乙醇/正丁醇/柴油混合燃料的燃烧与排放试验研究

叶丽华， 陈晓轩， 朱世林， 孙程炜， 刘天宇， 孟望喜

（江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013 ）

0 引言

在能源和环境危机以及严格的排放法规下，清洁替代燃料成为当前的研究热点[1]，[2]。作为柴油机的清洁替代燃料， 含氧燃料具有来源广泛、降低废气排放和改善柴油机燃烧效率等优点[3]，[4]。乙醇和正丁醇属于可再生的清洁生物质燃料，由于两者的氧含量和氢碳比均较高，因此，均具有降低柴油机颗粒物排放的潜力[5]。 乙醇与柴油的互溶性较差，添加正丁醇能提高乙醇和柴油的互溶稳定性[6]。 姚春德的研究表明，与燃用柴油时相比，燃用柴油/掺水乙醇二元燃料时，柴油机的滞燃期延长，最大放热率增加，缸内压力峰值升高，燃烧持续期缩短[7]。 胡慧慧的研究表明：随着正丁醇-柴油混合燃料中正丁醇掺混比例的逐渐增加，柴油机的CO 和HC 排放量逐渐升高，碳烟排放量逐渐降低；在中低负荷下，NOx排放量逐渐降低，高负荷时NOx排放量明显升高[8]。Kuszewski H的研究表明， 随着正丁醇/柴油混合燃料中正丁醇体积分数的增加，柴油机的滞燃期变长，着火时刻推迟[9]。 Armas O 的试验表明，与燃用柴油时相比，燃用乙醇/正丁醇/柴油混合燃料时，柴油机的NOx和HC 排放量升高，PM 和CO 排放量降低，CO2排放量没有显著变化[10]。

有关乙醇/正丁醇/柴油混合燃料中乙醇和正丁醇掺混比对柴油机性能影响的研究较少。因此，本文在氧含量相同的前提下， 配制了4 种不同掺混比的混合燃料， 并分析了发动机燃用各种燃料时的缸内压力、 瞬时燃烧放热率和污染物排放等特征参数，研究结果可以为柴油中掺混乙醇/正丁醇以改善燃烧和降低排放提供依据。

1 材料与方法

1.1 燃料种类

柴油为市售国Ⅴ0#柴油，乙醇和正丁醇均购于国药化学集团有限责任公司。 配制乙醇、正丁醇和柴油的体积比分别为5∶13∶82，10∶5∶85，10∶18∶72 和15∶10∶75 的4 种 混 合 燃 料， 分 别 记 为E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10。 其中，E5N13和E10N5 的氧含量为4.33%，E15N10 和E10N18的氧含量为7.04%。混合燃料静置30 d 后未出现分层和析出现象。 各燃料的理化性质如表1 所示， 其中密度和运动粘度是在20 ℃下测量和计算得到。

表1 燃料的理化性质Table 1 The physical and chemical properties of fuel

1.2 试验设备

发动机采用186FA 型柴油机（常州倍安特动力机械有限公司）， 该柴油机的缸径×行程为86 mm×72 mm，压缩比为18.5∶1，排量为0.418 L，最大转矩为18.88 N·m，最大转矩转速为2 700 r/min，额定功率为6.3 kW，额定转速为3 600 r/min。 试验中用到的主要测试设备包括EST2010型内燃机测控系统和CWF25D 型电涡流测功机（杭州中成测试设备有限公司）、DEWE-800 型燃烧分析仪 （奥地利DEWETRON 公司）、6055C80型缸压传感器（瑞士Kistler 公司）、MEXA-7200D型尾气分析仪（日本Horiba 公司） 和AVL-415S型滤纸式烟度计（奥地利AVL 公司）。图1 为试验设备的连接图。

图1 试验设备连接图Fig.1 Connection diagram of test equipment

1.3 试验方法

保持发动机的喷油嘴孔径和供油提前角等参数不变。 其中，燃烧工况为100%负荷，转速为3 600r/min；排放工况的转速分别为2 700，3 600 r/min， 负荷分别为10%，25%，50%，75%和100%。每种燃料的燃烧特性和排放特性均进行两次试验并取平均值。 每完成一种燃料的试验，对燃油管路进行清洗后，再进行下一种燃料的试验。

2 结果及分析

2.1 缸内压力和压力升高率

当转速为3 600 r/min 时，发动机（分别燃用5种燃料） 在100%负荷下的缸内压力和压力升高率如图2 所示。

图2 发动机的缸内压力和压力升高率Fig.2 In-cylinder pressure and pressure rise rate of engine

由图2 可知， 与燃用柴油时相比， 燃用E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10 时， 发动机的缸内最大爆发压力分别提升了2.5%，3.2%，4.8%和5.7%，压力升高率峰值分别提高了6.14%，9.12%，13.26%和15.24%，峰值时刻后移了1～2°CA。 这是因为与柴油相比，混合燃料的十六烷值较低，导致发动机的滞燃期延长；混合燃料的粘度较低，而且乙醇和正丁醇的挥发性较好， 改善了混合燃料的蒸发雾化性能；混合燃料的氧含量较高，促进了燃料的燃烧。在混合燃料氧含量相同的情况下，发动机燃用乙醇占比更大的混合燃料时， 其缸内压力和压力升高率峰值相对增加。 这是因为与正丁醇相比，乙醇的挥发性好且粘度更低，使得混合燃料在滞燃期内形成的可燃混合气的数量与质量均增加，从而促进了燃料的燃烧。

2.2 瞬时燃烧放热率

当转速为3 600 r/min 时，发动机（分别燃用5种燃料） 在100%负荷下的瞬时放热率如图3 所示。 由图3 可知，与燃用柴油时相比，燃用E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10 时， 发动机的瞬时放热率峰值分别提升了5.27%，6.41%，11.15%和12.57%，峰值时刻后移了1～2°CA。这是因为与柴油相比，混合燃料的汽化潜热值较高，十六烷值较低，使得发动机的滞燃期延长，导致预混阶段的可燃混合气数量增加，并且混合燃料的氧含量升高，燃烧得更剧烈。在混合燃料氧含量相同的情况下，发动机燃用乙醇占比更大的混合燃料时， 其瞬时放热率峰值相对提高。这是因为与正丁醇相比，乙醇的十六烷值更低，挥发性更好，在预混阶段能够形成更多的混合气，使得预混燃烧增强，放出更多热量。

图3 发动机的瞬时放热率Fig.3 Instantaneous heat release rate of engine

2.3 碳烟排放

图4 不同转速下的碳烟排放量Fig.4 Soot emissions at different speeds

当转速分别为2 700，3 600 r/min 时， 发动机（分别燃用5 种燃料）在不同负荷下的碳烟排放量（以烟度计）如图4 所示。由图4 可知：与燃用柴油时相比，在所有工况点，燃用混合燃料时，发动机碳烟排放量的降幅为12.11%～50.15%； 在转速为3 600 r/min，100%负荷的工况下， 发动机燃用E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10 时的碳烟排放量比燃用柴油时分别降低了26.04%，31.97%，40.31%和45.19%。 这是因为与柴油相比，混合燃料的十六烷值更低，导致发动机的滞燃期延长，使得燃料和空气能够充分混合； 混合燃料的粘度较低， 有利于燃油的雾化， 使得缸内过浓混合气减少；混合燃料中的芳香烃含量较低，减少了碳烟前驱体的生成[11]，[12]；混合燃料的氧含量较高，改善了缸内混合气过浓区域的缺氧状况。 在混合燃料氧含量相同的情况下， 发动机燃用乙醇占比更大的混合燃料时，其碳烟排放量相对降低。这是因为与正丁醇相比， 单位质量的乙醇所含有的碳原子数更少，能有效抑制碳烟前驱体的生成[13]；乙醇的汽化潜热值更高，十六烷值更低，使得发动机的滞燃期延长；乙醇的挥发性更好，促进了滞燃期内均匀混合气的形成，从而降低了碳烟排放。

2.4 NOx 排放分析

图5 不同转速下的NOx 排放量Fig.5 NOx emissions at different speeds

NOx的生成条件是高温、 富氧以及足够的持续时间[14]。 当转速分别为2 700，3 600 r/min 时，发动机（分别燃用5 种燃料） 在不同负荷下的NOx排放量如图5 所示。 由图5 可知：在中小负荷下，与燃用柴油时相比， 燃用混合燃料时， 发动机的NOx排放量降低，降幅为6.53%～34.67%；在100%负荷下，与燃用柴油时相比，燃用混合燃料时，发动机的NOx排放量升高，升幅为3.65%～12.21%。这是因为与柴油相比，在中小负荷下，混合燃料每循环的喷油量较少， 同时混合燃料的汽化潜热值较高，使得缸内温度降低；在100%负荷下，混合燃料每次循环的喷油量增加， 并且混合燃料的氧含量较高， 促进了燃料的燃烧， 使得缸内温度上升。在混合燃料氧含量相同的情况下，发动机燃用乙醇占比更大的混合燃料时，其NOx排放量相对减少。 这是因为与正丁醇相比， 乙醇的挥发性更好，汽化潜热值更大，汽化所吸收的热量更多，更能有效降低缸内温度。

2.5 CO 排放分析

图6 不同转速下的CO 排放量Fig.6 CO emissions at different speeds

当转速分别为2 700，3 600 r/min 时， 发动机（分别燃用5 种燃料）在不同负荷下的CO 排放量如图6 所示。 由图6 可知：在中小负荷下，与燃用柴油时相比，燃用混合燃料时，发动机的CO 排放量增高，增幅为4.12%～31.42%；在100%负荷下，与燃用柴油时相比， 燃用混合燃料时， 发动机的CO 排放量降低，降幅为6.32%～17.33%。这是因为在中小负荷下，缸内温度较低，且混合燃料的汽化潜热值较大，燃烧过程会吸收更多的热量，使得燃料难以完全燃烧；在100%负荷下，每循环的喷油量增加， 缸内温度提高， 且混合燃料的氧含量较高，改善了缸内的缺氧状况，使燃料燃烧得更加充分。在混合燃料氧含量相同的情况下，发动机燃用乙醇占比更大的混合燃料时，在中小负荷下，发动机的CO 排放量相对增加；在100%负荷下，发动机的CO 排放量相对降低。 这是因为在中小负荷下，缸内温度较低，且乙醇的汽化潜热值较高，燃烧时会吸收更多的热量，从而导致燃料燃烧不充分；在100%负荷下，缸内温度较高，同时乙醇的挥发性较好且粘度更低，使混合燃料的雾化质量提高，减少了过浓混合气的产生，使燃料燃烧得更加充分。

2.6 HC 排放分析

图7 不同转速下的HC 排放量Fig.7 HC emissions at different speeds

HC 主要在壁面淬熄区、 混合气过稀和过浓区产生[15]。 当转速分别为2 700，3 600 r/min 时，发动机（分别燃用5 种燃料）在不同负荷下的HC 排放量如图7 所示。 由图7 可知， 与燃用柴油时相比，燃用E5B13 和E10B5 时，发动机的HC 排放量降低， 降幅为5.13%～17.88%； 燃用E10B18 和E15B10 时， 发动机的HC 排放量升高， 升幅为2.56%～10.4%。这是因为与柴油相比，当乙醇/正丁醇的掺混比例较低时，混合燃料的粘度较小，雾化效果得到改善，使油气能够充分混合，并且混合燃料的含氧量有所升高， 促进了燃料的燃烧； 当乙醇/正丁醇的掺混比例较高时，混合燃料的汽化潜热值较大，燃烧时会降低缸内温度，使壁面淬熄区增加，且随着负荷的增加，乙醇/正丁醇的掺混比例对发动机HC 排放量的影响逐渐减小。 在混合燃料氧含量相同的情况下， 发动机燃用乙醇占比更大的混合燃料时，其HC 排放量相对增加。这是因为与正丁醇相比，乙醇的汽化潜热值更高，对缸内燃烧温度的降低效果更明显， 导致壁面淬熄区域增多，从而生成更多的HC。

3 结论

①在转速为3 600 r/min，100%负荷下， 与燃用柴油时相比，燃用混合燃料时，发动机的缸内压力、压力升高率和瞬时放热率峰值均升高，且峰值时刻推迟。

②在所有工况点，与燃用柴油时相比，燃用混合燃料时，发动机的碳烟排放量明显降低。

③与燃用柴油时相比，燃用混合燃料时，在中小负荷下，发动机的NOx排放量降低，CO 排放量升高； 在100%负荷下， 发动机的NOx排放量升高，CO 排放降低。

④与燃用柴油时相比，燃用乙醇/正丁醇掺混比较低的混合燃料时，发动机的HC 排放量降低；燃用乙醇/正丁醇掺混比较高的混合燃料时，发动机的HC 排放量升高。

⑤在混合燃料氧含量相同的情况下， 燃用乙醇占比更大的混合燃料时，发动机的缸内压力、压力升高率和放热率峰值相对较高； 碳烟排放的降低效果更明显；NOx排放量相对更低；在中小负荷下，CO 排放量相对较高， 在100%负荷下，CO 排放量相对较低；HC 排放量相对较高。