掺混比对正丁醇—柴油混合燃料性能影响的研究

魏胜利，刘旋,卢泓坤,陈　良

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)



掺混比对正丁醇
—柴油混合燃料性能影响的研究

魏胜利，刘旋,卢泓坤,陈良

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)

摘要：为了研究正丁醇—柴油混合燃料对柴油机性能的影响，在一台单缸风冷柴油机上进行了正丁醇—柴油混合燃料的试验研究。试验分别选择了6种不同掺混比(B5，B10，B15，B20，B30，B40)的正丁醇—柴油混合燃料进行动力性、排放性和燃油经济性的对比分析。结果显示，三种转速下，B5～B30范围内，随着正丁醇掺混比的增加，缸内平均压力和燃烧放热率峰值逐渐升高，且放热率峰值后移。额定工况(3 600 r/min，100%负荷)下，B40混合燃油缸内平均压力峰值低于纯柴油，柴油机功率下降。随着掺混比的增加，小负荷(10%和25%负荷)时，NO排放略有降低，幅度为3.71%～11.6%。大负荷(75%和100%负荷)时，NO排放随掺混比增加逐渐增多。额定工况时，B40的NO排放相对纯柴油升高14.1%，B30升高11.3%。所有工况下，碳烟排放随掺混比增加都有一定程度降低。大负荷高转速(3 600 r/min)时，碳烟排放降低最为明显。额定工况下，B40的碳烟降低达50.9%，B30降低43%。B0～B30范围内，燃油消耗率相对纯柴油变化不明显，B40时显著上升。从动力性，排放性及燃油经济性三方面综合考虑，B30为最优方案。

关键词：正丁醇;柴油;掺混比;试验;燃烧排放;燃油经济性

0概述

全球排放法规的日益严格对于当今柴油机的燃烧及排放提出了巨大挑战，碳烟作为柴油机的主要污染物之一，长期以来是柴油机排放控制的重点。内燃机替代燃料的高效清洁燃烧是解决能源危机和尾气排放问题的有效方法之一。

正丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料，被称作第二代生物燃料[1]。正丁醇作为一种含氧燃料，来源广泛，制取方便，可通过植物发酵法获得。针对含氧燃料对柴油机燃烧和排放的影响，Rakopoulos等[2]研究证明含氧燃料的掺入可以大幅度降低碳烟的排放。Juhun等[3]认为含氧燃料降低碳烟生成主要源于三个方面：①含氧燃料可以稀释柴油中的芳香烃等成分；②化学成分的改变对燃烧火焰温度的影响；③含氧燃料本身对碳烟生成具有抑制作用。从物理性质来看，相对于乙醇，正丁醇的能量密度要高23%左右，因此相同质量的正丁醇比乙醇多输出23%的动力。正丁醇与柴油的互溶性更好，不需要添加任何助溶剂[4]，静置15 d以上不会发生分层现象。正丁醇的腐蚀性小，不需要对发动机结构做出很大的改变，可采用现有的燃油供给系统[5]。正丁醇十六烷值比较高，更接近于柴油的物理性质。研究表明，相对于其他醇类，燃用正丁醇的发动机性能更接近于柴油机的发动机性能[6]。

近年来，国内外对正丁醇也有了一定程度的研究。天津大学的张全长等[7]研究了不同比例的正丁醇—柴油混合燃料对碳烟排放规律的影响，结果显示在柴油中添加正丁醇能明显降低碳烟的排放，而且随着正丁醇掺混比越高，碳烟降低越多。Mingfa Yao等[8]在柴油中添加正丁醇，研究了正丁醇掺混比对柴油机燃烧和排放的影响规律，结果显示，在NO排放基本保持不变的情况下，添加正丁醇能明显降低碳烟和CO的排放。Karabektas等[9]在一台四冲程自然吸气柴油机上进行柴油丁醇混合燃料的外特性试验，结果表明当丁醇体积比为10%时，功率较原机无明显变化，热效率有一定增加。

在发动机实际运行过程中，运行工况、掺混比、燃油喷射压力、EGR(排气再循环)率以及涡流比等边界条件对混合燃料的燃烧过程影响比较明显。因此，要深入认识正丁醇—柴油燃料对柴油机燃烧及排放规律的影响，为高效清洁燃烧提供更有价值的指导，需要针对不同的边界条件进行研究。笔者针对正丁醇—柴油含氧燃料的特性，分别进行了6种正丁醇掺混比(B5，B10，B15，B20，B30，B40)在3种转速(1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min)、5种负荷(10%，25%，50%，75%，100%负荷)下的发动机台架试验，以此研究不同掺混比对混合燃料的燃烧、排放及燃油经济性的影响。

1试验装置及研究方法

1.1试验装置

试验装置如图1所示，主要包括发动机、CWF25D电涡流测功机、德维创DEWE-800燃烧分析仪、FGA-4100尾气分析仪、FBY-201烟度计、缸压传感器、温度传感器等测试设备。其中尾气分析仪的测量精度是1×10-6，烟度计的测量精度是0.1 FSN。试验发动机为一台186FA柴油机，具体参数如表1所示。

1.正丁醇—柴油油箱;2.柴油油箱;3.缸压传感器;4.角标仪;　5.测功机;6.柴油机;7.信号放大器;8.阀座;9.尾气分析仪;　10.烟度计;11.燃烧分析仪;12.温度传感器图1　试验装置示意图Fig.1　Schematic of experimental setup

基本项目柴油机参数发动机类型额定转速/(r·min-1)单缸风冷3600缸径×行程/mm86×72连杆长度/mm118额定功率/kW6.6气缸工作容积/L0.418压缩比19燃烧室形状ω

1.2研究方法

在制备混合燃料的过程中，发现柴油和正丁醇的相溶性和稳定性很好，在不添加任何助溶剂的条件下，静置15 h没有出现分层现象。在0#柴油中分别添加体积比例为5%，10%，15%，20%，30%，40%的正丁醇，记为B5，B10，B15，B20，B30，B40。经测量和计算，6种不同比例的正丁醇—柴油混合燃料的物理性质对比如表2所示。由表2可以看出，柴油中添加正丁醇后混合燃料的物理性质有所改变：随着正丁醇掺混比的增加，密度和低热值均变小，含氧量逐渐增加，汽化潜热也逐渐增大。这些混合燃料物理性质的改变在一定程度上影响缸内的燃烧反应过程，进而对发动机的燃烧排放性和燃油经济性产生不同程度的影响。

表2　试验燃料主要物理性质对比

2试验结果和分析

2.1正丁醇—柴油混合燃料对发动机燃烧过程的影响

图2所示，当转速分别为1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min时，100%负荷工况下，不同正丁醇掺混比混合燃料的缸压曲线对比。由图2(a)和图2(b)可以看出，在中低转速(2 700 r/min和1 800 r/min)下，随着正丁醇掺混比的增加，缸内最大爆发压力呈现逐渐升高的趋势。这是因为首先正丁醇的挥发性高于柴油，掺混比增加，挥发效果更明显，滞燃期形成的混合气增加，使混合燃料定容燃烧过程程度高、燃烧速度快[10]；其次，正丁醇自身含氧，参与化学反应后能提供氧，使混合气燃烧速率加快[11]；最后，正丁醇—柴油混合燃料的十六烷值低于纯柴油，导致滞燃期增加。在这三者的共同作用下柴油掺混正丁醇后缸内最大爆发压力上升。在3 600 r/min时，随着掺混比的增加，缸内最大爆发压力呈现先升高后降低的趋势。当正丁醇比例达到40%时，降低幅度为10.5%。主要原因是：一方面，正丁醇的十六烷值低于柴油，汽化潜热高于柴油，滞燃期过长[12]；另一方面，由于在高转速(3 600 r/min)下，活塞往复运动速率加快，滞燃期持续到活塞下行时段；两者共同作用使最大爆发压力大幅降低。三种转速下，B5～B30范围内，缸内最大爆发压力上升幅度为0.8%～7%。最大爆发压力是内燃机零部件强度的主要评判标准。因此燃用正丁醇—柴油混合燃料对缸盖和缸体的应力冲击不会太大，这样在不需要对原机结构进行改造的条件下就能使正丁醇燃料在柴油机得到广泛的应用。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

图2三种转速不同掺混比下的缸压曲线对比

Fig.2Comparison of cylinder pressure in different mixing ratio with three engine speed

图3所示转速分别为1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min，100%负荷时，不同掺混比燃料的燃烧放热率曲线对比。可以看出，随着掺混比的增加，燃烧放热率峰值逐渐升高。这是因为随着正丁醇比例的增大，混合燃料的十六烷值降低和汽化潜热升高共同决定了滞燃期明显延长，滞燃期内形成的可燃混合气数量增加，预混燃烧增强；同时混合燃料中的氧浓度不断增加，加快了燃烧反应速率,因此燃烧放热率峰值逐渐升高。还可以看出，随着掺混比的增加，最大爆发压力和瞬时燃烧放热率的峰值逐渐后移，这主要是由于混合燃料的十六烷值降低，着火性变差导致。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

图3三种转速不同掺混比下的燃烧放热率对比

Fig.3Comparison of combustion heat release rate in different mixing ratio with three engine speed

2.2正丁醇—柴油混合燃料对发动机排放物NO的影响

三种转速下，混合燃料的NO排放量随掺混比和负荷的变化如图4所示。可以看出，在同一转速下，随着负荷的增加，NO的排放量呈明显升高的趋势。因为NO主要产生在高温，富氧和足够的持续时间条件下，在相同转速时，随着负荷的提高，每循环喷入缸内的燃料增加，缸内的平均有效压力增大，最高燃烧温度升高，因此NO排放随着负荷的增加而升高[13]。

小负荷(10%和25%负荷)时，NO排放随掺混比的增加略有降低，降低幅度约为3.71%～11.6%。2 700 r/min时，中等负荷(50%负荷)工况下混合燃料的NO的排放量与纯柴油的基本相当。1 800 r/min和3 600 r/min时，与纯柴油相比，中等负荷混合燃料的NO排放有所降低，幅度为2.94%～17.8%。这是因为一方面中小负荷时，喷油量较少，燃料产生的热量低，缸内温度相对较低。而且正丁醇的汽化潜热高，热值较低，导致混合气燃烧时缸内温度较低，抑制NO的形成；另一方面，正丁醇是含氧燃料，使混合气燃烧速率加快，燃烧更加完善，会导致NO偏高。小负荷时前者起主导作用，所以NO排放量较低。2 700 r/min是最大转矩转速，由于中等负荷时喷油量增多，后者作用明显，因此NO排放无明显变化。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

图4三种转速不同掺混比下的NO排放量对比

Fig.4Comparison of NO emissions in different mixing ratio with three engine speed

大负荷(75%和100%负荷)时，NO的排放量随掺混比的增加而明显升高。三种转速下，混合燃料比纯柴油NO的排放有所增加，幅度为4.9%～22%。额定工况(3 600 r/min,100%负荷)点B40增加14.1%，B30增加11.3%。这是因为大负荷时，每循环喷油量增多，燃料产生的热量增多，缸内温度升高。同时随着正丁醇的增加，氧浓度增加，燃烧速率增加，燃烧温度更高，高温持续时间变长，这样共同作用使NO的排放量增大。

2.3正丁醇—柴油混合燃料对发动机排放物碳烟的影响

图5为不同掺混比下的碳烟排放量对比。可以看出，在1 800 r/min和3 600 r/min时，随着负荷的增加，碳烟排放逐渐升高。2 700 r/min时，随着负荷的增加，碳烟排放呈现先升高后降低再升高的趋势，碳烟生成主要是由于高温缺氧所致，在小负荷时，每循环喷油量较少，导致缸内温度较低，混合气空燃比较大，因此碳烟生成量最低。而随着负荷的增加，喷油量增加，缸内温度逐渐升高，由于柴油是非均质混合燃烧，缸内局部缺氧地区相对增加，因此大负荷时碳烟排放升高。而2 700 r/min时，是最大转矩转速，此时柴油机缸内的进气涡流组织较好，更有利于燃油与空气的混合，中等负荷时喷油量相对适中，在大涡流比的条件下油气混合更加均匀，因此该转速下的中等负荷碳烟排放量较低。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

图5三种转速不同掺混比下的碳烟排放量对比

Fig.5Comparison of soot emissions in different mixing ratio with three engine speed

在所有工况点，随着正丁醇掺混比的增加，碳烟均有一定程度降低。降低幅度为2.6%～50.9%，额定工况点时，B40碳烟降低50.9%，B30降低43%。大负荷时碳烟降低程度比中小负荷时更为明显。主要因为：首先，正丁醇是含氧燃料，碳烟的生成主要集中在预混浓混合气燃烧阶段，而混合燃料为局部高温缺氧区域提供氧量，减少了燃料燃烧过程中的局部缺氧情况，促进了混合气燃烧，在一定程度上减少了缺氧产生的碳烟[14]。其次，正丁醇—柴油混合燃料的汽化潜热和蒸发性要高于纯柴油，在喷油过程中，燃料蒸发降低了缸内温度，混合燃料发生高温裂解的效率降低，同时混合燃料的蒸发加快了燃油空气的混合，最后，正丁醇的十六烷值低延长了滞燃期，使燃料和新鲜空气的混合更加充分，燃烧效率更高。因此，三种因素共同导致了碳烟的降低。

2.4正丁醇—柴油混合燃料对发动机燃油消耗率的影响

由图6可以看出，在同一转速下，中大负荷(50%、75%和100%负荷)时燃油消耗率明显低于小负荷(10%、25%负荷)。随着正丁醇掺混比的增加， B5～B30混合燃料燃油消耗率上升不明显，部分工况点油耗略有下降，绝大多数工况下，B30的燃油消耗率比纯柴油略高，最大幅度为4.7%。而B40燃油消耗率相对其他混合燃料有明显增加，最大幅度为23%。这是因为正丁醇的热值较低，混合燃料中正丁醇掺混比越大，燃料的热值就越低，想要达到同样的功率必须燃烧更多的燃料。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

图6不同掺混比下的油耗对比

Fig.6Fuel consumption comparison in different mixing ratios

综上所述，动力性方面，在一定范围内，缸压峰值随掺混比的增加而升高，动力增强，但B40混合燃料在额定工况(3 600 r/min、100%负荷)下功率下降，达不到功率要求。排放性方面，相同转速下，负荷越大，混合燃料对排放的影响越明显。整体来看，大负荷高转速(75%和100%负荷，3 600 r/min)下影响最为显著。B40相对于纯柴油的NO排放上升幅度最大，碳烟排放下降幅度最大。燃油经济性方面，B40燃油消耗率相对于纯柴油有明显升高，经济性明显下降。

3结论

①在B0～B30范围内，随着正丁醇掺混比的增加，混合燃料的滞燃期延长，油气混合更加充分，燃烧速率加快，缸内最大爆发压力呈逐渐升高的趋势，有助于提升发动机的功率，满足动力要求。额定工况下，当正丁醇比例达到40%时，缸内最大爆发压力相对纯柴油降低10.5%，功率减小。

②在同一转速下，正丁醇—柴油混合燃料对大负荷工况点的排放影响比中小负荷更加明显。小负荷时，混合燃料的NO和碳烟排放略低于纯柴油，各种混合燃料之间排放相差不明显。中等负荷下，随着掺混比的增加，混合燃料和柴油的NO排放基本相当，碳烟排放逐渐降低；大负荷时，随着掺混比的增加，NO排放普遍升高，而碳烟排放显著降低。额定工况时，B40碳烟的降低幅度最大，相对纯柴油降低约50.9%，而B30降低约43%。B40的NO相对纯柴油升高14.1%，B30升高11.3%。相同负荷条件下，正丁醇—柴油混合燃料对三种转速下的排放都有明显影响。

③1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min三种转速下，B5～B20混合油的燃油消耗率相对纯柴油上升不明显，部分工况点略有下降。随着掺混比的逐渐增加，燃油消耗率逐渐升高，B30混合油相对于纯柴油最高上升4.7%，B40的燃油消耗率相对纯柴油上升幅度最大为23%。

④综合对比分析，B0～B20范围内混合燃料对NO和碳烟的排放影响不明显。但是当达到B40时，额定工况点缸内压力峰值下降较多，已不能达到工况点原机功率，且油耗相对纯柴油上升较多，经济性下降。结果显示，B30可以在保证动力性的同时，又使碳烟排放大幅度减少，且燃油消耗量并无明显增加。因此，B30为最优方案。

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(责任编辑梁健)

Research on the influence of mixed ratio on the performance of mixed fuel ofn-butanol and diesel fuel

WEI Sheng-li, LIU Xuan, LU Hong-kun, CHEN Liang

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

Abstract:In order to study the influence of n-butanol/diesel blended fuel on diesel engine performance, the test of n-butanol/diesel fuel blends is carried out with a single cylinder air-cooled diesel engine. Six kinds of mixed fuels with different mixing ratio are made up for engine test to compare and to analyze engine dynamics, emission behavior and fuel economies. The six mixed fuels are named of B5, B10, B15, B20, B30, B40, respectively. The results show that with the increase of the mixing ratio of n-butanol, the average pressure of cylinder and combustion heat release rate increase gradually, and the peak of the heat release rate move backward in the three kinds of engine speeds and the range of B5～B30. In rated condition (3 600 r/min and 100% load), the average cylinder pressure peak of mixed fuel B40 is lower than that of pure diesel, and the power of the diesel engine is decreased. With the increase of mixing ratio, NO emission decreases slightly in the low load (10% and 25% load) with the amplitude from 3.71% to 11.6%.The NO emission increases gradually with the increase of mixing ratio in the heavy load (75% and 100% load). The NO emissions of B40 and B30 increased about 14.1% and 11.3% in the rated condition. The soot emission decreases with the increase of the mixing ratio in all working conditions. The emission of soot is most obvious on the high load and high speed (3 600 r/min). The soot of B40 at rated condition decreased about 50.9%. B30 decreased about 43%.In the range of B0～B30, the fuel consumption rate is not obvious compared with diesel, and it is obviously increased of B40 mixed fuel. In the consideration of the dynamics, emissions and fuel economy, B30 is the optimal solution.

Key words:n-butanol; diesel; mixed ratio; test; combustion and emissions; fuel economy

中图分类号：TK422

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0412-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0412

通讯作者：魏胜利(1978—)，男，陕西凤翔人，江苏大学副教授，博士; E-mail: weishengli@ujs.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51106065，51366002)；江苏大学“青年骨干教师培养工程”资助项目(江大校〔2011〕277号)

收稿日期：2015-12-01；

修订日期：2016-01-06

引文格式：魏胜利,刘旋,卢泓坤,等.掺混比对正丁醇—柴油混合燃料性能影响的研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：412-418.