正丁醇-柴油对柴油机燃烧及排放影响的试验研究

胡慧慧， 王忠， 吴婧， 王飞， 王燕鹏

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)



正丁醇-柴油对柴油机燃烧及排放影响的试验研究

胡慧慧， 王忠， 吴婧， 王飞， 王燕鹏

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

通过配制不同正丁醇掺混比例的正丁醇-柴油混合油，在不改变供油提前角和燃油系统的条件下，测量了柴油机燃用正丁醇-柴油混合油的气缸压力、放热率以及NOx、炭烟等排放污染物，探讨了正丁醇掺混比例对柴油机燃烧过程的影响规律，分析了正丁醇对排放污染物的作用过程。结果表明：正丁醇掺混比例为0%，5%，10%时，低转速、低负荷工况下，缸内最大燃烧压力分别为6.2 MPa，5.9 MPa和5.8 MPa，与燃烧柴油相比略有降低；高转速、高负荷工况时，缸内最大燃烧压力分别为7.5 MPa，7.6 MPa，7.7 MPa，与燃烧柴油相比稍有增加；随着正丁醇掺混比例增加，柴油机的CO和HC排放升高，在中低负荷下NOx排放有所降低，高负荷时升高明显，平均增加了6.4%，炭烟排放降低明显，燃用正丁醇添加比例为5%和10%时，在高负荷下炭烟分别下降了25%和36%。

正丁醇； 混合燃料； 燃烧过程； 排放； 柴油机

柴油机具有油耗低、动力性强等优点，但其炭烟排放高，其中的多环芳香烃(PAHs)和多环芳香烃的硝基化合物具有致癌性[1-2]。随着排放法规的日益严格，降低柴油机炭烟排放已成为国内外学者研究的重点。使用含氧燃料或含氧添加剂是降低炭烟排放的有效措施[3]。正丁醇是一种生物质燃料，可以通过微生物发酵方法进行生产，且成本较低。此外，正丁醇具有含氧、汽化潜热高、着火极限宽等优点，在柴油机上应用时，有利于可燃混合气的形成，在一定程度上可起到改善燃烧的作用[4-5]。正丁醇的密度和黏度低，雾化性能好，能使缸内燃烧充分，可以有效抑制燃烧后期碳核的形成，降低柴油机炭烟的排放[6-7]。

国内外学者针对正丁醇及其在柴油机上的掺混燃烧进行了大量研究。广西大学李会芬[8]等进行了正丁醇作为乙醇-柴油混合燃料助溶剂的相关试验研究，研究表明，正丁醇具有亲油和亲水基团，混合后的蒸馏曲线接近于柴油，可以增大乙醇和柴油的互溶度，提高混合燃料的稳定性。多伦多大学M.Sarathy[9]等对正丁醇的化学反应动力学进行研究，分析了正丁醇的对冲扩散燃烧、层流燃烧的速度，研究结果表明正丁醇的链式反应机理主要是通过脱氢反应和脱氢后官能团的β位断裂。天津大学尧命发等研究了柴油机燃烧正丁醇-生物柴油的燃烧和排放特性，结果表明[10]，正丁醇通过缸内混合气活性和混合气活性分布影响正丁醇-生物柴油的燃烧和排放特性，燃烧呈现多种燃烧模式组合的复合燃烧现象，正丁醇掺混比例为80%～85%时，可以获得较高的热效率和极低的NOx及炭烟排放。

本研究通过配制不同比例的正丁醇-柴油混合油(n-B0，n-B5，n-B10)进行台架试验，采集了缸内示功图，考察了正丁醇掺混比例对缸内压力、放热率等燃烧参数的影响规律，测量分析了柴油机燃用不同比例正丁醇-柴油混合油的CO，HC，NOx、炭烟等排放污染物，探讨燃料组分及理化特性对柴油机燃烧和排放的影响。

1 燃料性质及试验方案

燃料的理化特性对柴油机的喷雾、着火及燃烧过程具有重要影响。表1列出0号国Ⅲ柴油、n-B5、n-B10的主要理化参数，n-B5和n-B10分别表示正丁醇质量分数为5%和10%的混合油。从表中可以看出，随着正丁醇掺混比例的增加，混合油的密度、黏度、低热值有所降低，这主要是由于正丁醇的密度、黏度、低热值本身较柴油低。试验中正丁醇的添加比例较小，温度对混合油的密度、黏度等影响基本与柴油相近。混合油的氧含量从0%上升到2.18%，燃料中的氧来自正丁醇；正丁醇的汽化潜热高，是柴油的2.8倍，较高的汽化潜热使最高燃烧温度降低，有利于抑制NOx的生成；十六烷值是评定燃料着火的重要指标，正丁醇的添加比例为10%时，混合油的十六烷值为54.3，降低了7.9%，着火性能变差。

试验采用满足国Ⅱ排放标准的186F柴油机，其主要技术参数见表2。在供油提前角和燃油系统不作改动的条件下，并保持发动机动力性不变，选取了3种正丁醇掺混比例(0%，5%，10%)与柴油进行掺混，形成正丁醇-柴油的混合油。采用Dewetron燃烧分析仪(压力测量精度 16位分辨率)、AVL735烟度计(精度1%)、FGA-4100汽车排气分析仪(精度±2%)在标定转速3 000 r/min和最大扭矩转速1 800 r/min时，测量了不同负荷下(10%，25%，50%，75%，100%)的气缸压力、放热率以及NOx、炭烟等排放物。探讨了柴油机燃用不同混合油的排放特性。考察正丁醇掺混比对缸内压力、压力升高率及放热规律的影响，对燃烧过程进行了分析。

表1 燃料主要理化特性

表2 186F柴油机主要技术参数

2 燃烧特性分析

2.1 缸内压力及压力升高率

图1示出1 800 r/min和3 000 r/min时25%和100%负荷下的缸内压力和压力升高率曲线。从图中可以看出，向柴油中添加正丁醇，缸内压力变化较明显，除在1 800 r/min，25%负荷时燃烧压力峰值下降外，其他工况点压力峰值均增加。

在1 800 r/min，25%负荷时，燃用柴油、n-B5和n-B10的最大燃烧压力分别为6.2 MPa，5.9 MPa和5.8 MPa，最大燃烧压力随正丁醇掺混比例的增加而降低。而在1 800 r/min，100%负荷工况下燃用柴油、n-B5和n-B10的最大燃烧压力分别为7.6 MPa，7.8 MPa和7.9 MPa，最高燃烧压力随正丁醇掺混比例的增加而增加。这主要是因为在低负荷工况下，柴油机的缸内温度相对较低，正丁醇的汽化潜热高，使得燃烧温度进一步降低，抑制了燃料的裂解放热过程。随着负荷的增加，缸内燃烧温度升高，此时正丁醇含氧对缸内燃烧过程起到了促进作用，缸内最大燃烧压力随正丁醇添加比例的增加而升高。

在3 000 r/min时，不同负荷下最大燃烧压力都随正丁醇添加比例增加而增大，压力峰值对应的曲轴转角延迟。这主要是由于正丁醇的加入降低了混合油的十六烷值，使滞燃期延长，着火时刻后移。正丁醇的加入缩短了整个缸内燃烧持续期，增加了放热集中度，使最高燃烧压力增加。在100%负荷时压力峰值对应的曲轴转角几乎不变。一方面，正丁醇与OH反应生成1-羟基丁醇和H2O，此反应消耗了燃料和自由基，对反应的进行起阻碍作用；另一方面，在高负荷下，引燃柴油喷射时刻的温度较高，随着正丁醇比例的增大，可燃混合气预混充分，燃烧火焰传播速度快，着火界限宽，燃烧始点提前，压力峰值对应的曲轴转角几乎不变。

2.2 放热率

图2示出4个工况点的放热率对比，放热率是通过编制计算程序，利用Matlab软件计算得到。相对于柴油，n-B5和n-B10的放热峰值增加，峰值对应的曲轴转角滞后(见图2)。在3 000 r/min，100%负荷时，柴油放热率曲线呈现明显的双峰趋势，随正丁醇添加比例的增大，放热率曲线趋于单峰放热，放热率峰值明显升高。高转速高负荷工况下，柴油的燃烧过程包括预混燃烧和扩散燃烧，呈现2个峰值，正丁醇的加入延长了滞燃期，燃烧过程中充分发挥了含氧量高、燃烧速度快的特点，一旦着火，燃烧速率加快，放热率峰值增加，放热曲线趋于单峰放热。在小负荷工况，燃烧过程以预混燃烧为主，扩散燃烧所占比例较小，放热率曲线呈现单峰。

3 排放特性分析

图3示出发动机在3 000 r/min下的CO排放特性。由图可知，向柴油中添加正丁醇，CO排放明显增加。在10%负荷时，燃用n-B5和n-B10的CO排放分别比燃用柴油增加了75%和89%。主要原因是，在小负荷时喷油量少，混合气较稀，正丁醇的汽化吸热作用明显，缸内温度降低，燃烧不完全，生成的CO不能被进一步氧化；此外，由正丁醇的化学动力学反应可知，含氧燃料在燃烧过程中，几乎所有的初始氧原子在反应中都直接生成CO[11]。因此随正丁醇比例的增加，CO排放增加。高负荷时，缸内燃烧温度升高，部分生成的CO被氧化，CO排放降低。

图4示出柴油机在3 000 r/min下的HC排放特性。可以看出，随着负荷的增加，HC排放降低，在10%负荷下，燃用n-B5和n-B10的HC排放分别比燃用柴油增加了44.7%和87.2%。主要原因是，在低负荷时，过量空气系数较大，有很大区域超过了燃料的可燃稀限，另外缸内温度低，增大了壁面淬冷区，易产生未燃HC，所以HC排放在低负荷较大，随着负荷的增大，缸内温度升高，HC排放有所降低。加入正丁醇后，进一步增大了壁面的淬熄层厚度，且喷雾混合区形成的过稀区增多，因此，相对于燃烧柴油，HC排放升高。

图5示出发动机在3 000 r/min下NOx排放随正丁醇掺混比例的变化规律。小负荷工况下，NOx排放随着正丁醇掺混比例的增大稍有降低，在大负荷工况下，NOx排放随正丁醇的掺混比例的增大呈现上升的趋势。柴油机排气中氮氧化合物主要为NO，燃烧室内的最高燃烧温度、空燃比和高温持续的时间是影响NOx生成的主要因素。由燃料特性对缸内最高燃烧温度和过量空气系数的影响可知，在小负荷工况下，虽然混合油含氧且过量空气系数较高，但缸内温度低，此时NOx排放主要受缸内温度和高温持续时间的影响，较低的温度抑制了NOx的正向反应速率；正丁醇的加入缩短了高温持续期，所以混合油的NOx排放比柴油低；在大负荷工况下，缸内温度较高，混合油燃烧温度较高且含氧，使NOx排放增加。

图6示出发动机在3 000 r/min下的炭烟排放特性。炭烟的形成的条件是高温、时间(决定于燃料分子结构对着火延迟期的影响)、缺氧[12]，主要由燃烧室中较浓混合区域内的高分子烃，尤其是由芳香烃高温缺氧裂解形成的。由图可知，与柴油相比，n-B5和n-B10的烟度明显下降。在100%负荷下，燃用n-B5和n-B10的烟度较柴油(3.924 m-1)分别下降了25%和36%。正丁醇的加入降低了混合燃料的黏度，提高了含氧量，有利于改善混合气的雾化效果，增加了过浓区域的氧原子，使燃烧充分，促进炭烟微粒的氧化；另一方面，正丁醇在燃烧初期发生的分解反应产生大量的自由基—OH，羟基与碳核的前驱体乙炔(C2H2)反应的活化能低[13]，反应迅速，抑制了炭烟的生成。

图7分析了不同负荷下，3种燃料的NOx排放-烟度的变化关系。从图中可以看出，由于正丁醇含氧及汽化潜热高等特性，在小负荷工况下，正丁醇的加入极大地改善了NOx排放-烟度的折中关系，随着正丁醇掺混比例增加，NOx和烟度均有一定幅度降低；在中高负荷工况下，随着正丁醇掺混比例增加，NOx和炭烟排放呈现出trade-off关系，炭烟排放有明显降低，NOx排放有所升高，但升高幅度较小，说明正丁醇具有同时降低NOx和炭烟排放的潜力。

4 结论

a) 随着正丁醇掺混比的增加，混合油的密度和运动黏度稍有下降，有助于改善燃料的雾化效果；含氧量和汽化潜热增加；低热值降低，在掺混大比例正丁醇时，影响柴油机的动力性；

b) 与燃用柴油相比，随着正丁醇-柴油混合油中正丁醇掺混比例的增加，在高负荷工况下，缸内最大燃烧压力升高，最大压力升高率增大，对应的曲轴转角滞后，放热率呈现双峰分布，放热率峰值增加；小负荷下，预混燃烧所占比例增加，放热率曲线呈现单峰；

c) 随着正丁醇添加比例的增加，在高、低负荷工况下，CO和HC排放均有明显升高，炭烟排放降低幅度较大；NOx排放在低负荷工况下略有降低，在高负荷工况下有所升高。

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[编辑: 李建新]

Effects of n-Butanol-Diesel Blend on Diesel Engine Combustion and Emission

HU Huihui, WANG Zhong, WU Jing, WANG Fei, WANG Yanpeng

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

n-cylinder pressure, heat release rate, NOxand soot emissions of diesel engine fueled with n-butanol-diesel blend were measured and the effect of n-butanol mixing ratio on combustion process was discussed by preparing the blended fuel with different n-butanol content without changing the ignition advance angle and fuel system. Moreover, the influence of n-butano on exhaust pollutants was analyzed. The results indicated that the maximum in-cylinder pressure were 6.2 MPa, 5.9 MPa and 5.8 MPa and slightly decreased at low speed and low load, and the pressure were 7.5 MPa, 7.6 MPa and 7.7 MPa and slightly increased at high speed and high load when n-butanol mixing ratio were 0%, 5% and 10% respectively. With the increase of mixing ratio, CO and HC emissions increased, NOxemission reduced at low load and increased by 6.4% at high load, and soot emission significantly improved and reduced by 25% and 36% respectively at high load while n-butanol mixing ratio were 5% and 10%.

n-butanol; blended fuel; combustion process; emission; diesel engine

2014-09-18;

2014-12-17

国家自然科学基金资助项目(51376083)；江苏省高校自然科学基金重点项目(10KJA470009)；江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划项目号(CXZZ13_0672)；江苏省2014年度普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX_1035)。

胡慧慧(1988—)，女，硕士，主要从事内燃机代用燃料和燃烧过程模拟的研究;huhuihuinn@126.com。

王忠(1961—)，男，教授，博士生导师，主要从事内燃机代用燃料研究;wangzhong@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.016

TK411.71

B

1001-2222(2015)03-0076-05