正丁醇添加于柴油—生物柴油對柴油機性能及顆粒物排放的影響研究

劉博

摘 要：本文基于一臺單缸直噴壓燃式柴油機，在常規轉速的3個負荷工況點進行試驗，評估柴油-生物柴油-丁醇混合燃料的內燃機性能和排放顆粒物的理化性質。柴油添加20%Vol生物柴油（PME），然后分別添加5%，10%，15%Vol正丁醇。結果顯示：隨著正丁醇比例的增加，相對于B20，有效熱效率在中高負荷下明顯提高，顆粒物質量和數量濃度、碳元素濃度（EC）明顯減少，顆粒物中有機碳（OC）含量增加。同時，顆粒物平均幾何直徑呈減小趨勢，顆粒相的多環芳香烴（PAHs）總數減少。

關鍵詞：正丁醇；柴油；生物柴油；顆粒物；多環芳香烴

中圖分類號：U464.172；U467.48 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0129-04

Study on N-butanol Addition to Diesel-Biodiesel Effecting on

Engine Performance and Particulates Emissions

LIU Bo

（College of Business Administration， Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou Henan 450008）

Abstract： Based on a single directing diesel engine， the test was conducted to study the influence of diesel-biodiesel-n-butanol blends of engine performance and particulates emissions. Diesel added to 20%Vol PME， then 5%， 10%， 15%Vol n-butanol addition to fuel blends respectively. The results showed that brake thermal efficiency increased significantly at medium and high loads compared to B20 as the proportion of n-butanol scaled-up. Meanwhile， particulate mass and number concentrations and elemental carbon （EC） emissions decreased obviously， the proportion of organic carbon increased. The mean geometric diameter of particulates showed a decreasing trend and the number of polycyclic aromatic hydrocarbon （PAHs） decrease.

Keywords： n-butanol；diesel；biodiesel；particulates；PAHs

為了減少人類對化石能源的依賴和適應日益嚴苛的排放法規，可再生和清潔燃料在能源消耗中的應用研究持續受到廣泛的關注[1]。以生物柴油和乙醇為代表的生物油，在減少柴油消耗和降低尾氣排放方面呈現出極大的潛力，部分甚至已經完全替代化石燃料被應用于壓燃式內燃機上。蔬菜油是通過醇酯反應獲得的一種生物柴油，是一種非常有潛力的替代能源，其具有可再生、無毒、可生物降解等優點[2]，是一種無硫芳香族化合物，同時具有較高的十六烷值、高閃點和良好的潤滑特性。目前，在歐洲地區被廣泛研究的蔬菜油基生物柴油是蔬菜油甲酯，在美國則是大豆油甲酯，而棕櫚油甲酯（PME）也被視為一種有潛力的替代燃料，因為其具有廣泛的生產原料來源。生物柴油應用于柴油機并取得良好的環境和能源效益已被很多文獻所報道，B20（20%生物柴油和80%化石柴油）則成為主流的摻混比例[3]。然而，相對于柴油，蔬菜油基生物柴油具油品波動較大，運動黏度高，從而引起缸內霧化差、碳殘留高、供油系統阻塞和潤滑油增厚凝結等一系列問題，這些缺陷限制了生物柴油在柴油機上的應用。

為了擴展柴油-生物柴油在柴油機上的應用，添加醇類（例如乙醇）已經被廣泛研究。相對于生物柴油，醇類具有更低的運動黏度和較低的油品波動，其作為助溶劑來改善柴油-生物柴油特性具有良好的效果，并隨著摻混比例增加，燃油燃燒更充分。鑒于以上技術優點，使用柴油、生物柴油和醇類三元混合燃料吸引了眾多學者的注意，混合具有能改善燃油特性、發動機性能、燃燒特性和排放特性等優勢。

在醇類燃料中，丁醇被認為是適用于內燃機的一種可再生生物油。相對于乙醇和甲醇，其具有較高的熱值和十六烷值，與柴油具有較好的混合特性和更低的親水性。近期大量研究顯示，相比于乙醇，丁醇能更好地替代生物油應用在壓燃發動機上。然而，正丁醇添加于柴油-生物柴油對發動機性能和顆粒物排放影響尚缺乏相應的詳細研究。雖然許多學者對顆粒物排放的質量濃度、數量濃度和尺寸分布進行了研究，但極少有人從柴油-生物柴油-醇類混合物發動機對顆粒物排放進行詳細研究。本文嘗試評估正丁醇添加于柴油-生物柴油對發動機性能和顆粒物理化特性潛在影響，以期為降低環境污染和應用清潔能源提供理論基礎。

1 試驗方法

圖1混合燃料測試系統結構示意圖。試驗是在一臺單缸、四沖程、空冷、直噴的柴油機上進行的，柴油機的主要結構參數見表1。燃料的主要理化特性見表2。表2主要測試了基元燃料（柴油、生物柴油和正丁醇）的十六烷值、低熱值、密度、運動黏度、沸點和氣化潛熱等理化特性指標。本文共配制5種燃料，柴油和20Vol%PME+80Vol%柴油分別被標記為D和B20，B20分別和5%、10%和15%Vol正丁醇混合，分別標記為B20U5、B20U10和B20U15。采用Dekati二級稀釋裝置DI-2000對尾氣進行稀釋，一級稀釋將取樣的樣氣溫度降低至50℃，稀釋范圍為6∶1到8∶1，然后顆粒物經過稀釋并收集，采用Dekati ELPI對顆粒物的數量和質量進行測量。

注：1.油桶；2.燃油消耗測量儀；3.供油開關；4.油管；5.排煙管道；6.柴油機；7.常規煙氣分析儀；8.顆粒物測量系統（DI-2000和ELPI）；9.排氣溫度傳感器；10.消音器；11.測功機；12.控制電腦；13.測控系統。

2 結果和討論

圖2是燃油消耗率和有效熱效率的變化趨勢。相對于柴油，B20平均減少1%的燃油消耗率和增加2%的有效熱效率，可見，PME添加能改善燃油在內燃機中的燃燒特性。柴油中添加20%PME的燃油消耗率（BSFC）和有效熱效率（BTE）的趨勢變化相似結論曾被報導[4]。

B20摻混5%和10%正丁醇時，BSFC急劇增加。然而，添加15%正丁醇時，BSFC在低負荷到高負荷分別增加3.5%、2.8%和2.5%。這主要是因為高比例的正丁醇降低了混合燃料的熱值，導致在同等輸出功率條件下需要燃燒更多的燃料。相對于B20，三元復合燃料的BTE在中高負荷條件下略微增加，而在低負荷下沒有明顯變化。BTE的增加是由于添加正丁醇導致混合燃料的含氧量增加，正丁醇較低的十六烷值導致更長的著火延遲，提高燃燒過程，促進預混合燃燒[5，6]。而更高的蒸發潛熱降低燃燒溫度和減少BTE，特別是在發動機低負荷工況下。該結果表明，正丁醇在中高負荷工況下BTE略微增加，在低負荷條件下，BTE變化不大。

PM2.5被劃分為3種成分進行研究：EC（碳元素）、OC（有機成分）和不含碳成分（如硫酸鹽、硝酸鹽、金屬和灰渣），其濃度變化趨勢如圖3所示。從圖3可以看出，PM2.5濃度在燃用不同燃料的條件下都隨著發動機負荷的增加而增加，而EC濃度的增加比OC濃度增加更加顯著，這一結果與部分文獻的研究結果相吻合[7，8]。相比于柴油，從低負荷至高負荷條件下，B20的PM2.5排放減少范圍為3.9%～9.2%，而正丁醇的添加導致更大程度的PM2.5濃度減少，特別是在高負荷下摻混更高比例的正丁醇，結果更加顯著。相對于B20，從低負荷到高負荷條件下，三元混合燃料的PM2.5濃度的減少范圍分別為2.1%～5.2%，4.1%～18.5%和6.7%～24.3%，EC排放與OC排放具有相似的變化趨勢，即隨著正丁醇的增加而增加。而OC排放和PM2.5排放隨著正丁醇的添加而減少可歸因于EC排放的減少。

顆粒相PAHs排放如圖4所示。在不同種類燃料的全工況條件下，顆粒相PAHs是由LMW-PAHs（低分子量）、MMW-PAHs（中分子量）和HMW-PAHs（高分子量）組成的。其中，HMW-PAHs含量最低，PAHs排放總量隨著負荷的增加而增加。相比于柴油，PAHs排放總量在不同負荷工況下平均減少18%。

B20添加5%至10%的正丁醇，顆粒相PAHs各組分排放都減少，正丁醇的添加比例越高，PAHs排放越少。相對于B20，從低負荷至高負荷，BU5的PAHs排放總量減少比例分別3.3%、9.4%和14.2%，BU10減少比例分別是9.5%、13.5%和21.3%。然而，隨著更高比例的正丁醇添加，顆粒相PAHs排放總量下降趨勢不明顯。

柴油機PAHs排放主要有2個來源：一部分是燃料和潤滑油直接蒸發而產生的PAHs，另一部分是燃燒反應中的自由基結合形成的團聚體。因此，燃料成分和燃燒過程可能是影響多環芳香烴排放的2個重要因素。基于以上2個因素，生物柴油和正丁醇直鏈芳香族化合物對多環芳香烴含量影響并不顯著，而生物柴油和正丁醇具有更高的含氧量，將改善燃燒而導致PAHs排放總量的減少。相對于B20，含有正丁醇的復合燃料包含更多的氧和更少的PAHs，從而導致PAHs排放減少。然而，對于BU15，正丁醇的蒸發潛熱較大，引起的冷卻效應會影響PAHs的形成，該影響在燃燒溫度較低時更為顯著，從而導致在低負荷工況下產生更高的PAHs排放。

在本文中，顆粒物幾何直徑的尺寸分布范圍是5.6～560nm，具體如圖5所示。為詳細分析顆粒物尺寸分布濃度，顆粒物幾何直徑被分為4個區間范圍，分別是<20nm、20～50nm、50～100nm和>100nm。圖中顯示顆粒物的幾何直徑大部分低于100nm。在低負荷工況下，顆粒物尺寸分布趨勢是雙峰曲線，第一個波峰出現在8～10nm，第二個波峰出現在40～55nm。隨著負荷的增加，雙峰轉化為單峰。然而，隨著發動機負荷的增加，無論使用何種混合燃料，顆粒物尺寸分布都趨向于更大直徑，類似結論在一些文獻中有相關報導[9]。

3 結論

在一臺單缸直噴柴油機上進行動力臺架試驗，對比純柴油、純柴油混合20%Vol的生物柴油、B20混合燃料添加5%、10%和15%Vol正丁醇五種燃料，分析PM2.5和顆粒物中的C濃度、顆粒物數量濃度、顆粒物尺寸分布等指標，主要結論如下。

①正丁醇增加10%，三元混合燃料燃油消耗率增加，同時在中高負荷工況下熱效率略微升高。

②相對于B20，正丁醇的添加能夠減少PM2.5質量濃度，高比例添加正丁醇降低幅度更加明顯。這主要歸因于EC排放的減少，而OC在顆粒物中的質量分數增加。

③B20排放的顆粒物數量比柴油更高。然而，正丁醇的添加能有效減少顆粒物數量濃度，同時降低平均幾何直徑。這主要歸因于大尺寸顆粒物排放的減少，而小于20nm以下的顆粒物變化不大。

④相對于B20，三元混合燃料具有更低的顆粒相PAHs排放。

參考文獻：

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