丁醇汽油混合燃料在缸内直喷发动机中的燃烧特性研究

王鸿雨，孙哲，李雪松，许敏

(上海交通大学智能汽车研究所，上海 200240)

化石能源由于其能量密度高、开采成本较低的优势，即使在运载工具如汽车等逐步电气化的现状下，仍是长期重要的能源利用形式。但传统化石能源如石油等也不可避免地存在能源短缺和环境污染的重大问题。因此，可再生的碳基燃料如醇类燃料作为一种环保型的汽油替代燃料，具有来源广泛、燃烧过程更加充分的优势，有助于提升发动机热效率和有效控制有害物的排放，被认为是一种清洁的可再生能源[1-2]。而在各类醇类燃料中，丁醇的能量密度相较于甲醇、乙醇更高，毒性和腐蚀性比甲醇和乙醇更小，且生物丁醇与汽油的互溶性更好，热值仅比汽油略低。因此可通过在汽油中掺混丁醇制成替代燃料，以此来改善直喷汽油机的燃烧过程[3-4]。

丁醇有4种不同的分子结构，4种丁醇异构体包括正丁醇、仲丁醇、叔丁醇和异丁醇。由于丁醇燃料在发动机燃烧表现方面的诸多优势[5]，各地学者针对丁醇生物燃料在汽油机上的应用展开了大量的研究。Popuri等[6]通过在汽油中掺混甲醇、乙醇和异丁醇进行了不同混合燃料在发动机上的对比研究，发现与甲醇和乙醇相比，异丁醇燃料在不同的点火正时与空燃比下均表现出更好的热效率、动力性和燃油经济性。Irimascu[7]研究了汽油、异丁醇和异丁醇-汽油(异丁醇掺混比50%)在进气道喷射汽油机内的燃料转换效率。研究结果表明，相比汽油燃料，异丁醇-汽油燃料转换效率提升6%，而异丁醇燃料转换效率下降9%。柳茂斌等[8]研究了不同掺醇比例下正丁醇-汽油与乙醇-汽油均质充量压缩着火发动机的燃烧与非常规排放特性，研究结果表明，使用正丁醇-汽油时发动机的燃烧持续期更短，芳香烃的排放显著降低。胡志远等[9]研究了不同体积混合比下汽油-丁醇混合燃料在电控进气道多点喷射汽油机中的非常规排放特性，发现发动机燃用丁醇-汽油混合燃料的动力性、SO2排放和温室气体排放显著降低，且降低幅度随混合燃料中丁醇体积混合比的增加而增大。现有针对汽油掺混丁醇的不同异构体的燃烧可视化研究较为有限。本研究基于一台光学直喷单缸机，针对各类丁醇异构体与甲苯标准参考燃料(TPRF)的混合燃料进行了可视化研究，并根据发动机燃烧特性参数及缸压进行了对照分析。

1 试验系统及分析方法

1.1 试验装置

如图1所示，本研究在一台单缸、水冷、四冲程缸内直喷光学发动机上进行试验，测试并研究了TPRF燃料以及TPRF与正丁醇、异丁醇、仲丁醇以及叔丁醇以TPRF70%，丁醇30%配比的燃料混合物(分别表示为TPRF、TPRF-nB、TPRF-iB、TPRF-sB、TPRF-tB)的燃烧以及火焰生成和发展过程。发动机的规格及运行详细参数如表1所示。发动机由一台AVL交流测功机驱动，转速为1 000 r/min。发动机缸套温度由装有循环水套的金属衬套控制。采用AVL台架冷却液及润滑油供给调节装置，以保证发动机冷却液和油温保持在60 ℃，误差在±1 ℃。通过电子节流阀使进气歧管绝对压力调节在63 kPa，涡流比控制在0.55。发动机供油系统采用一个8孔喷油器，喷油器安装在气缸顶部，火花塞安装于喷油器旁侧。

图1 光学发动机测试系统

表1 发动机参数及测试工况

试验通过光学发动机系统对各类型燃料进行了230个循环的测试和记录。通过Kibox燃烧分析仪(2893A)、压电压力传感器(Kistler 6125A)和电荷放大器(5064型)的测量和分析，获得了最小刻度为0.1°曲轴转角的缸内压力曲线图。通过计算机系统设置和控制发动机系统的电子控制参数，并通过一个同步器来保持各电子信号同步。

缸内火焰的可视化通过45°反射镜与安装有石英玻璃窗口的活塞组成的光学通道来实现。试验测试过程中，使用一台配备蔡司50 mm f/1.4镜头的高速RGB相机(HX-5E,NAC)，在给出点火信号的同时记录火焰图像，相机的拍摄频率为12 kHz，曝光时间为83.3 μs，对应曲轴转角的拍摄频率为2 帧/(°)，拍摄的图像分辨率为547×607像素,像素位深度设置为12位。在以上测试条件下，试验记录了自火花塞点火-13°ATDC开始至87°ATDC的200张连续的火焰图像，并连续记录230个循环。

1.2 图像处理方案

图2示出采用的图像处理方法。火焰图像以RGB三通道格式进行存储，各通道数据分别存储于相应的数值矩阵中。首先将采集到的原始图像裁剪为恰能包括整个圆形光学窗口的正方形，并将圆形窗口以外的部分亮度设置为0，以消除反射光干扰。将裁剪后图像的RGB三通道强度值放大相同倍数，生成增强图像。并选择合适的阈值进行图像二值化处理，将亮度高于阈值的区域作为火焰区域，本次所选阈值为0.026。二值化处理后，再进行中值滤波处理，得到火焰边界及火焰面积。整个图像处理过程均通过MATLAB程序实现。

图2 火焰图像处理过程

2 结果及讨论

2.1 火焰发展过程分析

为获得更好的显示效果，选取典型循环的-10°～10°曲轴转角(ATDC)范围内的火焰图像进行进一步降噪和增强，得到5种替代燃料的火焰传播图像(见图3)。

图3 TPRF-丁醇燃料的典型循环火焰发展情况

由图3可知，该曲轴转角范围内的火焰图像反映了从早期点火到CA10的火焰结构演变。火焰自-13°ATDC点火开始完成火核生成，在-10°～-5°ATDC阶段火核逐渐变大，向气缸壁方向传播。在-5°ATDC时刻，TPRF、TPRF-nB、TPRF-iB、TPRF-sB的火焰已经进入向外发展的过程，而TPRF-tB的火核仅初步形成。在整个传播过程中，TPRF-nB的表观火焰面积一直大于其他4种燃料，表明TPRF-nB火焰在5种燃料中发展速率最快。这是因为在正丁醇燃烧反应的路径中几乎不产生稳定的C4H8，因而燃料活性较强，导致火焰速度更快，燃烧过程加快。

图3中的火焰图像还表现出不同测试燃料之间亮度分布的一些差异。TPRF-nB的火焰图像最大亮度最高，在中心形成较为明显的紫蓝色亮斑，表明TPRF-nB火焰的色相度范围更宽，燃烧更为充分。此外，在TPRF-丁醇混合燃料的火焰图像中可见更多的黄色斑点。这可能是由于丁醇混合物的燃料雾化不良，产生更多粒径更大的燃料液滴，导致局部扩散燃烧。

图4示出了TPRF-丁醇燃料的瞬时火焰速率曲线。将数字图像处理得到的二值图转换为相等面积下的圆，根据相邻火焰图像的圆半径之差即可计算得到瞬时火焰速率[10]。速度图像的结果表明，在-7°～0°ATDC范围内，5种燃料的瞬时火焰速率由大到小依次为TPRF-nB，TPRF，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB。由此可见，在TPRF燃料中加入正丁醇，提高了火焰发展过程前半段的传播速度。而叔丁醇对火焰传播速度的负面影响最为严重，这是由于叔丁醇在反应路径中会产生大量稳定的C4H8，导致反应活性减弱，层流火焰速度降低，且在5°～7°ATDC范围内火焰传播速度可能由于燃烧不稳定而产生较大波动。在-8°ATDC附近，TPRF-tB的火焰速率突然增加，该时刻对应于从火核产生到火焰开始向外传播的转折点。

图4 TPRF-丁醇燃料的瞬时火焰速率

图5示出了火焰传播过程中火焰面积相对于整个圆形光学窗口面积的面积比变化情况。由于光学通道窗口的限制，最大半径为31 mm，当火焰完全到达光学窗口边缘时，面积比达到1。由图中可看出，在相同曲轴转角下，5种燃料的火焰面积比由大到小依次为TPRF-nB，TPRF，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB，该规律与瞬时火焰速率的结果相同。图4中的火焰速率曲线也同时表明了火焰区域与光学窗口的面积比曲线的斜率变化情况，在火焰发展后期，TPRF-nB的火焰速率明显降低，因此TPRF-nB的火焰面积比增长速度减缓，在13°ATDC时刻已与TPRF的火焰面积比接近。

图5 TPRF-丁醇燃料火焰区域与光学窗口的面积比

2.2 燃烧性能分析

TPRF-丁醇燃料的燃烧持续期及着火延迟期如图6所示。所有丁醇同分异构体的添加均具有延长燃烧持续期的作用，该现象主要由火焰速度不同导致。在掺混丁醇的TPRF燃料中，TPRF-nB的燃烧速度最快，而TPRF-tB的的燃烧速度最慢，5种燃料的燃烧持续期由小到大依次为TPRF，TPRF-nB，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB。另外，除正丁醇外，所有丁醇同分异构体都会延长燃料燃烧的着火延迟期，原因是丁醇本身的黏性较大，导致燃料喷雾液滴粒径增大，因此延长了油气混合时间。且丁醇的加入也会提升燃料汽化潜热，进而使燃料汽化时间延长，同样会导致着火延迟期的延长。而TPRF-nB的火焰传播速率较快，因而使得着火延迟期相较于TPRF更短。

图6 TPRF-丁醇燃料燃烧持续期与着火延迟期

图7示出TPRF-丁醇燃料的缸内压力曲线对比结果。从TPRF燃料和添加丁醇后混合燃料的对比可得出，丁醇的添加均使得缸内压力降低。由于丁醇及其异构体的汽化潜热均高于正庚烷，所以在燃烧过程中，需要吸收更多的热量进行燃料汽化，导致燃料蒸发速率减缓，使得缸内压力降低。另外，丁醇的热值相较于正庚烷更低，因此其燃烧过程中放热量更少，缸压峰值也随之降低。另外，丁醇的异构体中，热值由大到小依次为TPRF-nB，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB，导致添加4种丁醇同分异构体后缸内压力表现出不同程度的降低，正丁醇的热值最高，而叔丁醇的热值最低，因而正丁醇峰值压力最高，叔丁醇峰值压力最低。

图7 TPRF-丁醇燃料的缸压曲线对比

最终，试验测得了5种TPRF-丁醇燃料的平均有效指示压力。平均有效指示压力可反映出发动机输出功率。与TPRF相比，燃用TPRF-nB、TPRF-iB、TPRF-sB和TPRF-tB，平均有效指示压力分别下降了2.9%，4.8%，5.1%，5.8%。由于丁醇相较于TPRF燃料的热值更低，因此燃用掺混丁醇的TPRF燃料，发动机平均有效指示压力均降低。另外，正丁醇的热值在丁醇的同分异构体中最高，且在火焰传播过程中具有最快的火焰速率，因此在TPRF-丁醇的混合燃料中，燃用TPRF-nB具有最高的平均有效指示压力。

图8 TPRF-丁醇燃料的平均有效指示压力

3 结论

a) 在TPRF和TPRF与不同的丁醇同分异构体的混合燃料中，燃用TPRF-nB的火焰速率及火焰面积扩张速率最快，而后依次是TPRF，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB；

b) TPRF内掺混丁醇会延长着火延迟期和燃烧持续期；

c) 由于丁醇的热值低于TPRF燃料，所以TPRF掺混丁醇会导致发动机平均有效指示压力降低，降低幅度由小到大依次为TPRF-nB，TPRF-iB，TPRF-sB，TPRF-tB。