弱含氧燃料在柴油机上的燃烧过程与排放特性

梅德清，张永涛，肖淑梅，孙 平

（1. 江苏大学 汽车学院，江苏，镇江 212013； 2. 扬州职业大学 汽车工程系，江苏，扬州 225009）

随着我国经济迅猛发展和汽车保有量的高速增长，能源需求和环境保护问题的双重压力日益增加，因而迫切需要发展可以替代的燃料，其中含氧燃料的研究和应用是关键[1-4]。含氧燃料通常是指分子结构中含有氧元素的醇类、醚类、酯类等可以在内燃机中单独作为燃料或以添加剂的形式与汽油、柴油混合使用的含能物质。目前，在众多的柴油机代用燃料中，生物柴油、乙醇柴油等弱含氧燃料以良好的经济性、动力性和排放特性而大受欢迎，同时具有无需对发动机进行结构改造而能直接应用等优势，使其倍受各国青睐[5-6]。

针对醇类、醚类、酯类等含氧燃料各自与普通柴油在发动机上的比对应用，国内外做了大量研究工作，并已得到了各类燃料的燃烧与排放特性差异及机理性的解释,含羟基的燃料主要为短碳链物质，而酯类则以长碳链为代表。本文在同一台发动机上，进行发动机燃烧这些含氧燃料和普通柴油的燃烧分析和排放性能测试，研究低含氧量不同含氧属性（羟基和酯基）带来的发动机性能差异，协调这类弱含氧燃料在发动机上的运用。

1 试验装置及方法

在不改变柴油机结构形式和供油提前角，仅微调供油量实现原机功率的基础上，进行柴油机分别燃用生物柴油、乙醇柴油、微乳化生物柴油和普通柴油4种燃料的燃烧过程和排放特性试验研究，分析含氧燃料在发动机上的应用特点。

试验样机为YZ4DB3，主要技术参数以及试验设备见表1和表2。试验测量了柴油机在标定转速不同负荷工况下燃用4种燃料时的缸内燃烧压力、燃油经济性和排放特性。

试验的基础燃料是0#柴油。生物柴油(Biodiesel)是由餐饮废油经酯交换工艺制备而成的。微乳化生物柴油（Micro Emulsion-Biodiesel , MB）按照柴油︰表面活性剂︰水的质量比为15∶2∶1配制而成。乙醇柴油（E20）是以正丁醇为助溶剂(体积比5%)，柴油中掺混20%（体积比）乙醇的调合燃料。试验用柴油与各含氧燃料的理化特性见表3。

表1 试验用柴油机主要技术参数

表2 试验所用的主要仪器

表3 柴油与含氧燃料的理化特性

2 燃烧过程分析

图1为在n=2 900 r/min，pme=0.77 MPa工况下，发动机燃用4种燃料的缸内压力示功图、瞬时放热率和缸内温度等曲线图。从图1（a）可以看出，与燃用柴油相比，3种含氧燃料中生物柴油的缸内最大爆发压力略低，而MB和E20两者的缸内最大爆发压力均大于柴油。从图1（b）瞬时放热率曲线可以看出，与燃用柴油相比，长链的酯基燃料——生物柴油较高的十六烷值使着火时刻提前约2°CA，滞燃期内形成的可燃混合气量较少，且酯类燃料较高的粘度限制了缸内混合气的形成速度，后续燃烧延缓，放热率峰值略有降低。

发动机燃用E20和MB时，两者的放热时刻明显较柴油和生物柴油滞后，但两者的放热率峰值和最大爆发压力都比柴油高。出现这种现象的主要原因在于短链醇和水的加入使燃料的十六烷值降低，着火延迟期相对延长；低沸点的乙醇以及微乳化的水这两者微爆引起二次雾化现象[7-8]，使滞燃期内燃料和空气混合比较充分；此外乙醇和微乳化油都是含氧燃料，氧的助燃作用又促使混合气燃烧速度加快，燃烧放热过程更加集中。良好的雾化性能又加速了扩散燃烧的进度，使燃烧终点提前，故而E20和MB的燃烧持续期缩短。

从燃料化学的角度，燃料中氧或者水只对燃烧过程起到调节作用，并不能增加燃料氧化释放出来的热量。因此，随燃料进入整个燃烧反应系统的氧或者水，随着反应容器内温度的升高，吸收一部分热量使其内能提高，因而3种含氧燃料的缸内工质平均温度都比柴油有不同程度的降低，如图1（c）所示。与燃用柴油相比，生物柴油尽管在进入气缸后最先着火，但在初期放热结束之后因其粘度较高，油气混合的速度比柴油燃料低，因此燃烧放热速度下降，缸内燃烧温度降低。MB因燃料中含有水，其缸内温度比生物柴油略有降低。而E20因汽化吸热和低热值等因素，其缸内温度最低。

图2为发动机在n=2 900 r/min转速下各个负荷工况下（各个目标工况一致）有效热效率的对比。从图中可看出，3种含氧燃料的有效热效率都比柴油高。在n=2 900 r/min、pme=0.77 MPa工况下，发动机燃用生物柴油、MB和E20的有效热效率分别比柴油高出4.1%、8.7%和15.7%。生物柴油中氧的存在提高了混合气中的氧气氛，致使燃烧过程进行完全。而柴油中乙醇以及微乳化油中水的加入，与前文图1（b）中瞬时放热率解释一致，较长的着火延迟期、沸腾汽化带来的良好雾化性能和燃料自供氧的助燃作用，在这三者的综合效应下，使缸内燃烧放热过程相对集中、等容度高，热量转换为功的效率高。因此，MB和E20的热效率进一步上升。酯基或羟基物质用作燃油后，发动机有效热效率有不同程度的提高，燃料放热节奏的改变是主因，而含氧属性只能是其中辅助的因素。

3 排放特性分析

3.1 NOx排放

由Zeldovich NO形成的热力学机理可知，影响NOx生成的最主要的因素有3个：（1）温度。（2）过量空气系数（φa大，则造成富氧环境，有利于NOx生成）。（3）反应在高温中的停留时间。图3是在标定转速下发动机燃用不同含氧燃料的NOx排放。在中低负荷工况下，生物柴油、E20以及MB对发动机NOx排放影响不大，而在高负荷工况下，较高的燃烧温度对NOx的生成影响起着决定的作用，各含氧燃料的 NOx排放有一定程度的上升。在最大负荷工况点，发动机燃用生物柴油和MB时的NOx排放分别增加了11.1%和9.3%，这主要是由于缸内可燃混合气中参与化学反应的活性氧量上升，更易形成NOx排放。而发动机燃用E20时的NOx排放相对增加量较少，为7.2%。从缸内工质的平均温度图1（c）可以看出，由于乙醇汽化吸收热量且高含氧低热值乙醇进入气缸使燃料质量增多，发动机燃用E20时缸内温度最低，因而其NOx排放在这3个含氧燃料中最低。由此可见，在较高的缸内温度下，由酯基或羟基提供的更多的氧成为NOx快速增长的主要要素。

3.2 CO排放

在标定转速下，发动机燃用4种燃料的CO排放如图4所示。CO是燃料不完全燃烧的产物，主要受燃烧温度和氧浓度大小的影响。在各负荷工况下，生物柴油的CO排放比普通柴油的CO排放要低，主要是由于燃料中的氧的存在增加了混合气中氧氛围，改善了燃烧过程；燃料中加入水的MB，其CO排放性能介于二者之间，因为水的汽化吸热在一定程度上降低了缸内燃烧温度，使CO排放相对于生物柴油略有上升，但和柴油的CO排放差别不大。在10%负荷工况下，发动机燃用乙醇柴油的CO排放为普通柴油的1.5倍，而在全负荷下，两者大致相当。原因主要有：在低负荷时缸内温度较低，加之乙醇较高的汽化潜热进一步降低了缸内燃烧温度，CO进一步氧化的进程被抑制；而在高负荷下，缸内温度相对较高，乙醇汽化使缸内温度降低的作用弱化且燃料自供的氧又能促进燃料燃烧，因而CO排放下降。

E20在高低负荷下CO排放的显著差异，说明了燃料含氧属性不能被无限放大，此时醇的另外特性（汽化吸热）成为显性要素。生物柴油、MB和普通柴油这三者燃料主体的碳链长度接近，此时CO排放规律可由含氧属性来解释。

3.3 HC排放

图5为发动机在标定转速下燃用4种燃料的HC排放。由图可看出，发动机燃用生物柴油和MB时HC排放比柴油降低幅度较大，因为生物柴油是含氧燃料，增加了混合气中的氧氛围，使燃烧更完全；再者生物柴油相对的不易挥发性以及高十六烷值使着火延迟期缩短，混合气形成阶段由于时间尺度缩短而使着火稀限区域减少。与生物柴油相比，发动机燃用MB，因燃料含水降低了缸内温度限制了燃烧，而使HC略有增高。而发动机燃用E20时，在中低负荷下，由于缸内燃烧温度原本较低，具有较高汽化潜热的乙醇进缸后吸热汽化使缸内温度进一步降低，加之乙醇沸腾汽化会形成更多的着火稀限区域，因而HC排放增加，达到普通柴油的1.7倍；而在高负荷下，发动机缸内温度较高，乙醇的汽化吸热造成的缸内温度降低效应变弱，此时HC排放比发动机燃用柴油时还低，与另两种含氧燃料的HC排放相接近。可见，含羟基的短碳链的易挥发性是造成HC排放增多的主要根源。

3.4 碳烟

图6为标定功率转速工况下4种燃料的由光吸收系数表示的碳烟排放对比。碳烟的形成主要是由于燃烧室内局部混合气过浓引起的不完全燃烧。由图6可以明显看出各种混合燃料的烟度排放低于柴油的烟度值。生物柴油以及E20为含氧燃料，其氧原子在燃烧过程中可以助燃，因而碳烟排放会大幅度下降。

MB碳烟排放较低的机理在于MB燃烧时混合气均匀度提高，此外混合燃料中含氧，减缓了局部缺氧现象。加之，燃烧过程中形成的C会与水蒸气发生水煤气反应以及OH自由基对活性碳原子的消耗，均会使烟度值降低，其机理见式（1）和式（2）[9-10]。

在柴油中添加乙醇后，含氧量上升，此外乙醇的沸腾汽化使混合气均匀度提高，促使燃油液滴与空气混合充分，碳烟排放下降，最大负荷工况下降幅达到47%。总体而言，长链酯基结构的燃料消烟效果比短链醇基结构燃料更明显。

4 结论

（1）在标定点工况下，与以柴油作为发动机工作的燃料相比较，生物柴油着火时刻约提前2°CA，着火延迟期缩短，放热率峰值和最大爆发压力都略低于柴油；而MB和E20开始放热时刻相对滞后，但放热过程更集中，放热率峰值和最大爆发压力都较发动机燃用柴油时升高。

（2）在大负荷工况下，与柴油相比，发动机燃用3种含氧燃料总体表现为NOx排放增加，而表征不完全燃烧产物的HC、CO和烟度等均有不同程度的下降。生物柴油和柴油的燃料结构相似，其对排放的影响都可以从燃料结构中含氧和十六烷值来解释；加入水的MB使缸内温度略有降低，其排放性能与生物柴油相近；但考虑到E20的汽化吸热和易挥发性，在中低负荷时HC和CO排放明显较高。

（3）含氧的酯类及醇类的加入同时也带来了燃料特性（含氧量、沸点、汽化潜热、粘度和CN值等）等其它方面的改变，对发动机燃烧及排放性能产生很大的影响。因此，需要依据酯或醇的燃料属性，优化添加比例，使现有发动机能够满足相应的排放法规。

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