鐵基燃油添加劑對柴油機碳煙生成特性的影響

嵇 乾張 琦竇站成趙 廉孫 平劉軍恒

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江 212013;2.濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261061)

燃油添加劑(Fuel borne catalyst,FBC)的應用歷史可追溯至20世紀20年代,其初衷是為了彌補燃油性能的相關缺陷[1],因其在發動機消煙、節能和降噪等領域優良的性質得到廣泛應用[2]。金屬基燃油添加劑在燃燒過程中會生成大量具有高催化活性的金屬氧化物,這些氧化物沉積在顆粒表面可以降低氧擴散至碳煙的活化能,因此促進碳煙的氧化,實現消煙效果。馬林才等[3-4]基于臺架試驗開展了若干種類的有機金屬添加劑消煙效果的對比研究,發現柴油中添加二茂鐵或鈰基添加劑后碳煙排放降幅達到35%以上。

針對柴油機燃用FBC燃油對尾氣中顆粒物的影響,國內外諸多學者開展了大量的研究。有研究表明,在柴油機中使用燃油添加劑可以改善顆粒物排放,顆粒物粒徑向小方向偏移[5-8]。Liu等[9-11]開展了鈰基和鐵基燃油添加劑的研究,發現鈰基FBC能有效促進擴散燃燒,改善局部缺氧的現象,加速碳煙的催化氧化;鐵基FBC(Fe-FBC)可以顯著降低柴油機尾氣顆粒物質量排放和積聚態顆粒(50 nm＜d＜1000 nm)粒子數密度,同時能夠降低干碳煙的氧化溫度和活化能,顯著提升顆粒的氧化活性,有利于實現柴油機顆粒捕集器(Diesel particulate filter,DPF)低溫再生。田徑等[12]基于臺架試驗探究了Fe-FBC的被動再生效果,發現DPF內顆粒的起燃溫度為420℃,遠低于顆粒的常規氧化溫度600℃。Nash等[13]借助氣相色譜質譜聯用儀(GC-MS)和氣體分析儀等設備研究了Fe-FBC對顆粒物質量、形態以及組成的影響機理,結果發現,顆粒中Fe元素濃度隨Fe-FBC的增加而增加,該元素起到了氧化碳煙前驅體多環芳香烴(PAHs)等物質的作用。

目前,對于添加Fe-FBC后,缸內碳煙的生成過程少有研究,同時發動機中碳煙生成及氧化時間極短,無法通過肉眼直接觀測到。因此,筆者基于燃燒可視化試驗平臺對摻雜不同Fe元素含量的柴油進行燃燒過程分析,重點分析不同FBC燃油的缸內火焰溫度場和碳煙濃度場,以掌握Fe-FBC對缸內碳煙生成過程的影響;基于臺架試驗系統對不同FBC燃油的重要碳煙前驅體(乙烯、乙炔和多環芳香烴)、1,3-丁二烯以及煙度的排放特性進行分析。此研究旨在豐富FBC催化碳煙氧化理論,為其推廣應用提供基礎數據。

1 實驗部分

1.1 燃料和試劑

試驗用基準燃油為市售國Ⅵ標準0#柴油,鐵基燃油添加劑選用比利時索爾維公司生產的Power Flex FBC,可與柴油以任意比例互溶。按Fe元素質量分數分別為200和400 mg/kg將Fe-FBC添加到柴油中,通過超聲波震蕩30 min配制出Fe-FBC燃油,分別記為Fe200和Fe400。對所配制的燃油樣品進行為期30 d靜置,未發現明顯分層。

1.2 柴油發動機臺架試驗設備

試驗樣機選用常柴股份有限公司生產的直列四缸高壓共軌柴油機,其主要性能參數如表1所示。

表1 柴油機的主要參數Table 1 Main parameters of diesel engine

在不改變試驗柴油機燃燒室結構和性能的情況下,對臺架試驗系統進行燃燒可視化結構改造。主要包括布置兩條光學通道,分別引入內窺鏡和頻閃光源,組成燃燒可視化觀察系統,同時為避免內窺鏡頭因處于燃燒室內高溫惡劣環境而被燃氣過熱破壞,試驗過程中必須對內窺鏡持續通以冷卻空氣保持鏡頭冷卻;選用高速電荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)相機和計算機圖像處理系統等組成可視化圖像采集系統,并基于雙色法對拍攝火焰圖像進行計算處理,相機曝光頻率為10 k Hz,曝光時間為80μs。柴油機缸內燃燒可視化試驗臺架布置如圖1所示。柴油發動機臺架試驗所用設備如表2所示。

圖1 柴油機缸內燃燒可視化系統示意圖Fig.1 Schematic of diesel engine combustion in-cylinder visualization system

表2 柴油發動機臺架試驗主要測試設備Table 2 Main test equipments of diesel engine bench test

1.3 柴油發動機臺架試驗方法

在柴油發動機轉速1400 r/min、負荷100%下進行缸內燃燒和可視化試驗,分別燃用純柴油、Fe200燃油和Fe400燃油,記錄缸內壓力和瞬時放熱率;拍攝缸內火焰發展圖像,截取3種燃油燃燒過程中累計放熱量5%、20%、50%、70%和95%時所對應曲軸轉角的火焰圖像以直觀探究缸內燃燒過程,并運用雙色法處理CCD相機拍攝的火焰形態和明亮度,表征此燃燒區域內的碳煙面積分布和濃度情況。完成碳煙濃度場處理后,計算軟件對碳煙濃度場中KL因子的像素點進行計算分析,并根據圖像總像素可以計算出燃燒室內碳煙面積占有率Sp-Soot。

式(1)中:PSoot為碳煙濃度場中KL因子像素;P為處理得到的圖像總像素。KL因子用來表示缸內碳煙濃度的色標值,是一個無量綱數。K為吸收系數,與碳煙粒子數密度成正比;L為火焰光軸在檢測方向的幾何厚度[9]。

在柴油發動機轉速1400 r/min下分別進行負荷25%、50%、75%和100%時的排放試驗,采用傅里葉變換紅外光譜分析儀(FTIR)測量各工況下重要碳煙前驅體(乙烯、乙炔、1,3-丁二烯和多環芳香烴)排放,并采用煙度計測量排氣煙度。測試完畢后更換燃料,采用待測燃料保持柴油機運轉20 min以清洗油路。

試驗中,采用頻閃觀測儀定位柴油機上止點,并通過角標儀同步曲軸轉角信號。啟動柴油機后將其穩定運轉于較小負荷進行預試驗,調節可視化系統,確保燃燒過程中火焰清晰可見,避免出現圖像亮度飽和或亮度過弱現象;燃燒過程中內窺鏡石英窗易黏結碳煙,影響成像質量,因此每次試驗拍攝后需取出內窺鏡石英窗,常溫下采用無水乙醇進行清洗;將燃燒過程中累計放熱量為5%和95%時對應的曲軸轉角分別代表燃燒始點和燃燒終點,它們之間的曲軸轉角表示燃燒持續期。

2 結果與討論

2.1 柴油機缸內燃燒特性分析

圖2為柴油機分別燃用純柴油、Fe200燃油和Fe400燃油在轉速1400 r/min、負荷100%條件下測得的缸內燃燒壓力和瞬時放熱率曲線。由圖2可以看出:與純柴油相比,Fe-FBC的加入使得缸內燃燒壓力上升始點前移,燃燒壓力峰值相位靠近上止點,同時峰值壓力也略有增大,Fe200和Fe400燃油的峰值壓力增幅分別為3.8%和6.2%。此外,燃油液滴內的Fe-FBC具有較強的催化活性,其中Fe元素可在較低溫度下與O原子結合形成含氧官能團,從而增加燃油液滴表面吸附的含氧官能團,促進燃油分子氧化進程,使得缸內燃燒滯燃期縮短,放熱始點前移[14]。與純柴油相比,Fe-FBC燃油液滴內Fe200和Fe400燃油的放熱率峰值分別上升11%和14.9%。可見,Fe-FBC的加入可以促進柴油機缸內擴散燃燒階段的油、氣混合,加快燃燒反應速率,從而提升柴油機缸內燃燒熱效率。

圖2 純柴油、Fe200和Fe400燃油燃燒特性曲線Fig.2 Combustion characteristics curves of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels

圖3為柴油機在轉速1400 r/min、負荷100%下分別燃用純柴油、Fe200和Fe400燃油的缸內火焰溫度場分布。對比分析不同燃油的火焰發展形態與溫度后發現,純柴油大約在上止點后2.5℃A,這一時刻燃燒室內開始出現較大面積的明亮火焰,隨著燃燒過程的發展,火焰面積逐漸增大,火焰亮度顯著增強,高溫區域位于燃燒室中心,缸內燃燒溫度在燃燒過程中維持在2100～2400 K,火焰在燃燒過程中發展較為平穩。對比分析火焰溫度場發現,與純柴油相比,Fe200和Fe400燃油的著火時刻分別提前約1.5℃A和2.5℃A,燃燒持續期分別減少約0.5℃A和2.5℃A,火焰發展速率加快,缸內燃燒程度更為劇烈,燃燒室內高溫區域顯著增多。因此,Fe-FBC的添加提高了柴油機缸內的燃燒速率,改善了燃料燃燒完全程度。

圖3 純柴油、Fe200和Fe400燃油的柴油機燃燒缸內火焰溫度場Fig.3 Flame temperature fields of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

2.2 柴油機缸內碳煙生成特性分析

圖4為柴油機在轉速1400 r/min、負荷100%下分別燃用純柴油、Fe200和Fe400燃油的缸內碳煙濃度場分布。對比分析3種燃油的碳煙濃度場后發現,Fe-FBC的加入使缸內燃燒過程中碳煙分布區域減小,峰值濃度顯著降低。與純柴油相比,Fe200燃油燃燒過程中,初始著火階段,碳煙生成量較少;而隨著火焰不斷發展,碳煙濃度顯著增加,在上止點后9℃A,缸內碳煙濃度達到峰值;在燃燒后期碳煙逐漸被氧化,碳煙濃度逐漸下降。Fe400燃油燃燒過程中,因Fe-FBC含量較大,催化碳煙氧化作用較強,導致碳煙生成量在整個燃燒過程中維持在較低濃度。柴油機碳煙排放由生成和氧化作用共同決定,Fe-FBC的加入會抑制缸內燃燒過程中碳煙的生成,并促進碳煙在缸內后期氧化。這主要是由于,Fe-FBC在噴霧過程中的微爆作用可以改善燃油霧化,促進油、氣混合,而Fe-FBC燃燒過程中具有氧傳輸的性質,不斷為待燃柴油的燃燒提供充足的氧,減小局部油/氣比,促進燃油完全燃燒,從而抑制了燃燒過程中的碳煙生成。在顆粒生成過程中,Fe原子在高溫高壓下形成大量的納米級Fe核,Fe核的形成時刻早于碳煙前驅體及碳粒核心,Fe核在碳煙生長過程中不斷相互聚集,并以金屬氧化物的形式分散沉積于碳煙表面;當碳煙隨缸內氣流運動,抵達火焰前鋒面時,在高溫作用下這些Fe的金屬氧化物具有降低環境中氧擴散至碳煙表面活化能的作用,碳煙在Fe-FBC作用下被催化氧化[7]。因此柴油中添加Fe-FBC,燃燒室內碳煙濃度顯著降低,Fe-FBC添加比例越大,碳煙濃度下降幅度越明顯。

圖4 純柴油、Fe200和Fe400燃油柴油機燃燒缸內的碳煙濃度場Fig.4 Soot concentration fields of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

圖5為柴油機在負荷100%下分別燃用純柴油、Fe200和Fe400燃油的碳煙面積占有率隨曲軸轉角的變化。從圖5可以看出:Fe200和Fe400燃油碳煙生成時刻早于純柴油,燃油在燃燒室內經歷較短的滯燃期后,碳煙面積占有率顯著上升,碳煙分布面積急劇增加。純柴油碳煙面積約在上止點后11℃A達到最大值,約占視窗面積35.8%。柴油中添加Fe-FBC后,Fe200和Fe400燃油的最大碳煙面積占有率分別下降20.3%和41.6%,燃燒后期碳煙分布迅速降低。此外,與純柴油相比,Fe200和Fe400燃油在碳煙發展過程中,碳煙面積占有率曲線起伏更加劇烈,表明缸內碳煙濃度持續變化,這主要是由于燃燒過程中產生的碳煙不斷被Fe-FBC催化氧化,從而會導致碳煙濃度發生變化。

圖5 純柴油、Fe200和Fe400燃油柴油機燃燒缸內的碳煙面積占有率Fig.5 Soot area occupation ratios of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

2.3 碳煙前驅體和煙度排放特性分析

圖6為柴油機分別燃用純柴油、Fe200和Fe400燃油的乙烯、乙炔、1,3-丁二烯和多環芳香烴的排放特性。由圖6(a)、(b)可見:乙烯和乙炔排放量均隨著柴油機負荷的增大而降低,這是由于柴油機負荷的升高改善了缸內燃燒狀態,缸內較高的燃燒溫度有利于促進乙烯和乙炔的氧化。在相同負荷下,乙烯和乙炔排放量隨著燃油中Fe-FBC含量的增大而上升,這是由于Fe-FBC中正價態Fe離子能促進燃料分解成小分子自由基(如烯烴、炔烴等),并強化反應過程中氫原子的脫離,導致環境中剩余大量的氫原子;而根據化學反應平衡原理,環境中大量氫原子能抑制苯環的脫氫加乙炔反應向正反應方向進行[15],此時會有較多的乙炔未參與脫氫加乙炔反應而剩余,因此在各負荷下Fe-FBC燃油的乙烯和乙炔排放高于純柴油。

1,3-丁二烯的生成與柴油機燃燒過程中缸內氧濃度密切相關,主要來源于柴油中直鏈碳氫化合物的脫氫反應和β裂解[16]。由圖6(c)可見:隨著負荷的增大,柴油機尾氣中1,3-丁二烯濃度逐漸降低,但在不同負荷下,Fe-FBC燃油的1,3-丁二烯排放呈現不同的變化規律。在中、低負荷(50%、25%)下,燃油中Fe-FBC濃度越大,1,3-丁二烯排放量越高;在高負荷(75%和100%)下,燃油中Fe-FBC濃度越大,1,3-丁二烯排放量越低。燃料在Fe-FBC的促進作用下易分解成小分子自由基,其中包括1,3-丁二烯,且Fe2O3作為氧傳播的中樞,不斷向周圍環境傳遞氧原子,而1,3-丁二烯在低溫富氧環境下更易生成,但此時由于低負荷下缸內燃燒溫度較低,氧化作用較弱,1,3-丁二烯因生成量大于氧化量而被排出。因此,與純柴油相比,Fe-FBC的加入會增加1,3-丁二烯的排放,而隨著負荷的升高,Fe-FBC的催化活性在高溫下被激活,促進了燃油完全燃燒,增大了1,3-丁二烯在缸內的氧化幾率,從而改善了1,3-丁二烯的排放。因此,中、低負荷下Fe-FBC的加入會促進1,3-丁二烯的生成,而高負荷下則起到抑制效果。

圖6 柴油機分別燃用純柴油、Fe200和Fe400燃油的乙炔、乙烯、1,3-丁二烯和多環芳香烴的排放特性Fig.6 The emission characteristics of C2 H2,C2 H4,1,3-butadiene and PAHs emission from pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

由圖6(d)可以看出:3種燃油的多環芳香烴排放量均隨著柴油機負荷的升高呈持續下降趨勢。這是由于多環芳香烴作為柴油機排放顆粒的前驅體,主要源于未完全燃盡的燃油在氧化過程中的預合成和結構重組[17],低負荷下缸內較低的燃燒溫度難以將多環芳香烴快速氧化,隨著柴油機負荷的升高,燃油在缸內充分燃燒。一方面易環化形成單個苯環的小分子自由基在高溫下迅速被氧化[18],另一方面催化活性較強的正價態Fe離子和燃燒生成的O、H、OH等活性基團使苯環更易分解氧化,從而使高負荷下多環芳香烴排放顯著降低[19-20]。此外,Fe-FBC燃油的多環芳香烴排放量均低于純柴油,且隨著燃油中Fe-FBC濃度的增大而減小。這是由于正價態Fe離子具有脫氫促進作用,環境中大量的氫原子減弱了C2、C3和C4小分子自由基向苯環發展的趨勢,最終形成較少的多環芳香烴。

圖7為在轉速1400 r/min下柴油機燃用Fe-FBC燃油的排氣煙度對比。由圖7可見:在負荷25%和50%下,柴油中添加Fe-FBC后,消煙效果并不明顯;隨著負荷的增大,碳煙排放明顯改善,且柴油中Fe-FBC濃度越大,則改善效果越明顯。在負荷100%工況下,Fe200和Fe400燃油的排氣煙度比純柴油分別降低了19.3%和37.1%。表明Fe-FBC的添加比例和缸內燃燒溫度均可影響碳煙的氧化效果。100%負荷工況下缸內燃燒溫度較高,高溫激活了Fe-FBC的催化活性,大大增強其轉移置換氧的能力,為周圍待燃燃料不斷提供燃燒所需的氧,減少了局部過濃混合氣區域,促進了燃油的完全燃燒,有效抑制了碳煙的生成。

圖7 柴油機分別燃用純柴油、Fe200和Fe400燃油的煙度排放特性Fig.7 The emission characteristic of smoke intensity from pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

3 結 論

(1)柴油中添加Fe-FBC后,柴油機缸內燃燒滯燃期縮短,燃燒始點前移,2種Fe-FBC燃油Fe200和Fe400的缸內峰值壓力比純柴油分別上升3.8%和6.2%,放熱率峰值分別升高11%和14.9%,并且顯著提高了燃燒速率。

(2)隨著燃油中Fe-FBC含量的增加,柴油機缸內火焰發展速度加快,高溫區域顯著增多,燃燒程度劇烈;柴油機缸內碳煙生成量在燃燒過程中始終維持在較低濃度,燃燒室碳煙面積占有率隨著柴油中Fe-FBC含量的增加而顯著降低,Fe200和Fe400燃油最大碳煙面積占有率分別下降了20.3%和41.6%。

(3)Fe-FBC燃油的重要碳煙前驅體排放濃度均較小。當燃用Fe-FBC燃油時,各負荷下乙烯和乙炔排放量略高于純柴油,1,3-丁二烯排放在負荷75%和100%時得到改善,而多環芳香烴的生成在各負荷下均得到了抑制。柴油中添加Fe-FBC后,各負荷下排氣煙度均有不同程度的降低;在轉速1400 r/min、負荷100%時Fe200、Fe400燃油排氣煙度分別比純柴油降低了19.3%、37.1%。