丁醇同分异构体-柴油混合燃料喷雾燃烧特性的试验研究

李婕，宋建桐,，朱春红，吴晗

(1.北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176；2.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064)

环境污染与能源危机日益严重，人们对可再生的生物燃料越来越重视。目前柴油机代用燃料中常用的生物燃料主要有生物柴油、二甲醚、甲醇、乙醇和丁醇等，其中以甲醇、乙醇和丁醇等为代表的醇类燃料被认为是很有前景的代用燃料。大量研究表明，醇类燃料因分子中含有氧元素，有利于完全燃烧，在发动机中应用醇类燃料可以有效地减少CO，CH和炭烟的排放。

短链醇类燃料甲醇和乙醇在交通行业早已经有了一定规模的应用[1-2]，甲醇在二十世纪八九十年代就已经开始应用于柴油机，乙醇的应用更广泛，在生物燃料中占有更大的份额。甲醇和乙醇与柴油掺烧的研究成果也比较丰富。在柴油中掺烧乙醇和正丁醇可以减少生命周期温室气体排放，但乙醇具有热值低、与柴油的相容性差、潜热高、容易汽化、闪点低、蒸气压力高和十六烷值低等缺点。而具有更长碳链的丁醇能量密度和十六烷值更高，具有和传统柴油更相似的性质，而且与柴油相容性更好，能溶解一定的水分，非常有利于与柴油掺烧，其被认为是比甲醇和乙醇更有潜力的生物燃料。丁醇可以兼容现有的燃料运输设施，并不需要对发动机进行大的改动[3]，而且丁醇可通过微生物发酵，利用可再生的农作物制取[4]。

丁醇是包括4个碳原子的饱和醇类，其包括正丁醇、异丁醇、仲丁醇和叔丁醇4种同分异构体，4种异构体均可通过化学催化和发酵制取。在发动机代用燃料方面，目前研究较多的是直链正丁醇。Chen等[5]发现柴油掺混正丁醇后，发动机油耗略有增加，但其热效率比燃用柴油有一定程度的提高。Yamamoto等[6]在柴油机上的研究发现，柴油掺混正丁醇的炭烟排放比掺混乙醇的炭烟排放量更低，也证明了丁醇作为柴油替代燃料的潜力。

目前，针对丁醇同分异构体作为柴油替代燃料的研究较少[7]，从燃料燃烧放热的角度并不能确定何种丁醇同分异构体更适合应用于发动机。因此，本研究在定容燃烧弹系统上，利用光学测试的方法,研究了4种丁醇同分异构体与柴油混合燃料喷雾燃烧过程中的火焰发展特性、火焰举升高度、火焰瞬时强度、累计火焰强度、不同环境温度和氧浓度下的燃烧压力和放热速率、燃烧滞燃期、燃烧持续期等规律，为丁醇作为柴油机代用燃料的应用技术提供一定的理论基础。

1 试验系统

1.1 试验设备

试验在一个内腔直径为110 mm、高为65 mm的定容燃烧弹中进行。燃烧弹顶部安装了一块熔融石英玻璃视窗，可在低至190 nm的光谱范围里保持较高的透过率。喷油器安装在燃烧弹底部，方向正对着石英视窗(见图1)。试验前将腔体壁面加热到105 ℃，以模拟真实发动机的壁面温度条件，同时可以防止燃烧后产生的水蒸气在石英视窗上凝结。在腔体上安装了一个压力传感器来记录缸压数据，并采用高能等离子点火系统点燃预先充入的可燃混合气。

图1 定容燃烧弹装置示意

试验时，先通过点燃预先充入的乙炔、氧气、空气和氮气的可燃混合气，在燃烧室内预先建立高温、高压的环境。随着壁面的热量散失，燃烧室内温度和压力逐渐降低，当压力降到试验设定值时，电控系统控制喷油器喷油，同时高速摄像机和缸压传感器开始记录数据。喷油器为液力驱动电控式喷油器，共有6孔，高速摄像机仅记录其中一束的燃烧过程。

1.2 数据处理方法

通过缸内压力采集系统获得压力曲线后，根据热力学第一定律，可以由缸压数据计算出燃烧放热规律。其中，着火时刻定义为累计放热量达到总放热量10%的时刻，着火延迟时间则定义为喷射时刻与着火时刻之间的间隔；燃烧持续期定义为累计放热量达到总放热量10%与90%的时间间隔。

通过高速摄像机透过燃烧弹顶部的玻璃视窗拍摄的喷雾着火图像，可以反映燃烧火焰的发展过程。火焰举升高度为有自然发光区域距喷油器的最近距离。对火焰自然发光图像的所有像素点强度值进行积分，得到火焰瞬态发光强度(Spaced integrating natural luminosity，SINL)，对喷射过程中不同时刻的SINL进行积分则可以得到火焰累计发光强度(Time integrating natural luminosity，TINL)[8]。

1.3 测试工况

燃料喷射时，定容燃烧弹内环境气体的氧浓度和密度可通过预喷入混合气体组分的压力来控制，环境气体的压力和温度则可根据喷油等待的时间控制。试验测试的环境气体密度控制为14.8 kg/m3，该值为一般柴油机上止点附近缸内气体的典型密度。试验测试的环境温度分别为800 K，1 000 K和1 200 K，环境氧体积分数分别为21%，16%和11%。4种丁醇同分异构体分别以20%的体积比与柴油混合形成混合燃料，分别用n-B20，iso-B20，sec-B20和tert-B20来表示含有20%正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇的柴油混合燃料。丁醇同分异构体的理化性质见表1，它们与丁醇性质相近。试验测试工况见表2。

表1 丁醇同分异构体的理化性质[8-9]

表2 试验测试工况

2 试验结果与分析

2.1 燃烧放热

不同环境温度和氧浓度下，丁醇-柴油混合燃料的燃烧压力和放热速率对比见图2。当环境温度为1 200 K和1 000 K时，放热率峰值较低，曲线较平坦。这是因为温度较高时，燃料的滞燃期缩短，燃烧前期累积的可燃混合气减少，因而放热峰值降低。同一温度下，随着氧浓度的降低，放热率峰值下降。同一环境温度下，随着氧浓度的降低，滞燃期变长，预混合燃烧增加，放热率峰值增大。当环境温度为1 200 K和1 000 K时，不同氧浓度下，不同丁醇同分异构体-柴油混合燃料的放热率曲线区别不大，几乎重合。

当环境温度为800 K时，温度的降低导致喷雾蒸发速率降低，燃料化学反应速率减慢，不同燃料的放热率曲线差异较大。当环境温度为800 K时，随氧浓度的减小，n-B20的放热率明显减小，在丁醇同分异构体与柴油混合燃料中，当氧体积分数为21%时，n-B20的放热率峰值最大，而当氧体积分数为16%和11%时则最低。正丁醇对环境氧浓度最敏感，iso-B20和sec-B20的放热率峰值随着氧浓度的降低而逐渐降低，降幅没有n-B20明显，而tert-B20的放热率峰值随着氧浓度的降低略有降低，降幅最小，且燃烧相位推迟，与其他燃料相比，其最稳定。

不同环境温度和氧浓度下，丁醇-柴油混合燃料的燃烧持续期见图4。随着环境温度的降低，燃烧持续期缩短，这是因为环境温度降低，滞燃期增长，预混燃烧的强度增大，导致燃烧速率明显增大。随着氧浓度的降低，化学反应速率降低，所以燃烧持续期明显变长。对比不同丁醇同分异构体和柴油的混合燃料可以发现，在所有测试条件下，n-B20，iso-B20和sec-B20的燃烧持续期依次降低，这主要是因为n-B20，iso-B20和sec-B20 3种混合燃料的汽化潜热依次降低。而在丁醇同分异构体和柴油的混合燃料中，tert-B20的汽化潜热最低，但其自燃温度最高，因此与sec-B20相比，在低温低氧浓度条件下，其燃烧持续期变化不大，而在高温高氧浓度时，其燃烧持续期略长。

2.2 燃烧火焰

当环境温度为1 000 K且含氧体积分数为21%时，丁醇-柴油混合燃料的自然火焰发展过程见图5。从火焰的总体发展过程可以发现，与其他喷雾燃烧相比，丁醇-柴油混合燃料的火焰发展过程相近，火焰都是首先在距喷油器顶端一定距离处生成，然后向四周扩散，当其与燃烧室壁面相撞击时，形成明显的扇形燃烧形状。各丁醇同分异构体与柴油混合燃料的喷雾燃烧火焰的形状非常相似。由1.71 ms时高速摄像机拍下的各混合燃料出现火焰的第一帧图片可见，它们均为锥形火焰形状，火焰强度也比较接近，均低于之后几帧的燃烧火焰强度；因为不同丁醇同分异构体与柴油混合燃料燃烧相位不同，导致其火焰尺寸略有差别。

当环境温度为1 200 K和1 000 K时，不同环境氧浓度下，丁醇-柴油混合燃料燃烧火焰举升高度的变化趋势见图6。与其他燃料相似，随着燃烧的持续，丁醇-柴油混合燃料的火焰举升高度逐渐降低。随温度的升高、氧浓度的增大，火焰举升高度明显降低。丁醇-柴油混合燃料的燃烧火焰没有表现出明显的准稳态燃烧现象，火焰举升高度随燃烧的进行持续稳定下降。

在环境氧浓度和环境温度都较高(21%，1 200 K)时，不同丁醇-柴油混合燃料的燃烧火焰的举升高度较为接近且均较低；而当环境温度及氧浓度降低时，特别是环境氧浓度降低时，火焰举升高度明显升高。随环境温度和氧浓度的降低，iso-B20，sec-B20和tert-B20 3种混合燃料的火焰举升高度差别不大，而n-B20的总体火焰举升高度明显增加，在1 000 K，11%时，n-B20的火焰举升高度为其他混合燃料的1.3倍左右。这有助于燃油在喷雾过程中与空气混合，提高混合气质量，降低燃烧区域混合气浓度，从而减少炭烟的生成。

图6 不同环境温度和氧浓度下的火焰举升高度

不同环境温度和氧浓度下，丁醇-柴油混合燃料的燃烧室内瞬时火焰强度(SINL)的变化趋势见图7。随着环境温度的降低 ，SINL的持续期明显变短，峰值显著降低，SINL曲线的形状逐渐由梯形变为底部更小的三角形。这主要是因为温度的降低显著减少了炭烟的生成量。随着氧浓度的降低，混合燃料的SINL曲线峰值降低，其存在的持续期逐渐变长。这主要是因为随氧浓度的降低，可燃混合气的形成速率降低，炭烟的生成速率下降，导致SINL峰值下降，但其燃烧持续期的增加导致了火焰存在的时间变长。除n-B20外，其他丁醇同分异构体与柴油混合燃料的SINL较为相近。当环境温度较高时(1 200 K和1 000 K)，所有丁醇同分异构体与柴油混合燃料的火焰几乎同时出现，但n-B20的燃烧火焰结束时间最晚。在800 K时，n-B20的燃烧火焰强度SINL峰值与持续期低于其他燃料，在氧体积分数为11%时，丁醇-柴油混合燃料的火焰强度SINL为0。

图7 不同环境温度和氧浓度下的瞬时火焰强度

不同环境温度和氧浓度下，丁醇-柴油混合燃料的累计火焰强度(TINL)对比见图8。随温度的降低，丁醇-柴油混合燃料的TINL明显降低。在环境温度为1 200 K时，随氧浓度的降低，TINL值略有升高，但在1 000 K和800 K时，TINL值降低。这主要是因为在环境温度较高时，随着氧浓度的降低，SINL的峰值没有明显降低，但持续期增长，因此TINL值略有增大；而当环境温度较低时，随氧浓度的降低，SINL的峰值和存在持续期均大幅减小，导致TINL值降低。

图8 不同环境温度和氧浓度下的累计火焰强度

当环境温度为1 200 K时，在丁醇同分异构体和柴油混合燃料中，n-B20的TINL值均最大，当环境温度为1 000 K时，与其他混合燃料接近，而在环境温度为800 K时，其明显低于其他混合燃料，这说明n-B20在高温时炭烟生成量最高，而在低温时，其炭烟生成量最低。

3 结论

a) 在环境温度为1 200 K和1 000 K时，不同丁醇同分异构体与柴油混合燃料的燃烧放热规律几乎相同，但当温度降低至800 K时，差异较明显；

b) 在环境温度较低时，氧浓度对正丁醇-柴油混合燃料的燃烧效率影响较大，当氧浓度较高时，燃烧相位更靠前，燃烧放热率峰值更高，而当氧浓度较低时则变化趋势相反；

c) 不同丁醇同分异构体与柴油混合燃料的燃烧火焰形状相似，燃烧发生时刻略有差异；

d) 当环境温度与氧浓度较高时，不同丁醇同分异构体与柴油混合燃料的燃烧火焰举升高度接近，但当温度较低时，正丁醇的燃烧火焰举升高度升高，也因此导致其火焰强度降低，从而有利于降低其炭烟排放；

e) 不同丁醇同分异构体与柴油混合燃料的燃烧放热和火焰发光特性相近，但当环境温度较低时，正丁醇-柴油混合燃料的炭烟排放最低。