATLAB 软件对原始灰度图像进行了裁剪与伪彩处理，图片上色后光强较高像素点呈现亮红色，光强较低像素点呈现淡蓝色。由图 4 和图 5 容易看出，两种引燃模式的着火区域均开始于燃烧室边缘并逐渐向四周扩散，这是由于壁面温度相对较高，且高活性燃料油束在此发生碰壁使得此处混合气中燃料浓度较高，因此率先形成火核。此外，火焰亮度最高和火焰面积最大的时刻均出现在 CA10 附近。这是由于燃烧过程早期主要是柴油或 PODE 迅速被压燃并放热，然后再引燃周围的均质乙醇混合气。对比图 4 和图 5 可以看出，相对于 PODE 引燃乙醇，柴油引燃乙醇时图像高亮区域更多。研究表明碳烟辐射光强度比火焰自发光高 45 个数量级21，因此图片上红色曝光区域可近似表征碳烟生成。可以看出使用柴油引燃乙醇图 3不同喷油时刻下PODE引燃乙醇（50%乙醇、50%PODE）的缸压和放热率 图 4不同喷油时刻 fj不同曲轴转角 下柴油引燃乙醇的缸内燃烧图像 图 2不同喷油时刻下柴油引燃乙醇（50%柴油、50%乙醇）的缸压和放热率 26内燃机工程2023年第 4期有 较 明 显 碳 烟 生 成，而 使 用 PODE 几 乎 不 产 生碳烟。定义喷油时刻至 CA10 之间的曲轴转角为滞燃期，CA10 至 CA90 之间的曲轴转角为燃烧持续期，CA50 为燃烧重心。由图 4 可得，从早到晚 4 种喷油时 刻 fj下 柴 油 引 燃 模 式 的 滞 燃 期 分 别 为 30.2、27.1、24.9、23.5，燃烧持续期分别为 9.0、8.7、8.3、10.0。由图 5 可得，从早到晚 4 种喷油时刻下PODE 引 燃 模 式 的 滞 燃 期 分 别 为 27.7、24.1、22.1、21.9，燃烧持续期分别为 8.4、8.2、8.1、9.9。因此不管是柴油还是 PODE，随着缸内直喷时刻 fj从-30不断推迟至-15，滞燃期不断减小，燃烧持续期先减小后增大。对比可得，相对于柴油引 燃 乙 醇，相 同 喷 油 时 刻 下 PODE 引 燃 乙 醇 时CA10、CA50、CA90 均有不同程度的提前，滞燃期和燃烧持续期也相对较小。这表明 PODE 引燃模式相对于柴油引燃模式的燃烧相位更加提前，且放热过程更为迅速。这得益于 PODE 远高于柴油的十六烷值，使其具有更高的反应活性。2.2乙醇喷射比例对燃烧过程的影响试验中固定缸内直喷时刻 fj=-20，通过调节燃油的喷油脉宽，按照燃油能量分配来控制喷油比例。改变乙醇喷射比例为 40%、50%、60%、70%、80%。图 6 和图 7 显示了乙醇喷射比例对缸内压力和放热率的影响。可以看出，不管是柴油还是 PODE引燃乙醇，随着乙醇喷射比例的增加，最高燃烧压力不断降低，放热率峰值也不断减小。在 80%乙醇工况下，燃烧压力低至接近空转时缸压，此时引燃效果极差，极易失火。随着乙醇喷射比例的增加，缸压和放热率峰值出现的时刻有所推迟，放热率峰形逐渐变宽。这表明乙醇喷射比例较低时，由于高活性燃料比例较高，燃烧相位相对提前，且放热更迅速。在80%乙醇工况下燃烧相位最为提前，这是由于此时仅有绝大部分高活性燃料和少部分乙醇参与了燃烧并放热，大部分乙醇未被引燃。图 8 和图 9 显示了不同乙醇喷射比例下的缸内燃烧图像。可以看到，不管是柴油还是 PODE 引燃模式，随着乙醇喷射比例不断提高，缸内燃烧剧烈程 图 5不同喷油时刻 fj不同曲轴转角 下 PODE引燃乙醇的缸内燃烧图像图 6fj=-20时不同乙醇喷射比例下柴油引燃乙醇的缸压和放热率 272023年第 4期内燃机工程度均不断降低。这体现在乙醇喷射比例较低时图像整体亮度更高，且观察到火焰团数较多，在 40%比例乙醇下沿 6 孔喷油器的各个喷孔出口方向均能观测到明显的火焰团生成与发展，火焰初始生成于靠近缸壁区域并逐渐向缸内中心区域扩散。随着乙醇比例不断提高，图像亮度不断降低，火焰团数明显减少，火焰依然率先生成于近壁区但难以向中心区域扩散。对比图 8 和图 9 可以看到，即使是在乙醇比例最低时，PODE 引燃乙醇的燃烧图像也基本不出现曝光区域，即基本不产生碳烟，反之柴油引燃乙醇的碳烟生成量处于较高水平。随着乙醇比例不断提高，柴油燃烧生成的碳烟不断减少，但此时不完全燃烧加剧，放热率迅速降低。由图 8 可得，从小至大的 4 种乙醇喷射比例下柴油引燃模式的滞燃期分别为 24.2、24.9、25.3、25.5，燃烧持续期分别为 8.3、8.5、9.2、9.6。由图 9 可得，从小至大的 4 种乙醇喷射比例下 PODE引 燃 模 式 的 滞 燃 期 分 别 为 21.5、22.1、23.2、24.5，燃烧持续期分别为 7.8、8.1、8.4、8.9。即不管是柴油还是 PODE，随着乙醇喷射比例不断提高，滞燃期和燃烧持续期均不断增大。对比可得，相同乙醇喷射比例下 PODE 引燃乙醇相对于柴油引燃乙醇，CA10、CA50、CA90 均有不同程度提前，滞燃期和燃烧持续期也相对较小。这再次表明 PODE引燃模式相对于柴油引燃模式的燃烧相位更加提前，且放热过程更为迅速。3结论（1）对于柴油和 PODE 引燃乙醇模式，固定喷油比例，随着缸内直喷的喷油时刻不断推迟，缸内燃烧压力与放热率峰值呈现先增后减的趋势，滞燃期不断减小，燃烧持续期先减小后增大，喷油时刻在上止点前 20时取得最佳燃烧效果。（2）对于柴油和 PODE 引燃乙醇模式，固定喷油时刻，随着乙醇喷射比例不断提高，每循环燃烧压力峰值和放热率峰值不断减小，燃烧相位不断推迟，滞燃期和燃烧持续期不断增大。（3）相同工况下，保持两种燃料能量一致时，PODE 引燃乙醇相对于柴油引燃乙醇的缸压和放热 图 7fj=-20时不同乙醇喷射比例下 PODE引燃乙醇的缸压和放热率 图 8不同乙醇喷射比例和不同曲轴转角 下柴油引燃乙醇的缸内燃烧图像 28内燃机工程2023年第 4期率 峰 值 更 高，滞 燃 期 和 燃 烧 持 续 期 更 短，即 使 用PODE 相对于柴油能获得更高的燃烧效率。（4）相同工况下，柴油引燃乙醇的可视图像存在或多或少的曝光区域，这主要是受燃烧过程中碳烟生成的辐射影响，而 PODE 引燃乙醇的可视图像基本无曝光点，即燃烧过程基本不产生碳烟。这表明PODE 相对于柴油是一种更环保的清洁燃料。参考文献：1 于晶.我国新能源汽车发展环境分析 J.商用汽车，2019（1）：3641.YU J.Analysis on development environment of new energy vehicles in China J.Commercial Vehicle，2019（1）：3641.2 AGARWAL A K，SINGH A P，MAURYA R K.Evolution，challenges and path forward for low temperature combustion engines J.Progress in Energy&Combustion Science，2017，61：156.3 NAUTIYAL P，SUBRAMANIAN K A，DASTIDAR M G，et al.Experimental assessment of performance，combustion and emissions of a compression ignition engine fuelled with Spirulina platensis 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