F-T柴油与正丁醇混合燃料的燃烧和排放特性研究

原霞， 王铁， 谷丰收， 杨甜甜， 孙秀全

(1. 太原理工大学机械工程学院， 山西 太原 030024； 2. 中北大学机械与动力工程学院， 山西 太原 030051)

F-T柴油与正丁醇混合燃料的燃烧和排放特性研究

原霞1，2， 王铁1， 谷丰收1， 杨甜甜1， 孙秀全1

(1. 太原理工大学机械工程学院， 山西 太原 030024； 2. 中北大学机械与动力工程学院， 山西 太原 030051)

F-T柴油具有十六烷值高、几乎不含硫和芳香烃的特点，正丁醇是能量密度较高的可再生的生物质燃料。在增压中冷4缸柴油机上对比研究了0号柴油、F-T柴油和F-T柴油-正丁醇混合燃料的燃烧、排放特性。结果表明：与柴油相比，掺混丁醇后缸内压力峰值、压力升高率降低；燃用F-T柴油-正丁醇混合燃料可同时降低炭烟和NOx排放，随着正丁醇掺混比例的提高炭烟排放显著降低，F-T柴油掺混20%正丁醇的炭烟排放降幅高达67.8%，NOx排放降幅达20.9%。

F-T柴油； 正丁醇； 燃烧； 排放； 噪声

能源短缺和环境污染两大问题使得寻找发动机替代燃料成为当前研究的热点。醇类燃料因其含氧的特性能降低炭烟排放，成为替代燃料研究的焦点。正丁醇的工业制法来源丰富，其与甲醇和乙醇相比具有能量密度高、腐蚀性小、与柴油能以任意比例互溶的优点，展现出其作为发动机替代燃料的优势[1]。

掺混丁醇对炭烟排放的抑制作用已被研究者反复证实，而其对NOx排放的影响却存在争议。尧命发、郑尊清等[2-3]在多次喷射和低温燃烧研究中均发现柴油掺混正丁醇可以显著降低炭烟排放，但对NOx排放影响不大。陈征等[4]对丁醇柴油混合燃料直喷和进气道预喷丁醇缸内直喷柴油双喷射方式的燃烧和排放特性进行研究，发现混合燃料能够降低40%的炭烟排放，双喷射对炭烟没有明显改善，而两种喷射方式下的NOx排放均有增长，与Rakopoulos等人[5]的研究结果类似。顾小磊等[6]的研究结果却表明正丁醇和异丁醇与柴油的混合燃料能够使滞燃期变大并降低炭烟排放，但对NOx排放影响不大。Zhang等人[7-8]研究结果表明低硫柴油和正丁醇混合燃料可以降低柴油机的颗粒物排放。

相比于传统柴油，经煤气化和Fischer-Tropsch(F-T)催化合成的F-T柴油的理化性能接近柴油，可直接用于现有型号的柴油机，同时其十六烷值高和几乎不含硫、芳香烃等特性[9]可以显著降低颗粒物、NOx和其他常规排放物的排放[10-11]。为了探索F-T柴油和正丁醇混合燃料对柴油机燃烧和排放特性的影响，通过试验研究了0号柴油、F-T柴油、正丁醇体积比占10%和20%的F-T柴油-正丁醇混合燃料共4种燃油在同一工况下的燃烧和排放特性。

1 试验装置、燃料及研究方法

1.1 试验装置

试验在YN4100QBZL 4缸增压中冷柴油机上进行，柴油机的主要技术参数见表1。

表1 柴油机主要参数

缸压数据采用Kistler6125B缸压传感器测量，采样间隔为0.1°曲轴转角，每个工况点采集100个循环缸内压力用于燃烧分析。由AVL公司的SESAM i60 FT多组分尾气排放分析仪测量气体排放，采用Micro Soot Sensor 483微炭烟排放测试系统完成炭烟排放测量。

1.2 试验燃料

以F-T柴油为基础燃料，添加体积比为10%和20%的正丁醇，记为B10和B20。使用0号柴油、F-T柴油、B10和B20共4种试验燃料进行柴油机台架试验，并选取0号柴油作为性能比较的基准燃料。试验基础燃料主要特性参数见表2[3]。

表2 试验基础燃料主要特性参数

1.3 研究方法

本试验选取0号柴油、F-T柴油、B10和B20共4种燃料，根据GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》在静态供油提前角保持不变的条件下，进行最大扭矩转速2 400 r/min下的负荷特性试验，研究不同工况下柴油-正丁醇混合燃料燃烧和排放特性。试验过程中，每一工况点稳定运转1 min后开始测量，燃烧分析仪采集130个循环的缸压数据，取中间100个循环的缸压值进行燃烧过程分析。多组分尾气排放分析仪和微炭烟排放测试仪连续采集30 s，剔除无效数据，取其余有效值的平均值作为最终结果。

0号柴油、F-T柴油与丁醇的低热值不尽相同，燃油消耗率b并不能全面地评价其燃油经济性。因此，采用当量热值燃油消耗率bE，将不同燃料的燃油消耗率转化为等热量的0号柴油的燃油消耗率进行比较，见式(1)。

(1)

式中：m为油耗仪测得的燃油流量；Pe为发动机的有效功率；bE为当量热值燃油消耗率；H代表不同燃料的低热值。

2 试验结果及分析

2.1 燃烧特性分析

图1示出2 400r/min，负荷为0.38MPa和0.69MPa时燃用4种燃料的缸压和放热率随曲轴转角的变化规律。相同负荷下燃用F-T柴油的缸内压力最小。中负荷时随着混合燃料正丁醇掺混比例的增加，缸内压力峰值略有增加，但仍低于柴油。高负荷时随着正丁醇比例增加缸内压力峰值略有降低，但略高于柴油。燃用4种燃料的放热率随负荷的变化规律基本一致。同负荷下F-T柴油放热率峰值最小，柴油最大，混合燃料介于两者之间，且随正丁醇含量的增加而增加。与柴油相比，其他3种燃料滞燃期内形成可燃混合气少，燃烧始点提前，第一放热率峰值减小，相位提前，有利于实现低温燃烧。扩散燃烧比例的提高会使炭烟排放增加，但炭烟排放不仅受滞燃期影响，后期氧化过程也至关重要。对比图1b可以看到，掺醇燃料第二放热率峰值增加，有利于炭烟颗粒的氧化降解；同时掺醇燃料的含氧特性也会抑制炭烟生成。混合燃料在一定程度上表现出先缓后急的放热特点，有利于降低燃烧过程中最高温度，使燃烧过程更加柔和，燃烧噪声降低。

图1 4种燃料的缸压和放热率曲线

图2示出2 400r/min不同负荷下燃用4种燃料的缸压峰值和压力升高率峰值的变化规律。由图2可见，随着负荷增加，缸压峰值呈现增长的趋势，压力升高率峰值呈现先增大后减小的趋势。同负荷下缸压峰值和压力升高率峰值均为F-T柴油最小，柴油最大，混合燃料介于两者之间，且随着正丁醇掺混比例的增加，峰值升高。

图2 4种燃料缸压峰值和压力升高率峰值

出现上述规律的原因是混合燃料十六烷值、汽化潜热和含氧量3个因素互相竞争的结果。柴油机燃烧过程取决于混合气体的形成速度、分布特点及化学反应活性。F-T柴油十六烷值高，燃料活性高[12]，滞燃期最短，随着正丁醇比例的提高，混合燃料的滞燃期延长，但均低于柴油(见图3)。滞燃期内形成可燃混合气量减小，因此燃用F-T柴油的缸压和压力升高率峰值低于其他燃料。正丁醇是长链结构醇类，这一结构特性使其具有燃烧速度较快的特点，且含氧特性促进了可燃混合气的形成。这些因素都促使随着正丁醇比例增加缸压峰值和压力升高率峰值增加，但均低于柴油。由图中可见，中负荷下压力升高率峰值要高于其他工况，原因是小负荷时缸内温度低，燃烧缓慢，高负荷时滞燃期变短。压力升高率增加会提高柴油机的经济性，但其过大会使振动和噪声变大，因此使用混合燃料还可以降低柴油机的振动和噪声。

图3 4种燃料在不同负荷下的滞燃期

图4示出2 400r/min不同负荷下4种燃料的燃烧中心(θCA50)变化规律。θCA50定义为燃烧累计放热量达到50%时所对应的曲轴转角[13]。由图4可见，同一负荷下F-T柴油的θCA50相对于柴油有所推迟。中低负荷下混合燃料的θCA50相对于F-T柴油推迟，高负荷时则相反。与柴油相比，混合燃料的θCA50延迟。与柴油相比，F-T柴油和混合燃料的燃烧始点提前，滞燃期短，预混合燃烧放热量减少，因此θCA50向后推迟。正丁醇蒸发吸热降温影响燃烧速度，且B10的氧含量低于B20，燃烧速度缓慢，因此B10的θCA50迟于B20。

图4 4种燃料在不同负荷下的θCA50

图5中除列出不同工况不同燃油的当量热值燃油消耗率外，同时给出了0.038 MPa下的燃油消耗率以供对比。由图中可以看出，换算成等热值柴油后的4种燃油油耗量基本相同。小负荷时B10混合燃料的油耗稍低，中大负荷后基本一致。F-T柴油和丁醇的加入不会对燃烧的热效率造成明显影响，丁醇的价格较便宜，提高了混合燃料的经济适用性。

图5 不同负荷下各个燃料的当量热值燃油消耗率

2.2 排放特性分析

图6和图7分别示出2 400 r/min4种燃料在不同负荷下的炭烟和NOx排放特性，燃用4种燃料的炭烟和NOx排放随负荷的变化规律基本一致。同负荷下燃用柴油的炭烟和NOx排放最大，F-T柴油次之，混合燃料较低，且随正丁醇含量的增加而降低。相比于柴油，F-T柴油、B10和B20的炭烟排放降幅分别达15.0%，65.6%和67.8%，NOx排放降幅分别达18.8%，20.3%和20.9%。

图6 燃用4种燃料在不同负荷下的炭烟排放

图7 燃用4种燃料在不同负荷下的NOx排放

燃料的理化特性对柴油机的排放具有重要影响。F-T柴油m(H)/m(C)比柴油大，不含硫和芳香烃的特点以及扩散燃烧速度快都有利于降低炭烟和NOx排放。掺混正丁醇降低排放原因有三：一是，正丁醇的含氧特性降低了缸内局部燃空当量比；二是，混合燃料中较低的碳原子和硫含量降低了生成炭烟前驱体和炭烟的比例[14]；三是，正丁醇的低十六烷值和高汽化潜热使得燃油与空气混合充分并降低缸内燃烧温度。因此，掺混含氧燃料正丁醇可以降低炭烟和NOx排放。F-T柴油的高十六烷值和正丁醇的含氧特性是降低炭烟和NOx排放的重要因素。

图8示出2 400 r/min不同负荷下4种燃料Soot-NOx的trade-off关系，使用F-T柴油后柴油机的炭烟和NOx排放已向坐标的左下方移动，说明燃用F-T柴油可以同时降低炭烟和NOx排放。当在F-T柴油中掺混正丁醇后，炭烟和NOx排放继续向坐标的左下方移动，表明添加正丁醇可以达到同时降低炭烟和NOx排放的效果。

图8 2 400 r/min，Soot-NOx的trade-off关系

3 结论

a) F-T柴油滞燃期最短，当F-T柴油中掺混正丁醇后，混合燃料的滞燃期延长，但仍低于基准燃料0号柴油；

b) 在同负荷下F-T柴油的缸内压力峰值最小；在中负荷时随正丁醇掺混比例的增加，缸内压力峰值略有增加，但低于0号柴油；高负荷时随正丁醇比例增加缸内压力峰值略有降低，但略高于0号柴油；

c) 在相同负荷下，随着正丁醇掺混比例增加，压力升高率峰值虽然增大，但仍低于0号柴油；

d) 掺混正丁醇后，燃料的炭烟和NOx排放明显低于0号柴油，其中B20降低炭烟效果最佳，降幅高达67.8%；B20的NOx排放降幅达20.9%，并且改善了柴油燃料的炭烟和NOx排放trade-off关系。

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[编辑： 潘丽丽]

Combustion and Emission Characteristics of F-T Diesel and N-butyl Alcohol Blended Fuel

YUAN Xia1,2， WANG Tie1， GU Fengshou1, YANG Tiantian1, SUN Xiuquan1

(1. College of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. School of Mechanical and Power Engineering， North University of China， Taiyuan 030051, China)

F-T diesel is characterized by high cetane number, ultra-low sulfur and aromatic hydrocarbon and n-butyl alcohol is the renewable biomass fuels with high energy density. The combustion and emission characteristics of 0# diesel, F-T diesel, n-butyl alcohol and F-T diesel and n-butyl alcohol blended fuel were studied on a turbocharging intercooled 4-cylinder diesel engine. The results show that the in-cylinder pressure and pressure rise rate of F-T diesel and n-butyl alcohol blended fuel decrease. In addition, the blended fuel can reduce both soot and NOxemission.The soot emission decreases significantly with the increase of n-butyl alcohol. The soot and NOxdecreases by 67.8% and 20.9% respectively when 20% n-butyl alcohol is mixed.

F-T diesel; n-butyl alcohol; combustion; emission; noise

2016-06-20；

2016-09-02

原霞 (1976—)，女，副教授，博士，研究方向为清洁燃料对发动机燃烧和排放的影响；yuanxia761220@163.com。

王铁(1957—)，男，教授，博导，主要研究方向为内燃机清洁代用燃料；wangtie57@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.010

TK407.9

B

1001-2222(2017)01-0054-05