铁基燃油添加剂对柴油机碳烟生成特性的影响

嵇 乾张 琦窦站成赵 廉孙 平刘军恒

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013;2.潍柴动力股份有限公司,山东潍坊 261061)

燃油添加剂(Fuel borne catalyst,FBC)的应用历史可追溯至20世纪20年代,其初衷是为了弥补燃油性能的相关缺陷[1],因其在发动机消烟、节能和降噪等领域优良的性质得到广泛应用[2]。金属基燃油添加剂在燃烧过程中会生成大量具有高催化活性的金属氧化物,这些氧化物沉积在颗粒表面可以降低氧扩散至碳烟的活化能,因此促进碳烟的氧化,实现消烟效果。马林才等[3-4]基于台架试验开展了若干种类的有机金属添加剂消烟效果的对比研究,发现柴油中添加二茂铁或铈基添加剂后碳烟排放降幅达到35%以上。

针对柴油机燃用FBC燃油对尾气中颗粒物的影响,国内外诸多学者开展了大量的研究。有研究表明,在柴油机中使用燃油添加剂可以改善颗粒物排放,颗粒物粒径向小方向偏移[5-8]。Liu等[9-11]开展了铈基和铁基燃油添加剂的研究,发现铈基FBC能有效促进扩散燃烧,改善局部缺氧的现象,加速碳烟的催化氧化;铁基FBC(Fe-FBC)可以显著降低柴油机尾气颗粒物质量排放和积聚态颗粒(50 nm＜d＜1000 nm)粒子数密度,同时能够降低干碳烟的氧化温度和活化能,显著提升颗粒的氧化活性,有利于实现柴油机颗粒捕集器(Diesel particulate filter,DPF)低温再生。田径等[12]基于台架试验探究了Fe-FBC的被动再生效果,发现DPF内颗粒的起燃温度为420℃,远低于颗粒的常规氧化温度600℃。Nash等[13]借助气相色谱质谱联用仪(GC-MS)和气体分析仪等设备研究了Fe-FBC对颗粒物质量、形态以及组成的影响机理,结果发现,颗粒中Fe元素浓度随Fe-FBC的增加而增加,该元素起到了氧化碳烟前驱体多环芳香烃(PAHs)等物质的作用。

目前,对于添加Fe-FBC后,缸内碳烟的生成过程少有研究,同时发动机中碳烟生成及氧化时间极短,无法通过肉眼直接观测到。因此,笔者基于燃烧可视化试验平台对掺杂不同Fe元素含量的柴油进行燃烧过程分析,重点分析不同FBC燃油的缸内火焰温度场和碳烟浓度场,以掌握Fe-FBC对缸内碳烟生成过程的影响;基于台架试验系统对不同FBC燃油的重要碳烟前驱体(乙烯、乙炔和多环芳香烃)、1,3-丁二烯以及烟度的排放特性进行分析。此研究旨在丰富FBC催化碳烟氧化理论,为其推广应用提供基础数据。

1 实验部分

1.1 燃料和试剂

试验用基准燃油为市售国Ⅵ标准0#柴油,铁基燃油添加剂选用比利时索尔维公司生产的Power Flex FBC,可与柴油以任意比例互溶。按Fe元素质量分数分别为200和400 mg/kg将Fe-FBC添加到柴油中,通过超声波震荡30 min配制出Fe-FBC燃油,分别记为Fe200和Fe400。对所配制的燃油样品进行为期30 d静置,未发现明显分层。

1.2 柴油发动机台架试验设备

试验样机选用常柴股份有限公司生产的直列四缸高压共轨柴油机,其主要性能参数如表1所示。

表1 柴油机的主要参数Table 1 Main parameters of diesel engine

在不改变试验柴油机燃烧室结构和性能的情况下,对台架试验系统进行燃烧可视化结构改造。主要包括布置两条光学通道,分别引入内窥镜和频闪光源,组成燃烧可视化观察系统,同时为避免内窥镜头因处于燃烧室内高温恶劣环境而被燃气过热破坏,试验过程中必须对内窥镜持续通以冷却空气保持镜头冷却;选用高速电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)相机和计算机图像处理系统等组成可视化图像采集系统,并基于双色法对拍摄火焰图像进行计算处理,相机曝光频率为10 k Hz,曝光时间为80μs。柴油机缸内燃烧可视化试验台架布置如图1所示。柴油发动机台架试验所用设备如表2所示。

图1 柴油机缸内燃烧可视化系统示意图Fig.1 Schematic of diesel engine combustion in-cylinder visualization system

表2 柴油发动机台架试验主要测试设备Table 2 Main test equipments of diesel engine bench test

1.3 柴油发动机台架试验方法

在柴油发动机转速1400 r/min、负荷100%下进行缸内燃烧和可视化试验,分别燃用纯柴油、Fe200燃油和Fe400燃油,记录缸内压力和瞬时放热率;拍摄缸内火焰发展图像,截取3种燃油燃烧过程中累计放热量5%、20%、50%、70%和95%时所对应曲轴转角的火焰图像以直观探究缸内燃烧过程,并运用双色法处理CCD相机拍摄的火焰形态和明亮度,表征此燃烧区域内的碳烟面积分布和浓度情况。完成碳烟浓度场处理后,计算软件对碳烟浓度场中KL因子的像素点进行计算分析,并根据图像总像素可以计算出燃烧室内碳烟面积占有率Sp-Soot。

式(1)中:PSoot为碳烟浓度场中KL因子像素;P为处理得到的图像总像素。KL因子用来表示缸内碳烟浓度的色标值,是一个无量纲数。K为吸收系数,与碳烟粒子数密度成正比;L为火焰光轴在检测方向的几何厚度[9]。

在柴油发动机转速1400 r/min下分别进行负荷25%、50%、75%和100%时的排放试验,采用傅里叶变换红外光谱分析仪(FTIR)测量各工况下重要碳烟前驱体(乙烯、乙炔、1,3-丁二烯和多环芳香烃)排放,并采用烟度计测量排气烟度。测试完毕后更换燃料,采用待测燃料保持柴油机运转20 min以清洗油路。

试验中,采用频闪观测仪定位柴油机上止点,并通过角标仪同步曲轴转角信号。启动柴油机后将其稳定运转于较小负荷进行预试验,调节可视化系统,确保燃烧过程中火焰清晰可见,避免出现图像亮度饱和或亮度过弱现象;燃烧过程中内窥镜石英窗易黏结碳烟,影响成像质量,因此每次试验拍摄后需取出内窥镜石英窗,常温下采用无水乙醇进行清洗;将燃烧过程中累计放热量为5%和95%时对应的曲轴转角分别代表燃烧始点和燃烧终点,它们之间的曲轴转角表示燃烧持续期。

2 结果与讨论

2.1 柴油机缸内燃烧特性分析

图2为柴油机分别燃用纯柴油、Fe200燃油和Fe400燃油在转速1400 r/min、负荷100%条件下测得的缸内燃烧压力和瞬时放热率曲线。由图2可以看出:与纯柴油相比,Fe-FBC的加入使得缸内燃烧压力上升始点前移,燃烧压力峰值相位靠近上止点,同时峰值压力也略有增大,Fe200和Fe400燃油的峰值压力增幅分别为3.8%和6.2%。此外,燃油液滴内的Fe-FBC具有较强的催化活性,其中Fe元素可在较低温度下与O原子结合形成含氧官能团,从而增加燃油液滴表面吸附的含氧官能团,促进燃油分子氧化进程,使得缸内燃烧滞燃期缩短,放热始点前移[14]。与纯柴油相比,Fe-FBC燃油液滴内Fe200和Fe400燃油的放热率峰值分别上升11%和14.9%。可见,Fe-FBC的加入可以促进柴油机缸内扩散燃烧阶段的油、气混合,加快燃烧反应速率,从而提升柴油机缸内燃烧热效率。

图2 纯柴油、Fe200和Fe400燃油燃烧特性曲线Fig.2 Combustion characteristics curves of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels

图3为柴油机在转速1400 r/min、负荷100%下分别燃用纯柴油、Fe200和Fe400燃油的缸内火焰温度场分布。对比分析不同燃油的火焰发展形态与温度后发现,纯柴油大约在上止点后2.5℃A,这一时刻燃烧室内开始出现较大面积的明亮火焰,随着燃烧过程的发展,火焰面积逐渐增大,火焰亮度显著增强,高温区域位于燃烧室中心,缸内燃烧温度在燃烧过程中维持在2100～2400 K,火焰在燃烧过程中发展较为平稳。对比分析火焰温度场发现,与纯柴油相比,Fe200和Fe400燃油的着火时刻分别提前约1.5℃A和2.5℃A,燃烧持续期分别减少约0.5℃A和2.5℃A,火焰发展速率加快,缸内燃烧程度更为剧烈,燃烧室内高温区域显著增多。因此,Fe-FBC的添加提高了柴油机缸内的燃烧速率,改善了燃料燃烧完全程度。

图3 纯柴油、Fe200和Fe400燃油的柴油机燃烧缸内火焰温度场Fig.3 Flame temperature fields of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

2.2 柴油机缸内碳烟生成特性分析

图4为柴油机在转速1400 r/min、负荷100%下分别燃用纯柴油、Fe200和Fe400燃油的缸内碳烟浓度场分布。对比分析3种燃油的碳烟浓度场后发现,Fe-FBC的加入使缸内燃烧过程中碳烟分布区域减小,峰值浓度显著降低。与纯柴油相比,Fe200燃油燃烧过程中,初始着火阶段,碳烟生成量较少;而随着火焰不断发展,碳烟浓度显著增加,在上止点后9℃A,缸内碳烟浓度达到峰值;在燃烧后期碳烟逐渐被氧化,碳烟浓度逐渐下降。Fe400燃油燃烧过程中,因Fe-FBC含量较大,催化碳烟氧化作用较强,导致碳烟生成量在整个燃烧过程中维持在较低浓度。柴油机碳烟排放由生成和氧化作用共同决定,Fe-FBC的加入会抑制缸内燃烧过程中碳烟的生成,并促进碳烟在缸内后期氧化。这主要是由于,Fe-FBC在喷雾过程中的微爆作用可以改善燃油雾化,促进油、气混合,而Fe-FBC燃烧过程中具有氧传输的性质,不断为待燃柴油的燃烧提供充足的氧,减小局部油/气比,促进燃油完全燃烧,从而抑制了燃烧过程中的碳烟生成。在颗粒生成过程中,Fe原子在高温高压下形成大量的纳米级Fe核,Fe核的形成时刻早于碳烟前驱体及碳粒核心,Fe核在碳烟生长过程中不断相互聚集,并以金属氧化物的形式分散沉积于碳烟表面;当碳烟随缸内气流运动,抵达火焰前锋面时,在高温作用下这些Fe的金属氧化物具有降低环境中氧扩散至碳烟表面活化能的作用,碳烟在Fe-FBC作用下被催化氧化[7]。因此柴油中添加Fe-FBC,燃烧室内碳烟浓度显著降低,Fe-FBC添加比例越大,碳烟浓度下降幅度越明显。

图4 纯柴油、Fe200和Fe400燃油柴油机燃烧缸内的碳烟浓度场Fig.4 Soot concentration fields of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

图5为柴油机在负荷100%下分别燃用纯柴油、Fe200和Fe400燃油的碳烟面积占有率随曲轴转角的变化。从图5可以看出:Fe200和Fe400燃油碳烟生成时刻早于纯柴油,燃油在燃烧室内经历较短的滞燃期后,碳烟面积占有率显著上升,碳烟分布面积急剧增加。纯柴油碳烟面积约在上止点后11℃A达到最大值,约占视窗面积35.8%。柴油中添加Fe-FBC后,Fe200和Fe400燃油的最大碳烟面积占有率分别下降20.3%和41.6%,燃烧后期碳烟分布迅速降低。此外,与纯柴油相比,Fe200和Fe400燃油在碳烟发展过程中,碳烟面积占有率曲线起伏更加剧烈,表明缸内碳烟浓度持续变化,这主要是由于燃烧过程中产生的碳烟不断被Fe-FBC催化氧化,从而会导致碳烟浓度发生变化。

图5 纯柴油、Fe200和Fe400燃油柴油机燃烧缸内的碳烟面积占有率Fig.5 Soot area occupation ratios of pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

2.3 碳烟前驱体和烟度排放特性分析

图6为柴油机分别燃用纯柴油、Fe200和Fe400燃油的乙烯、乙炔、1,3-丁二烯和多环芳香烃的排放特性。由图6(a)、(b)可见:乙烯和乙炔排放量均随着柴油机负荷的增大而降低,这是由于柴油机负荷的升高改善了缸内燃烧状态,缸内较高的燃烧温度有利于促进乙烯和乙炔的氧化。在相同负荷下,乙烯和乙炔排放量随着燃油中Fe-FBC含量的增大而上升,这是由于Fe-FBC中正价态Fe离子能促进燃料分解成小分子自由基(如烯烃、炔烃等),并强化反应过程中氢原子的脱离,导致环境中剩余大量的氢原子;而根据化学反应平衡原理,环境中大量氢原子能抑制苯环的脱氢加乙炔反应向正反应方向进行[15],此时会有较多的乙炔未参与脱氢加乙炔反应而剩余,因此在各负荷下Fe-FBC燃油的乙烯和乙炔排放高于纯柴油。

1,3-丁二烯的生成与柴油机燃烧过程中缸内氧浓度密切相关,主要来源于柴油中直链碳氢化合物的脱氢反应和β裂解[16]。由图6(c)可见:随着负荷的增大,柴油机尾气中1,3-丁二烯浓度逐渐降低,但在不同负荷下,Fe-FBC燃油的1,3-丁二烯排放呈现不同的变化规律。在中、低负荷(50%、25%)下,燃油中Fe-FBC浓度越大,1,3-丁二烯排放量越高;在高负荷(75%和100%)下,燃油中Fe-FBC浓度越大,1,3-丁二烯排放量越低。燃料在Fe-FBC的促进作用下易分解成小分子自由基,其中包括1,3-丁二烯,且Fe2O3作为氧传播的中枢,不断向周围环境传递氧原子,而1,3-丁二烯在低温富氧环境下更易生成,但此时由于低负荷下缸内燃烧温度较低,氧化作用较弱,1,3-丁二烯因生成量大于氧化量而被排出。因此,与纯柴油相比,Fe-FBC的加入会增加1,3-丁二烯的排放,而随着负荷的升高,Fe-FBC的催化活性在高温下被激活,促进了燃油完全燃烧,增大了1,3-丁二烯在缸内的氧化几率,从而改善了1,3-丁二烯的排放。因此,中、低负荷下Fe-FBC的加入会促进1,3-丁二烯的生成,而高负荷下则起到抑制效果。

图6 柴油机分别燃用纯柴油、Fe200和Fe400燃油的乙炔、乙烯、1,3-丁二烯和多环芳香烃的排放特性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

由图6(d)可以看出:3种燃油的多环芳香烃排放量均随着柴油机负荷的升高呈持续下降趋势。这是由于多环芳香烃作为柴油机排放颗粒的前驱体,主要源于未完全燃尽的燃油在氧化过程中的预合成和结构重组[17],低负荷下缸内较低的燃烧温度难以将多环芳香烃快速氧化,随着柴油机负荷的升高,燃油在缸内充分燃烧。一方面易环化形成单个苯环的小分子自由基在高温下迅速被氧化[18],另一方面催化活性较强的正价态Fe离子和燃烧生成的O、H、OH等活性基团使苯环更易分解氧化,从而使高负荷下多环芳香烃排放显著降低[19-20]。此外,Fe-FBC燃油的多环芳香烃排放量均低于纯柴油,且随着燃油中Fe-FBC浓度的增大而减小。这是由于正价态Fe离子具有脱氢促进作用,环境中大量的氢原子减弱了C2、C3和C4小分子自由基向苯环发展的趋势,最终形成较少的多环芳香烃。

图7为在转速1400 r/min下柴油机燃用Fe-FBC燃油的排气烟度对比。由图7可见:在负荷25%和50%下,柴油中添加Fe-FBC后,消烟效果并不明显;随着负荷的增大,碳烟排放明显改善,且柴油中Fe-FBC浓度越大,则改善效果越明显。在负荷100%工况下,Fe200和Fe400燃油的排气烟度比纯柴油分别降低了19.3%和37.1%。表明Fe-FBC的添加比例和缸内燃烧温度均可影响碳烟的氧化效果。100%负荷工况下缸内燃烧温度较高,高温激活了Fe-FBC的催化活性,大大增强其转移置换氧的能力,为周围待燃燃料不断提供燃烧所需的氧,减少了局部过浓混合气区域,促进了燃油的完全燃烧,有效抑制了碳烟的生成。

图7 柴油机分别燃用纯柴油、Fe200和Fe400燃油的烟度排放特性Fig.7 The emission characteristic of smoke intensity from pure diesel,Fe200 and Fe400 blended fuels combustion in diesel engine

3 结 论

(1)柴油中添加Fe-FBC后,柴油机缸内燃烧滞燃期缩短,燃烧始点前移,2种Fe-FBC燃油Fe200和Fe400的缸内峰值压力比纯柴油分别上升3.8%和6.2%,放热率峰值分别升高11%和14.9%,并且显著提高了燃烧速率。

(2)随着燃油中Fe-FBC含量的增加,柴油机缸内火焰发展速度加快,高温区域显著增多,燃烧程度剧烈;柴油机缸内碳烟生成量在燃烧过程中始终维持在较低浓度,燃烧室碳烟面积占有率随着柴油中Fe-FBC含量的增加而显著降低,Fe200和Fe400燃油最大碳烟面积占有率分别下降了20.3%和41.6%。

(3)Fe-FBC燃油的重要碳烟前驱体排放浓度均较小。当燃用Fe-FBC燃油时,各负荷下乙烯和乙炔排放量略高于纯柴油,1,3-丁二烯排放在负荷75%和100%时得到改善,而多环芳香烃的生成在各负荷下均得到了抑制。柴油中添加Fe-FBC后,各负荷下排气烟度均有不同程度的降低;在转速1400 r/min、负荷100%时Fe200、Fe400燃油排气烟度分别比纯柴油降低了19.3%、37.1%。