乙醇/正丁醇/柴油混合燃料的燃燒與排放試驗研究

葉麗華， 陳曉軒， 朱世林， 孫程煒， 劉天宇， 孟望喜

（江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013 ）

0 引言

在能源和環境危機以及嚴格的排放法規下，清潔替代燃料成為當前的研究熱點[1]，[2]。作為柴油機的清潔替代燃料， 含氧燃料具有來源廣泛、降低廢氣排放和改善柴油機燃燒效率等優點[3]，[4]。乙醇和正丁醇屬于可再生的清潔生物質燃料，由于兩者的氧含量和氫碳比均較高，因此，均具有降低柴油機顆粒物排放的潛力[5]。 乙醇與柴油的互溶性較差，添加正丁醇能提高乙醇和柴油的互溶穩定性[6]。 姚春德的研究表明，與燃用柴油時相比，燃用柴油/摻水乙醇二元燃料時，柴油機的滯燃期延長，最大放熱率增加，缸內壓力峰值升高，燃燒持續期縮短[7]。 胡慧慧的研究表明：隨著正丁醇-柴油混合燃料中正丁醇摻混比例的逐漸增加，柴油機的CO 和HC 排放量逐漸升高，碳煙排放量逐漸降低；在中低負荷下，NOx排放量逐漸降低，高負荷時NOx排放量明顯升高[8]。Kuszewski H的研究表明， 隨著正丁醇/柴油混合燃料中正丁醇體積分數的增加，柴油機的滯燃期變長，著火時刻推遲[9]。 Armas O 的試驗表明，與燃用柴油時相比，燃用乙醇/正丁醇/柴油混合燃料時，柴油機的NOx和HC 排放量升高，PM 和CO 排放量降低，CO2排放量沒有顯著變化[10]。

有關乙醇/正丁醇/柴油混合燃料中乙醇和正丁醇摻混比對柴油機性能影響的研究較少。因此，本文在氧含量相同的前提下， 配制了4 種不同摻混比的混合燃料， 并分析了發動機燃用各種燃料時的缸內壓力、 瞬時燃燒放熱率和污染物排放等特征參數，研究結果可以為柴油中摻混乙醇/正丁醇以改善燃燒和降低排放提供依據。

1 材料與方法

1.1 燃料種類

柴油為市售國Ⅴ0#柴油，乙醇和正丁醇均購于國藥化學集團有限責任公司。 配制乙醇、正丁醇和柴油的體積比分別為5∶13∶82，10∶5∶85，10∶18∶72 和15∶10∶75 的4 種 混 合 燃 料， 分 別 記 為E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10。 其中，E5N13和E10N5 的氧含量為4.33%，E15N10 和E10N18的氧含量為7.04%。混合燃料靜置30 d 后未出現分層和析出現象。 各燃料的理化性質如表1 所示， 其中密度和運動粘度是在20 ℃下測量和計算得到。

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

1.2 試驗設備

發動機采用186FA 型柴油機（常州倍安特動力機械有限公司）， 該柴油機的缸徑×行程為86 mm×72 mm，壓縮比為18.5∶1，排量為0.418 L，最大轉矩為18.88 N·m，最大轉矩轉速為2 700 r/min，額定功率為6.3 kW，額定轉速為3 600 r/min。 試驗中用到的主要測試設備包括EST2010型內燃機測控系統和CWF25D 型電渦流測功機（杭州中成測試設備有限公司）、DEWE-800 型燃燒分析儀 （奧地利DEWETRON 公司）、6055C80型缸壓傳感器（瑞士Kistler 公司）、MEXA-7200D型尾氣分析儀（日本Horiba 公司） 和AVL-415S型濾紙式煙度計（奧地利AVL 公司）。圖1 為試驗設備的連接圖。

圖1 試驗設備連接圖Fig.1 Connection diagram of test equipment

1.3 試驗方法

保持發動機的噴油嘴孔徑和供油提前角等參數不變。 其中，燃燒工況為100%負荷，轉速為3 600r/min；排放工況的轉速分別為2 700，3 600 r/min， 負荷分別為10%，25%，50%，75%和100%。每種燃料的燃燒特性和排放特性均進行兩次試驗并取平均值。 每完成一種燃料的試驗，對燃油管路進行清洗后，再進行下一種燃料的試驗。

2 結果及分析

2.1 缸內壓力和壓力升高率

當轉速為3 600 r/min 時，發動機（分別燃用5種燃料） 在100%負荷下的缸內壓力和壓力升高率如圖2 所示。

圖2 發動機的缸內壓力和壓力升高率Fig.2 In-cylinder pressure and pressure rise rate of engine

由圖2 可知， 與燃用柴油時相比， 燃用E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10 時， 發動機的缸內最大爆發壓力分別提升了2.5%，3.2%，4.8%和5.7%，壓力升高率峰值分別提高了6.14%，9.12%，13.26%和15.24%，峰值時刻后移了1～2°CA。 這是因為與柴油相比，混合燃料的十六烷值較低，導致發動機的滯燃期延長；混合燃料的粘度較低，而且乙醇和正丁醇的揮發性較好， 改善了混合燃料的蒸發霧化性能；混合燃料的氧含量較高，促進了燃料的燃燒。在混合燃料氧含量相同的情況下，發動機燃用乙醇占比更大的混合燃料時， 其缸內壓力和壓力升高率峰值相對增加。 這是因為與正丁醇相比，乙醇的揮發性好且粘度更低，使得混合燃料在滯燃期內形成的可燃混合氣的數量與質量均增加，從而促進了燃料的燃燒。

2.2 瞬時燃燒放熱率

當轉速為3 600 r/min 時，發動機（分別燃用5種燃料） 在100%負荷下的瞬時放熱率如圖3 所示。 由圖3 可知，與燃用柴油時相比，燃用E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10 時， 發動機的瞬時放熱率峰值分別提升了5.27%，6.41%，11.15%和12.57%，峰值時刻后移了1～2°CA。這是因為與柴油相比，混合燃料的汽化潛熱值較高，十六烷值較低，使得發動機的滯燃期延長，導致預混階段的可燃混合氣數量增加，并且混合燃料的氧含量升高，燃燒得更劇烈。在混合燃料氧含量相同的情況下，發動機燃用乙醇占比更大的混合燃料時， 其瞬時放熱率峰值相對提高。這是因為與正丁醇相比，乙醇的十六烷值更低，揮發性更好，在預混階段能夠形成更多的混合氣，使得預混燃燒增強，放出更多熱量。

圖3 發動機的瞬時放熱率Fig.3 Instantaneous heat release rate of engine

2.3 碳煙排放

圖4 不同轉速下的碳煙排放量Fig.4 Soot emissions at different speeds

當轉速分別為2 700，3 600 r/min 時， 發動機（分別燃用5 種燃料）在不同負荷下的碳煙排放量（以煙度計）如圖4 所示。由圖4 可知：與燃用柴油時相比，在所有工況點，燃用混合燃料時，發動機碳煙排放量的降幅為12.11%～50.15%； 在轉速為3 600 r/min，100%負荷的工況下， 發動機燃用E5N13，E10N5，E10N18 和E15N10 時的碳煙排放量比燃用柴油時分別降低了26.04%，31.97%，40.31%和45.19%。 這是因為與柴油相比，混合燃料的十六烷值更低，導致發動機的滯燃期延長，使得燃料和空氣能夠充分混合； 混合燃料的粘度較低， 有利于燃油的霧化， 使得缸內過濃混合氣減少；混合燃料中的芳香烴含量較低，減少了碳煙前驅體的生成[11]，[12]；混合燃料的氧含量較高，改善了缸內混合氣過濃區域的缺氧狀況。 在混合燃料氧含量相同的情況下， 發動機燃用乙醇占比更大的混合燃料時，其碳煙排放量相對降低。這是因為與正丁醇相比， 單位質量的乙醇所含有的碳原子數更少，能有效抑制碳煙前驅體的生成[13]；乙醇的汽化潛熱值更高，十六烷值更低，使得發動機的滯燃期延長；乙醇的揮發性更好，促進了滯燃期內均勻混合氣的形成，從而降低了碳煙排放。

2.4 NOx 排放分析

圖5 不同轉速下的NOx 排放量Fig.5 NOx emissions at different speeds

NOx的生成條件是高溫、 富氧以及足夠的持續時間[14]。 當轉速分別為2 700，3 600 r/min 時，發動機（分別燃用5 種燃料） 在不同負荷下的NOx排放量如圖5 所示。 由圖5 可知：在中小負荷下，與燃用柴油時相比， 燃用混合燃料時， 發動機的NOx排放量降低，降幅為6.53%～34.67%；在100%負荷下，與燃用柴油時相比，燃用混合燃料時，發動機的NOx排放量升高，升幅為3.65%～12.21%。這是因為與柴油相比，在中小負荷下，混合燃料每循環的噴油量較少， 同時混合燃料的汽化潛熱值較高，使得缸內溫度降低；在100%負荷下，混合燃料每次循環的噴油量增加， 并且混合燃料的氧含量較高， 促進了燃料的燃燒， 使得缸內溫度上升。在混合燃料氧含量相同的情況下，發動機燃用乙醇占比更大的混合燃料時，其NOx排放量相對減少。 這是因為與正丁醇相比， 乙醇的揮發性更好，汽化潛熱值更大，汽化所吸收的熱量更多，更能有效降低缸內溫度。

2.5 CO 排放分析

圖6 不同轉速下的CO 排放量Fig.6 CO emissions at different speeds

當轉速分別為2 700，3 600 r/min 時， 發動機（分別燃用5 種燃料）在不同負荷下的CO 排放量如圖6 所示。 由圖6 可知：在中小負荷下，與燃用柴油時相比，燃用混合燃料時，發動機的CO 排放量增高，增幅為4.12%～31.42%；在100%負荷下，與燃用柴油時相比， 燃用混合燃料時， 發動機的CO 排放量降低，降幅為6.32%～17.33%。這是因為在中小負荷下，缸內溫度較低，且混合燃料的汽化潛熱值較大，燃燒過程會吸收更多的熱量，使得燃料難以完全燃燒；在100%負荷下，每循環的噴油量增加， 缸內溫度提高， 且混合燃料的氧含量較高，改善了缸內的缺氧狀況，使燃料燃燒得更加充分。在混合燃料氧含量相同的情況下，發動機燃用乙醇占比更大的混合燃料時，在中小負荷下，發動機的CO 排放量相對增加；在100%負荷下，發動機的CO 排放量相對降低。 這是因為在中小負荷下，缸內溫度較低，且乙醇的汽化潛熱值較高，燃燒時會吸收更多的熱量，從而導致燃料燃燒不充分；在100%負荷下，缸內溫度較高，同時乙醇的揮發性較好且粘度更低，使混合燃料的霧化質量提高，減少了過濃混合氣的產生，使燃料燃燒得更加充分。

2.6 HC 排放分析

圖7 不同轉速下的HC 排放量Fig.7 HC emissions at different speeds

HC 主要在壁面淬熄區、 混合氣過稀和過濃區產生[15]。 當轉速分別為2 700，3 600 r/min 時，發動機（分別燃用5 種燃料）在不同負荷下的HC 排放量如圖7 所示。 由圖7 可知， 與燃用柴油時相比，燃用E5B13 和E10B5 時，發動機的HC 排放量降低， 降幅為5.13%～17.88%； 燃用E10B18 和E15B10 時， 發動機的HC 排放量升高， 升幅為2.56%～10.4%。這是因為與柴油相比，當乙醇/正丁醇的摻混比例較低時，混合燃料的粘度較小，霧化效果得到改善，使油氣能夠充分混合，并且混合燃料的含氧量有所升高， 促進了燃料的燃燒； 當乙醇/正丁醇的摻混比例較高時，混合燃料的汽化潛熱值較大，燃燒時會降低缸內溫度，使壁面淬熄區增加，且隨著負荷的增加，乙醇/正丁醇的摻混比例對發動機HC 排放量的影響逐漸減小。 在混合燃料氧含量相同的情況下， 發動機燃用乙醇占比更大的混合燃料時，其HC 排放量相對增加。這是因為與正丁醇相比，乙醇的汽化潛熱值更高，對缸內燃燒溫度的降低效果更明顯， 導致壁面淬熄區域增多，從而生成更多的HC。

3 結論

①在轉速為3 600 r/min，100%負荷下， 與燃用柴油時相比，燃用混合燃料時，發動機的缸內壓力、壓力升高率和瞬時放熱率峰值均升高，且峰值時刻推遲。

②在所有工況點，與燃用柴油時相比，燃用混合燃料時，發動機的碳煙排放量明顯降低。

③與燃用柴油時相比，燃用混合燃料時，在中小負荷下，發動機的NOx排放量降低，CO 排放量升高； 在100%負荷下， 發動機的NOx排放量升高，CO 排放降低。

④與燃用柴油時相比，燃用乙醇/正丁醇摻混比較低的混合燃料時，發動機的HC 排放量降低；燃用乙醇/正丁醇摻混比較高的混合燃料時，發動機的HC 排放量升高。

⑤在混合燃料氧含量相同的情況下， 燃用乙醇占比更大的混合燃料時，發動機的缸內壓力、壓力升高率和放熱率峰值相對較高； 碳煙排放的降低效果更明顯；NOx排放量相對更低；在中小負荷下，CO 排放量相對較高， 在100%負荷下，CO 排放量相對較低；HC 排放量相對較高。