酯类含氧燃料组分对柴油机燃烧与排放特性的影响研究

邬齐敏，孙 平，梅德清，李国成

（江苏大学汽车与发动机排放研究所，江苏 镇 江 212013）

鉴于目前世界石油资源的过度消耗和日益严重的汽车尾气排放，各国在制定严格的发动机排放法规的同时，也加大了对内燃机替代能源的研究力度。众多研究表明［1－5］，含氧燃料在不调整发动机结构的前提下，能够部分替代柴油参与燃烧，并能够减少柴油机污染物排放，尤其能大幅度降低炭烟排放，甚至具有降低NOx排放的潜力，从而可以解决传统柴油机NOx和PM排放控制中存在的此消彼长的矛盾。目前，针对含氧燃料中醇类、醚类和酯类燃料的研究较多。其中，酯类燃料中的生物柴油（脂肪酸单酯）和碳酸二甲酯（DMC）在某些燃料特性上优于柴油，且能与柴油以任意比例互混［6－7］，因此，这两种酯类燃料在替代含氧燃料的研究中备受关注。

生物柴油具有较高的十六烷值，但黏度高，DMC具有较低的黏度，但十六烷值低，因此，二者互混可使各自的不足之处得以互补，并能够充分发挥各自的含氧优势。因此，在柴油中适量添加这两种燃料可得到燃料特性占优的含氧燃料，并能实现发动机的性能最优，从而促进含氧燃料的大规模推广。本研究在柴油比例不变的前提下，分别掺混生物柴油、DMC以及DMC与生物柴油的混合燃料，加上纯柴油组成4种试验燃料，并对不同含氧燃料的燃烧过程、经济性和排放特性进行深入研究。

1 试验装置和方法

试验选用186FA单缸风冷柴油机作为试验样机，其主要技术参数见表1，主要测试设备见表2。试验在不调整发动机结构的前提下，选取标定功率转速3 000r／min下100%，75%，50%，25%4个负荷作为试验工况，依次向柴油机供给不同混合燃料，测量发动机转速、扭矩、燃油消耗和尾气排放等数据，并选取100%负荷下的缸内燃烧压力、压力升高率、放热率进行分析，来反映不同燃料的燃烧特性差异。缸内燃烧压力采用Dewetron燃烧分析仪进行采集，采集间隔为0.5°，每个工况连续采集200个循环并进行平均计算得到示功图。在进行油品切换时，调节发动机至稳态工况点，让发动机运转足够长的时间以消除油路中残余燃料对试验结果的影响，再进行试验测量。

表1 186FA柴油机的主要性能参数

表2 主要测试设备

试验燃料是在柴油占混合燃料体积90%的前提下，按体积比分别掺混10%生物柴油、5%生物柴油与5%DMC以及10%DMC，并与纯柴油组成4种测试燃料，分别记为B10，B5D5，D10和柴油。表3示出了4种测试燃料的主要理化特性。从表3中可以看出，生物柴油和DMC添加至柴油中后混合燃料的黏度、十六烷值、低热值基本与纯柴油接近，且保留较为适量的含氧优势。

表3 测试燃料主要理化特性

2 试验结果与讨论

2.1 燃烧特性分析

图1和图2示出了转速n＝3 000r／min，pme＝0.46MPa工况下4种燃料的缸内压力和压力升高率曲线。发动机燃用B10，B5D5和D10后缸内压力峰值和压升率峰值与燃用柴油时基本接近，更换后的燃料仍与原有的燃烧系统匹配良好，未出现燃烧冲击载荷异常状况。受燃料十六烷值的影响，燃用B10时缸内压力峰值和压力升高率峰值出现位置较原机提前约1°，相反，燃用B5D5与D10缸内压力峰值和压升率峰值出现位置向后推迟约0.5°和1.5°。结合表2得出，4种燃料的缸内压力峰值及压力升高率峰值出现位置与各自十六烷值存在负的线性关系。

图3示出了n＝3 000r／min，pme＝0.46MPa工况下4种燃料的放热率曲线对比。由图3可见，放热率曲线呈现双峰分布，第1放热峰是由预混燃烧引起的，第2放热峰则是由扩散燃烧引起的，且各种燃料的第2峰呈现出与其第1峰相似的变化规律，这主要与燃料十六烷值、黏度和含氧量等性质相关。对比4种燃料的2个放热峰值可以得出，相比生物柴油这种含氧燃料，同比例的DMC可同时改善柴油机的预混和扩散燃烧。

一般认为，放热率峰值位置主要由燃料的滞燃期决定［8］。滞燃期分为物理延迟和化学延迟两阶段，其影响因素主要取决于燃料性质、混合气浓度及相应温度和压力条件。与燃用柴油相比，B10的滞燃期缩短约1°，这是由于生物柴油中直链正构烷烃和烯烃基团较多，碳链易断裂，使化学延迟期缩短。DMC的引入则使得混合燃料滞燃期相对延长，且添加量越多，滞燃期越长。B5D5与D10的滞燃期较原机状态延长约1°和2°。这是由于DMC中2个甲醇基共用同一羰基，结构较为稳定，难以断裂；此外DMC的沸腾汽化吸热减缓了燃油蒸气与空气混合气的焰前反应，使化学延迟期延长。对比B10，B5D5和D10的滞燃期可得出，燃用DMC造成的着火延迟效应要比燃用同比例生物柴油造成的着火提前效应更明显。

放热率峰值大小则与滞燃期内的可燃混合气数量及质量有关［8］。对含氧燃料而言，燃料中氧含量对其也会产生重要贡献。从图3还可看出，燃用B10后的放热率峰值较原机降低约0.62kJ／（°），且其出现位置提前约1°。这是由于B10的滞燃期相对缩短，而生物柴油的高黏度又减缓油气混合，滞燃期内可燃混合气的数量减少。燃用B5D5和D10的放热率峰值较原机分别升高约 2.29kJ／（°）和4.08kJ／（°），其出现位置也相应推迟约1°和3°。如前所述，DMC的加入减缓了B5D5和D10燃烧放热过程的进行，而其良好的挥发性则会加速油气混合，滞燃期内积聚的可燃混合气数量增多，其“自携氧”属性促使放热速率加快，放热率峰值急剧升高，且随DMC含量增多而升高。

综合来看，含氧燃料中较多的生物柴油会使混合气过早着火，而过多的DMC则会使混合气燃烧相位过于推迟，相比而言，B5D5保留有生物柴油较高的着火能力、DMC较强的挥发性及适量的氧含量，因而，滞燃期较原机虽略有延长，但放热率峰值较高，且接近上止点，能量利用率相对较高。

2.2 经济性分析

图4示出了发动机在n＝3 000r／min各负荷工况下4种燃料的当量燃油消耗率对比。由于生物柴油、DMC和柴油热值相差较大，直接采用燃油消耗率来考察燃料的经济性具有一定的局限性。因此，引入当量燃油消耗率来进行分析，其定义为

式中：Hu，b为混合燃料的热值；Hu，d为柴油的热值。

从图4中可以看出，发动机燃用B5D5的当量燃油消耗率最低，而B10和D10的当量燃油消耗率与柴油相差不大。这主要是燃料黏度、含氧量和着火能力综合作用的结果。发动机燃用B5D5时，DMC的低黏度和低沸点解决了B10黏度升高的问题，因而改善混合燃料的雾化效果；而生物柴油的高十六烷值克服了D10的低十六烷值的缺陷，因而改善混合气的着火性能；再加上二者共有的含氧优势，促使燃烧更迅速完善。从图3放热率曲线亦能看出，B5D5燃烧放热集中且等容度较高，有助于燃烧效率提高。因此，当量燃油消耗率是燃油消耗率和有效热效率的综合体现。从节能的角度来说，B5D5是经济性良好的含氧燃料，如对生物柴油和DMC在柴油中的调配比例进一步优化，具有进一步降低混合燃料燃油消耗率的潜力。

2.3 排放特性分析

图5示出了发动机在n＝3 000r／min各负荷工况下4种燃料的NOx排放对比。柴油机NOx排放主要受高温、富氧及高温持续时间的影响。

由图5可见，B10的NOx排放在中低负荷时与柴油相差无几，而在全负荷时升高近7.9%。这是由于全负荷时缸内燃烧温度较高，且生物柴油中氧与混合气中氮的碰撞概率增加，NOx排放急剧升高。而B5D5和D10的NOx排放较柴油平均降低约4.5%和13.1%，这是由于DMC汽化吸热作用和燃烧相位推迟引起的温度降低对NOx生成的降低作用远大于其高含氧量形成的富氧环境对NOx生成的促进作用。这些不同燃料的NOx排放也从侧面反映出，与混合气中氧含量这个因素相比，缸内燃烧温度对于NOx的形成是更具决定性的因素。对比B10，B5D5和D10的NOx排放可以得出，燃用DMC时NOx排放的降低幅度要比燃用同比例生物柴油时NOx排放的增加幅度更显著。

图6示出了发动机在n＝3 000r／min各负荷工况下4种燃料的炭烟排放对比。柴油机燃用含氧燃料后烟度都有不同程度的降低，B10，B5D5和D10的烟度较原机平均降低约5.8%，10.4%和17.7%。柴油在高温贫氧的扩散燃烧过程中会裂解生成大量的炭烟。生物柴油和DMC的引入可改善浓混合气区的缺氧燃烧，缩短扩散燃烧期，燃油高温裂解倾向减少。由于DMC黏度和沸点远低于生物柴油和柴油，燃油雾化效果改善更明显，加上其含53.3%的氧，对浓混合气区的减少程度远优于生物柴油，炭烟排放降低幅度更显著。结合表2发现，燃用B10，B5D5和D10时烟度的降低情况与其自身的含氧量呈二次多项式关系。

图7示出了发动机在n＝3 000r／min各负荷工况下4种燃料的CO排放对比。B10的CO排放较原机有所降低，而含氧燃料中DMC的加入使CO排放有所上升，这是由于中小负荷时，缸内过量空气系数较大，含氧燃料对燃烧过程的促进作用削弱，而DMC的引入使原本较低的缸内温度进一步降低，不利于CO的氧化。而大负荷时，缸内温度较大，缸内过量空气系数减小，含氧燃料的影响作用增大，CO氧化作用明显，因而4种燃料的CO排放基本接近。

图8示出了发动机在n＝3 000r／min各负荷工况下4种燃料的HC排放对比。柴油机HC排放主要来源于油束边缘的极稀混合气，受控于滞燃期的长短，而含氧燃料中氧在油束边缘的激发状态亦会部分影响HC生成。B10的滞燃期较原机缩短，燃油喷注与空气混合过程中稀化程度减弱，混合气中氧增加促使该区域燃烧完全，故燃用B10的HC排放平均降低约2.8%。而发动机燃用B5D5与D10时HC排放显著增加，且随DMC添加量呈线性增加关系。这是由于B5D5与D10延长的滞燃期以及DMC沸腾汽化促使混合气向着火稀限区域发展，而DMC吸热降温又难以激发出燃料中氧的活性，因而对着火稀限区域内的HC氧化改善有限。对比B10，B5D5与D10的HC排放可得出，燃用DMC对着火稀限区域的影响程度远比燃用同比例生物柴油显著。

值得注意的是，与柴油相比，B5D5和D10两种含氧燃料可同时降低NOx和炭烟排放，可改善传统柴油机NOx和炭烟排放此消彼长的关系。针对“柴油是目前最适合柴油机的燃料”这一说法，B5D5这种燃料在柴油机上应用表现出来的燃烧特征和排放特性等与柴油最接近，既可实现对柴油的部分替代，还可以降低部分排放指标。

3 结论

a）小比例掺混含氧燃料对柴油机缸内压力峰值和压升率峰值影响不大；发动机燃用B10时放热峰值略有降低，放热时刻提前，而燃用B5D5和D10的放热峰值明显升高，放热峰值延迟明显；

b）发动机燃用B5D5的当量燃油消耗率最低，燃用B10和D10的当量燃油消耗率与燃用柴油时基本相当；

c）发动机燃用B10时HC，CO和炭烟排放降低，但NOx排放在全负荷时略有升高；而燃用B5D5和D10可同时降低NOx和炭烟排放，且DMC含量越多，降低幅度越明显；

d）综合来看，发动机燃用B5D5后燃烧效率提高，经济性良好，NOx排放和烟度可同时降低，因而B5D5是一种性能优良的复配型含氧燃料。

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