添加剂对乙醇柴油稳定性及排放性能的影响

胡 鹏，孙 平，汪家全，向立明

（江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江212013；湖北文理学院 机械与汽车工程学院，湖北 襄阳441053）

柴油机具有良好的可靠性，燃油经济性，耐久性，较低的CO、HC和CO2排放等优点，成为当今重型道路运输机械、农业机械和工程机械主要动力源。但目前正面临着石油资源不足和环境污染加剧的压力，因此开展清洁代用燃料的研究受到世界各国学者重视。内燃机燃用柴油与含氧化合物混合燃料或直接燃用含氧燃料是一条有效途径。目前研究较多的含氧燃料有甲醇、乙醇、二甲醚、生物柴油等［1-8］。由于乙醇是一种可再生的生物质能源，其氧质量分数高达34.8%，与柴油混合进入气缸后能对柴油燃烧起到调质作用，此外乙醇在产量和成本方面具有优势，因此人们希望将其应用于热效率较高的柴油机上。研究结果表明，乙醇柴油是一种有前景的清洁燃料［5-8］。

目前，对采用加入添加剂（十六烷值改进剂、消烟剂、清净分散剂、稳定剂以及分散剂等）的柴油的柴油机燃烧排放特性进行了较多研究［7-10］。与常规柴油相比，乙醇柴油的理化特性有着明显的差异。鉴于乙醇柴油最容易在柴油机上推广应用，因此研究添加剂对柴油机燃用乙醇柴油排放性能的影响具有重要意义。笔者在含乙醇质量分数10%和正丁醇质量分数5%的乙醇柴油中分别加入不同质量分数的十六烷值改进剂或消烟剂，考察其对乙醇柴油稳定性及排放性能的影响，为内燃机高效清洁替代燃烧设计提供参考。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

0＃柴油、十六烷值改进剂（烷基硝酯）和消烟剂（多种聚合体的无灰有机物），市购；乙醇、正丁醇，分析纯，质量分数均为99.99%，国药集团化学试剂有限公司产品。

1.2 试验发动机和仪器

采用潍柴动力扬柴公司YZ4DB3柴油机作为实验用发动机，其主要性能及结构参数列于表1，实验时不改变原机的供油系统以及其他参数。用于制备燃料的主要仪器设备包括上海精密科学仪器有限公司JY10001电子天平 （精度0.1g）、江苏省金坛市富华仪器有限公司HH6恒温水浴箱、上海精密科学仪器有限公司80-2离心分离机、江苏金坛市中大仪器厂JJ-1电动搅拌机。发动机台架测试设备包括奥地利AVL公司AFA335瞬态测功机、PUMA 5测控系统、439烟度计（分辨率0.0025）和日本Horiba公司MEXA-7200D尾气分析系统。

表1 YZ4DB3柴油机的主要性能及结构参数Table 1 Properties and structure parameters of YZ4DB3diesel engine

1.3 乙醇柴油的配制

选正丁醇作为乙醇柴油的助溶剂，按照正丁醇、乙醇、柴油的顺序进行乙醇柴油的配制。在20℃下，先将正丁醇倒入烧杯，然后加入乙醇并用玻璃棒混合均匀，最后向其不断加入柴油，并用电动搅拌机搅拌，通过调整乙醇和正丁醇的质量分数，直到混合溶液澄清为止。配制得到的乙醇质量分数10%、正丁醇质量分数5%的乙醇柴油简称为N5E10。

1.4 添加剂与乙醇柴油相溶稳定性实验

本研究中采用的添加剂都是用于纯柴油的添加剂，与纯柴油的相溶性很好，但对于乙醇柴油而言，添加剂可能存在不相溶的情况，为此需先考察添加剂在乙醇柴油中相溶稳定性。在20℃下，在乙醇柴油中分别添加质量分数为0.1%、0.3%、0.5%的十六烷值改进剂（CN）或消烟剂（XY），混合均匀后观察是否有分层和沉积物的产生，观察时间间隔为1d。将上述加有添加剂的乙醇柴油样品分别记为 N5E10＋0.1CN、N5E10＋0.3CN、N5E10＋0.5CN或N5E10＋0.1XY、N5E10＋0.3XY和N5E10＋0.5XY。

1.5 排放物的测定

分别在1800和2900r／min转速下，10%、25%、50%、75%和100%5个负荷作为试验工况，在YZ4DB3柴油机上分别燃用配制的燃料样品，比较柴油机的排放性能。实验前先用燃油样品对发动机进行热机，待柴油机水温和油温达到工作温度后进行参数测量。在进行燃油样品切换时，为消除残余燃油样品对实验结果的影响，需使柴油机运行足够的时间，直至燃油管路、油泵以及燃油滤清器中充满待测燃料时，将柴油机调节至所需测量的工况点，待工作状态稳定后再进行参数测量。

上述排气分析数据中，CO为干基体积分数，HC和NOx为湿基体积分数。根据GB17691—2005车用压燃式、气体燃料点燃式柴油机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段），需要将干基体积分数转化成湿基体积分数［11］。

2 结果与讨论

2.1 添加剂种类和质量分数对乙醇柴油稳定性的影响

20℃下添加不同质量分数十六烷值改进剂（CN）或消烟剂（XY）的乙醇柴油稳定性实验结果如图1所示。从图1可以看出，在20℃下，不同种类和不同质量分数添加剂与乙醇柴油的相溶性很好，在观察期内没有出现分层和沉积物现象。

图1 添加不同质量分数十六烷值改进剂（CN）或消烟剂（XY）的乙醇柴油稳定性实验结果Fig.1 The results of stability test for the ethanol-diesel with CN or XY at different addition mass fractions

2.2 乙醇柴油中添加剂种类和质量分数对柴油机排放物的影响

2.2.1 对CO排放的影响

CO是烃类燃料在燃烧中间阶段形成的化合物之一。当燃烧快结束时，CO和不同的氧化剂发生再氧化反应，生成CO2。如果氧化剂不足、缸内燃烧温度不高或滞留时间短，CO便不能完全氧化而直接排出缸外。图2为不同工况下燃用添加不同质量分数和不同种类添加剂的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油时柴油机CO排放量随负荷的变化。

从图2看出，燃用乙醇柴油及含添加剂的乙醇柴油时，多数工况下的CO排放体积分数都比燃用0＃柴油的高，在转速为1800r／min、10%负荷时，燃用乙醇柴油的CO排放体积分数要比燃用0＃柴油的高32%；在中高负荷时，不同燃油的CO排放体积分数相近。这主要是由于乙醇柴油的沸点较低，雾化特性改善，混合气均匀，且在中低负荷下混合气很稀，加上其着火延迟期增加，以及乙醇的气化吸热作用，缸内平均温度很低，抑制了CO后继氧化进程；此外靠近壁面的激冷层厚度增加，在着火过程中可能出现局部火焰窒息，也可导致CO排放增加。而在大负荷下，混合气成分均匀，一旦缸内开始燃烧后，燃烧速率很快，缸内最高温度上升，气化吸热作用相应减弱，有助于CO的继续氧化，因此CO体积分数降低。

从图2还可见，添加剂对柴油机燃用乙醇柴油的CO排放影响不仅与添加剂比例有关，还与发动机工况有关。多数工况下柴油添加剂会增加柴油机燃用乙醇柴油的CO排放。当转速为1800r／min时，燃用添加消烟剂的乙醇柴油的CO排放量要高于燃用添加十六烷值改进剂的乙醇柴油；低负荷时更明显，在10%负荷时，燃用添加十六烷值改进剂的乙醇柴油的CO排放量最高约为350μL／L，而燃用添加消烟剂的乙醇柴油的CO排放体积分数最高达到450μL／L，增加近28.6%。

2.2.2 对HC排放的影响

柴油机HC排放物成分复杂，包括多种烃类，如芳香烃、烯烃、烷烃等。产生HC排放的主要原因是燃料不完全燃烧。燃料燃烧不完全的主要因素有局部混合气过稀或过浓、局部温度或瞬时温度过低、喷油器喷嘴处的燃油残留。图3为燃用添加不同质量分数和不同种类添加剂的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油的柴油机HC排放随负荷的变化。

图2 不同工况下燃用添加不同质量分数和不同种类添加剂的乙醇柴油的柴油机CO排放量随负荷的变化Fig.2 CO emission of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

图3 不同工况下燃用添加不同质量分数和不同种类添加剂的乙醇柴油的柴油机HC排放量随负荷的变化Fig.3 HC emission of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

从图3可以看出，柴油机燃用0＃柴油的HC排放随负荷变化的曲线存在1个谷值，当转速为1800r／min时，该负荷谷值为50%，当转速为2900r／min时，负荷谷值为75%。低于负荷谷值时，随着负荷降低，HC排放增加；高于负荷谷值时，随着负荷增加，HC排放增加。这是因为，在低于该负荷时，负荷越低，循环喷油量少，燃烧室温度降低，局部容易出现超稀限混合气，HC排放增加；高于该负荷时，负荷越高，循环喷油量增加，混合气过浓，超富限混合气量增加，同时高温裂解加剧，导致HC排放增加。

从图3还可见，在柴油机转速为1800r／min时，燃用N5E10或含添加剂的N5E10的HC排放随负荷增加一直降低；当转速为2900r／min时，燃用加入乙醇和添加剂的柴油并没有改变原来燃用柴油时的HC排放随负荷的变化规律。与燃用0＃柴油的HC排放相比，在中低负荷时，燃用N5E10的HC排放升高，随着负荷的增大，二者的HC排放差距缩小。转速为1800r／min时，在75%负荷左右，燃用各种燃料的HC排放差距较小，进一步增加负荷，各种乙醇柴油的HC排放均低于0＃柴油的；当发动机转速为2900r／min时，在50%负荷，燃用各种燃料的HC排放差距较小，随负荷的继续增加，加有添加剂的N5E10的HC排放先低于0＃柴油的，而后高于0＃柴油的。这是由于乙醇具有高的气化潜热，可降低缸内温度，增加气缸壁面附近的淬熄层厚度，导致未燃HC排放；随着负荷增大，缸内温度升高，乙醇和正丁醇的高气化潜热对未燃HC排放的作用降低，燃料中氧的助燃作用得到有效发挥，N5E10以及含添加剂的N5E10的HC排放与0＃柴油的HC排放差距缩小。

2.2.3 对 NOx排放的影响

根据扩充的泽尔多维奇机理，NOx的产生主要受燃烧温度、氧原子体积分数和工质在高温环境下持续时间3个因素控制。图4为燃用添加不同质量分数和不同种类添加剂的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油的柴油机NOx排放随负荷的变化。

图4 不同工况下燃用添加不同质量分数和不同种类添加剂的乙醇柴油的柴油机NOx排放量随负荷的变化Fig.4 NOxemission of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

从图4看出，转速为1800r／min时，所有燃油的NOx排放均随着负荷增加而增加，且其排放曲线前段陡峭而后段平缓；在转速为2900r／min时，NOx排放曲线并没有出现后段平缓现象。这说明添加剂并没有改变乙醇柴油的NOx排放随负荷变化的规律。N5E10及多数含添加剂的N5E10的NOx排放都低于0＃柴油。这主要是因为，乙醇的气化潜热高、混合燃料热值低以及燃烧持续期缩短，导致缸内燃烧温度降低和工质在高温持续时间缩短，抑制了热力型NOx生成。

从图4还可见，2个工况下的N5E10＋0.3CN燃料降低NOx排放效果最好，与0＃柴油相比，N5E10＋0.3CN燃料在转速为1800和2900r／min时NOx排放最大降幅分别为17.1%和18.9%。与N5E10＋0.3CN燃料的NOx排放相比，燃用十六烷值改进剂添加质量分数较小的N5E10＋0.1CN时，由于混合燃料的十六烷值较低，滞燃期延长，预混合燃烧阶段形成的可燃混合气数量增加，缸内燃烧温度升高，导致NOx排放增加；当燃用十六烷值改进剂添加质量分数较大的N5E10＋0.5CN时，滞燃期缩短，燃烧持续期延长，N、O在高温火焰下停留时间增加，促进了NOx排放增加。

在1800r／min转速下燃用含消烟剂的乙醇柴油时，随着乙醇柴油中消烟剂质量分数的增加，NOx排放也随之增加，且均高于N5E10但没有超过0＃柴油的NOx排放。在2900r／min转速下，在低负荷工况点，燃用含消烟剂的乙醇柴油的NOx排放低于0＃柴油，但在高负荷工况点，其NOx排放已超过0＃柴油，其中负荷工况点的NOx排放与乙醇柴油中消烟剂质量分数有关。消烟剂能促进燃料燃烧，导致缸内的燃烧温度升高，促进热力型NOx生成，因此乙醇柴油中添加消烟剂会增加NOx排放，但在乙醇和正丁醇降低缸内燃烧温度效应下，NOx排放并没有超过0＃柴油；由于柴油机对工况采用质调节，在2900r／min和大负荷时柴油机喷油量会明显增加，消烟剂能促进燃料燃烧提高缸内温度的作用增强，所以含消烟剂质量分数为0.1%和0.3%的乙醇柴油的NOx排放会超过0＃柴油。对于含消烟剂质量分数为0.5%的乙醇柴油，在2900r／min和中高负荷时其NOx排放低于0＃柴油，这是因为消烟剂的黏度较大，添加比例过多引起燃油黏度增加，导致燃油雾化变差的缘故。

图5 不同工况下燃用添加不同质量分数和不同种类添加剂的乙醇柴油的柴油机排放气烟度随负荷的变化Fig.5 Smoke emission intensity of diesel engine with the ethanol-diesel fuels containing different mass fractions of additives vs load under different operation conditions

2.2.4 对排放气烟度的影响

柴油机排气中的碳烟主要由燃料中的碳产生，其生成条件是局部高温和缺氧。图5为不同负荷下燃用添加不同种类和不同质量分数添加剂的乙醇柴油、乙醇柴油和0＃柴油时柴油机排放气烟度随负荷的变化。从图5看出，燃用无论添加添加剂与否的乙醇柴油，排放气烟度在各工况下均低于燃用柴油时的。由于乙醇和正丁醇都是含氧燃料，氧可以促进燃料燃烧，从而降低碳烟排放；醇类的气化潜热较高，使燃烧高温区所占空间有所减小，减缓了裂解和成核反应；乙醇柴油中由于乙醇和正丁醇的快速蒸发，使大油滴变成小油滴，油滴直径减小，雾化更好，油气混合均匀，局部过浓混合区有良好的着火能力、喷雾特性以及自带氧能力，使排放气烟度得到降低。

从图5还可见，在2个工况下，燃用添加十六烷值的乙醇柴油N5E10＋0.3CN降低排放气烟度效果最佳；消烟剂对降低排放气烟度有显著效果，且增加消烟剂质量分数，排放气烟度进一步降低。

3 结 论

（1）十六烷值改进剂（CN）或消烟剂（XY）分别以质量分数0.1%、0.3%和0.5%添加到乙醇柴油（N5E10）中后稳定性良好。

（2）燃油添加剂CN和XY对柴油机燃用乙醇柴油的CO排放的影响与柴油机工况存在明显关系。燃用添加XY的乙醇柴油时，CO排放体积分数要高于燃用添加CN的乙醇柴油的。与燃用0＃柴油相比，柴油机燃用各种燃料时在中低负荷下的HC排放量增加，随着柴油机负荷增加，HC排放差距缩小。

（3）燃用乙醇柴油及含添加剂的乙醇柴油的NOx排放和排放气烟度在多数工况下都低于燃用0＃柴油的。综合考虑乙醇柴油N5E10中CN对柴油机NOx排放和排放气烟度的影响，添加质量分数0.3%CN的乙醇柴油N5E10＋0.3CN降低柴油机排放的综合效果最好。乙醇柴油中添加XY不利于降低柴油机燃用乙醇柴油的NOx排放，但能显著降低排放气烟度。综合考虑乙醇柴油N5E10中XY对NOx排放和排放气烟度的影响，添加质量分数0.5%XY的N5E10＋0.5XY降低柴油机排放的综合效果最佳。

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