乙醇／柴油燃料配制和对柴油机性能影响的模拟

张志强，赵福全，2，于冠军，韩杰磊

（1.同济大学汽车学院，上海201804；2.浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江杭州311201）

随着全球气候恶化和温室效应加剧，以及近年来逐渐形成的对发展低碳经济的要求和不断更新的日益严苛的排放法规，柴油机凭借其在CO2排放和油耗方面的优势，在商用车和乘用车领域内所占份额不断扩大，这给柴油的市场供应提出了一个巨大的考验.据统计，2010年12月底中国石化生产柴汽比已经高达2.17［1］，以致需要大量进口原油来炼制出满足需求的柴油.

燃料乙醇作为一种可再生能源，可通过对含淀粉的农产品或含纤维素的废弃作物发酵制取.目前，乙醇／汽油混合燃料已经得到大量的研究和应用［2－4］.乙醇作为含氧燃料，与柴油形成混合燃料将能够有效地减少柴油机的碳烟（soot）和未燃碳氢［5］，同时也能够很好地缓解目前柴油的供需紧张问题.

由于乙醇分子为极性结构，而柴油具有非极性分子结构的特点，导致乙醇和柴油之间无法直接形成均匀和稳定的混合燃料.同时，乙醇／柴油混合燃料的物性参数随着乙醇体积分数和温度的不同而出现较大变化，这对柴油机的燃料喷射、燃烧和排放特性带来重要的影响.

本文首先根据相似相溶原理选择四种助溶剂（分别为两种醇类和两种酯类），对其助溶特性和长期稳定性进行研究；然后对配制得到的乙醇／柴油混合燃料进行密度、表面张力和黏度等物性参数进行测试和分析，研究其随乙醇体积分数和温度的变化规律；最后进行乙醇／柴油混合燃料对柴油机性能影响的模拟研究，分析得到最佳的乙醇体积分数.

1 乙醇／柴油混合燃料的配制

1.1 助溶剂的选择

乙醇柴油混合燃料的配制采用沪四0号柴油和无水乙醇（φ（C2H5OH）＝99.7%），其基本参数如表1所示.

表1 沪四0号柴油和无水乙醇基本参数Tab.1 Parameters of Hu IV 0＃diesel and ethanol

乙醇分子为极性结构，无法与主要具有烃基的非极性结构的柴油形成混合燃料.为有助于乙醇在柴油中互溶，必须添加助溶剂.根据相似相溶原理，助溶剂必需同时具有亲油基团和亲水基团，其亲油基团能够连接柴油，亲水基团能够连接乙醇，从而实现乙醇和柴油的互相溶解.助溶剂分布在乙醇和柴油的界面上，相当于形成一层保护膜，保证混合燃料处于一种稳定状态.

选择的助溶剂有丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨糖醇单油酸酯（Span80），四种助溶剂的基本参数如表2所示.丁醇和庚醇都同时具有烃基和羟基，满足作为助溶剂的基团要求；生物柴油和Span80主要的官能团为酯基（R—COO—R′），也带有一定量的羟基，可以作为乙醇柴油的助溶剂.

表2 四种助溶剂基本参数Tab.2 Parameters of the 4solubilizers

1.2 助溶剂的助溶特性试验

试验过程用的主要仪器：量筒、烧杯、试管、玻璃棒、带胶圈密封的广口瓶、推液器和试剂瓶.试验过程环境温度为10～15°C.

1.2.1 单一助溶剂试验

首先研究单一助溶剂的助溶作用，往试管中加入7mL柴油和2mL乙醇，然后用推液器每次加入0.1mL的助溶剂，振荡搅拌后静置10min，直到混合溶液变得澄清透明，记录下此时总共加入的助溶剂体积，试验结果如图1所示.

图1 单一助溶剂添加体积Fig.1 Volumes of the single solubilizers

对比两种醇类的添加体积可知，碳原子数较大的庚醇所需添加的体积较少，比丁醇具有更好的助溶效果；两种酯类的助溶效果对比，Span80的助溶效果更好；醇类比酯类具有更好的助溶能力.

1.2.2 复合助溶剂试验

考虑“醇类＋酯类”形成的复合助溶剂效果进行复合助溶剂试验.具体方案如下：方案1（丁醇＋生物柴油）、方案2（丁醇＋Span80）、方案3（庚醇＋生物柴油）和方案4（庚醇＋Span80），复合助溶剂中两种试剂的体积比分别为3∶7，5∶5和7∶3.

图2 复合助溶剂添加体积Fig.2 Volumes of the compound solubilizers

如图2所示，随着复合助溶剂中醇类体积比的增加，所需添加的助溶剂体积逐渐减小，助溶效果得到增强，表明复合助溶剂的助溶效果受醇类的影响较大；庚醇型的复合助溶剂比丁醇型的复合助溶剂的助溶效果要好；与单一醇类助溶剂（庚醇）相比，复合助溶剂助溶效果欠佳，所以选择庚醇为助溶剂.

1.2.3 不同体积分数乙醇混合燃料的配制

以庚醇为助溶剂，配制ED10，ED20和ED30混合燃料（ED代表乙醇／柴油混合燃料，数字代表乙醇体积分数，ED0代表纯柴油），所需庚醇的体积如图3所示.

图3 庚醇添加体积和庚醇与乙醇体积比Fig.3 Volumes of heptanol and volume ratio of heptanol and ethanol

随着混合燃料中乙醇体积分数的增大，需要添加的庚醇也增加；其中庚醇和乙醇的体积比为0.2（如图3右侧所示），这表明每助溶1mL的乙醇，需要添加0.2mL庚醇，这一比例关系基本与柴油的体积无关.

1.2.4 混合燃料的长期稳定性

将ED10，ED20和ED30乙醇／柴油混合燃料密封保存在广口瓶.2个月后将其取出，混合燃料仍然澄清透明，没有分层.这表明经妥当保存，乙醇／柴油混合燃料能够长期稳定存储.

2 乙醇／柴油混合燃料物性参数测量

2.1 物性参数测试范围和方法

本文对ED10，ED20，ED30乙醇／柴油混合燃料进行密度、表面张力和黏度等关键物性参数测量；测试的温度为5～60℃，该温度范围基本和柴油机中燃料实际温度范围一致.

密度测量根据经典的阿基米德浮力原理，所采用的仪器是上海方瑞仪器公司的MDY－2电子密度仪，该仪器的测量量程为0.000 1～10.000 0 g·cm－3，测量精度为±0.000 1g·cm－3.

表面张力的测量方法有毛细上升法、最大气泡压力法、拉脱法、滴重法和表面波法［8－9］.本文采用拉脱法，其原理是将铂金板放在液面上与待测液体相接触，在该液体中拉动铂金板所需拉力由液体表面张力和板的面积所决定，如此便测得表面张力.采用的仪器为上海方瑞仪器公司的QBZY－1表面张力仪，测量量程为0～999mN·m－1，测量精度为0.1 mN·m－1.

黏度测量方法为旋转式测量，原理是转子旋转过程中受到待测液体的黏滞阻力，产生黏滞扭矩，进而带动指针出现一定的偏转角，再通过换算得到待测液体的动力黏度.所采用的仪器是上海方瑞仪器公司的NDJ－1S电子黏度仪，测量量程为1～100 000mPa·s，测量精度为±0.1mPa·s.

测量过程利用上海方瑞仪器公司的DC2006水槽来保持恒温，其能够实现5～95℃之间的恒温，温度控制精度为0.1℃.

2.2 不同配比乙醇／柴油混合燃料的物性参数测量

2.2.1 密度

图4给出不同配比下乙醇柴油混合燃料的密度ρ（单位为g·cm－3）随温度T（单位为℃）和乙醇体积分数的变化关系.在不同温度时，随着乙醇体积分数的增大，混合燃料的密度降低；在不同乙醇体积分数，随着温度的增大，混合燃料的密度基本呈线性降低趋势.

对试验测试数据进行拟合，可得到混合燃料的密度ρ与乙醇体积分数φ和温度T的关系式为

图4 混合燃料密度随乙醇体积分数和温度的变化关系Fig.4 Density of the blend fuels variation with ethanol volume percentage and temperature

2.2.2 表面张力

燃料的表面张力σ对燃油的喷射、破碎、初始雾化、二次雾化和壁面油膜［10］形成有着重要影响.

乙醇／柴油混合燃料的表面张力σ（单位为mN·m－1）随不同乙醇体积分数φ和温度T变化关系如图5所示.不同温度时，随着乙醇体积分数的增大，混合燃料的表面张力逐渐降低；在不同乙醇体积分数时，随着温度的增大，混合燃料的表面张力呈线性降低趋势.

图5 混合燃料表面张力随乙醇体积分数和温度的变化关系Fig.5 Surface tension of the blend fuels variation with ethanol volume percentage and temperature

对试验测试数据进行拟合，得到混合燃料的表面张力σ与乙醇体积分数φ和温度T的拟合公式

2.2.3 黏度

黏度是流体在流动过程中内部摩擦现象的一种体现，内部摩擦越大，黏度越大.燃料相对分子质量越大，意味着分子间碳氢键连接越多，其黏度也将越大.燃油的黏度对供油系统的润滑性和燃油的喷射及雾化过程有非常重要的影响，适当的黏度能够保证供油系统的正常运转，过大或过小的黏度将加剧喷油系统的磨损，导致发动机的机械效率降低［11］.燃油喷射时的前进速度、喷雾锥角、贯穿距、雾化液滴的大小和壁面油膜的形成等都受到黏度影响.乙醇／柴油混合燃料的黏度η（单位为mPa·s）随不同乙醇体积分数和温度变化关系如图6所示.不同温度下，随着乙醇体积分数的增大，混合燃料的黏度降低，但在高温时黏度随乙醇体积分数的增大而降低的趋势减缓；不同乙醇体积分数，随着温度的增大，混合燃料的黏度呈指数降低趋势.

对试验测试数据进行拟合，得到混合燃料的黏度η与乙醇体积分数φ和温度T的关系式为

其中：

图6 混合燃料黏度随乙醇体积分数和温度的变化关系Fig.6 Viscosity of the blend fuels varies with ethanol volume percentage and temperature

3 乙醇／柴油混合燃料对柴油机性能影响的模拟研究

3.1 模拟研究条件和计算模型及验证

3.1.1 模拟研究条件

用于模拟研究的柴油机基本参数如表3所示.

表3 柴油机基本参数Tab.3 Parameters of the diesel engine

模拟研究的转速为2 200r·min－1，总喷油质量为55mg（预喷油质量和主喷油质量分别为3mg和52mg，喷油定时分别为上止点前CA（crank angle，CA）为20°和上止点前CA为4°.由于柴油机燃烧室具有轴对称特点，为节省计算时间，计算区域根据喷油器喷孔数（8孔）取为燃烧室的1／8，计算过程从进气门关闭时刻（CA为213°）到排气门打开时刻（CA为499°）.图7给出位于上止点时刻的燃烧室网格图，整个燃烧室网格数为24 127个.

3.1.2 计算模型及验证

计算模型中的湍流模型选取k－ξ－f模型［12］，燃油雾化及油膜形成模型分别选取wave和wallfilm模型，燃烧模型选取extended coherent flame－3Z模型（简称ECFM－3Zmodel），蒸发模型选取multicomponent evaporation模型，NOx和soot生成模型分别选取Zeldovich模型和Kennedy－Hiroyasu－Magnussen模型［13］.

图7 上止点时刻计算网格Fig.7 Calculation model mesh on the TDC

图8和图9为模拟得到的缸压、NOx和soot排放数据与试验结果的对比，两者基本一致，说明所建模型是合理的，并能够应用于后续模拟研究.

3.2 乙醇／柴油混合燃料对燃油雾化和油膜形成的影响

图10给出不同乙醇体积分数下蒸发燃油、碰壁燃油和壁面形成的油膜的质量分数的对比（质量分数为对应质量占喷油质量的分数；壁面统指燃烧室表面、缸壁面和缸盖底面等计算域内部壁面）.

伴随着乙醇体积百分比的增大，混合燃料的表面张力和黏度逐渐降低（如图5和6所示），这有利于加快燃油的蒸发和减少碰壁后燃油在壁面上的堆积［10］.如图10所示混合燃料的蒸发燃油质量分数逐渐增加，燃油的雾化效果得到改善；碰壁燃油质量分数逐渐减少，在壁面形成的油膜逐渐减少，这样将有利于减少对缸壁机油的侵蚀［14］和降低碳氢排放.

3.3 乙醇／柴油混合燃料对燃烧过程的影响

不同乙醇体积分数下缸内压力、温度、放热率和累计放热量的对比分别如图11和12所示.

由于乙醇的低热值较低（见表1），与柴油掺混后将导致混合燃料的低热值降低，所以随着乙醇体积分数的增加，混合燃料的累计放热量逐渐降低，缸内压力和温度也有一定程度的降低，如图11所示.另外，由于乙醇的十六烷值较低，与柴油掺混后将延长混合燃料的滞燃期，如图12所示.在CA为350°到360°范围ED0有明显的预混燃烧放热，而混合燃料（ED10，ED20和ED30）出现预混燃烧的相位较为滞后，并且现象较不明显.

图11 不同乙醇体积分数下缸内压力和温度Fig.11 Cylinder pressure and temperature with different ethanol volume percentages

3.4 乙醇／柴油混合燃料对排放物生成的影响

图13给出了不同乙醇体积分数下的NOx和soot生成的对比.从NOx生成机理可知，缸内温度越高越有利于NOx的生成.而从图11可知，随着乙醇体积分数的增加，缸内温度逐渐降低，进而NOx排放逐渐减少.soot生成主要条件为局部当量比大于1.5和缸内温度大于1 500K.乙醇作为含氧燃料，与柴油掺混后，能够提高混合燃料中氧含量，进而降低当量比，并且缸内温度得到一定降低，所以随着乙醇体积分数的增加，soot排放逐渐减少.

3.5 乙醇／柴油混合燃料对动力性、当量比油耗和燃烧噪声的影响

本文采用平均指示有效压力PIMEP来衡量使用混合燃料时柴油机的动力性.由于混合燃料的低热值不同，本文采用当量比油耗BEISFC［15］来比较使用混合燃料时柴油机的油耗，其计算公式如下：

式中：BISFC是混合燃料的指示燃油消耗率，HD是柴油的低热值，HL是混合燃料的低热值，其计算公式如下：

式中：ρD为柴油密度，ρE是乙醇密度，HE是乙醇的低热值.

燃烧噪声采用响振强度［16－17］R来评价，响振强度越大代表燃烧噪声越大，响振强度计算公式如下：

综合而言，在保证柴油机动力性下降不多的前提下，ED10（即乙醇体积分数为10%）能够使柴油机的燃烧雾化效果得到改善，NOx和soot排放降低，当量比油耗和燃烧噪声减少，因而是综合性能最佳的混合燃料方案.

图14 不同乙醇体积分数下PIMEP，BEISFC和R值为对比Fig.14 PIMEP，BEISFCand Rwith different ethanol volume percentages

4 结论

（1）醇类助溶剂比酯类和“醇类＋酯类”组成的复合助溶剂具有更好的助溶效果.本文最终选择庚醇作为助溶剂，并发现随着乙醇浓度的增加，需要添加的庚醇量呈线性增加.

（2）获得由沪四0号柴油和无水乙醇配制得到的混合燃料的密度、表面张力和黏度随乙醇体积分数和温度变化的经验公式.

（3）随着乙醇体积分数的增加，混合燃料的雾化效果有所改善，在壁面形成油膜明显减少；由于低热值的降低导致累计放热量、缸内压力和温度降低，动力性下降，当量比油耗和燃烧噪声降低；对缸内温度的降低和提高燃料中氧含量有利于减少NOx和soot排放.

（4）ED10是综合性能最佳的混合燃料方案.

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