柴油機(jī)燃用生物柴油-異丙醇-2-EHN混合燃料的燃燒和排放特性

中圖分類號(hào)：TK421.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2222（2025）03-0046-08

當(dāng)前，為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)，各國(guó)頒布了更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，并大力推廣各種節(jié)能措施，其中可再生的含氧燃料成為了國(guó)際研究熱點(diǎn)。生物柴油是一種優(yōu)質(zhì)含氧替代燃料，發(fā)展?jié)摿薮螅浯嬖陴ざ雀摺婌F特性較差等缺陷，在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中易導(dǎo)致噴油器堵塞、燃燒室積碳等問(wèn)題。同時(shí)，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜且原材料收集困難，這些因素都限制了生物柴油的廣泛應(yīng)用。因此，需通過(guò)摻混其他燃料的方法進(jìn)一步改善其性能。

異丙醇 （C₃H₈O） 是一種可通過(guò)丙酮加氫法或利用藍(lán)藻、大腸桿菌生產(chǎn)的第二代生物質(zhì)燃料，相比于甲醇、乙醇，其十六烷值（CN）和熱值更高，且腐蝕性與汽化潛熱更低[1-2]。摻混異丙醇可以降低生物柴油的黏度，改善其噴霧性能，并延長(zhǎng)滯燃期以提高放熱率峰值[3-5]。A.RIMKUS等[6]發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)的中低負(fù)荷下，使用柴油-菜籽油生物柴油-異丙醇混合燃料能有效降低碳煙排放，但會(huì)使燃油消耗率、HC和 NO_x 排放增加，有效熱效率（BTE）略有下降。J.MOHANRAJ等發(fā)現(xiàn)，在柴油-生物柴油混合燃料中加入 20% 丙醇后，低負(fù)荷下其BTE降低，高負(fù)荷下碳煙和CO排放分別減少 28% 和 24% 但HC和 NO_x 排放有所上升。由此可見，生物柴油摻混異丙醇后其黏度和碳排放能得到有效改善，但會(huì)導(dǎo)致 NO_x 排放增加、中低負(fù)荷熱效率下降。

近年來(lái)，國(guó)際上常采用十六烷值改進(jìn)劑以提升燃料的著火性能，降低廢氣排放。其中，2-乙基己基硝酸酯（2-EHN）因其較高的性價(jià)比而被廣泛使用。在國(guó)VI柴油中添加 1% 的2-EHN能使其CN提升8.6^[8] 。黃曉冬[9的研究發(fā)現(xiàn)，在小比例廢氣再循環(huán)（EGR）工況下，添加 0.5% 的2-EHN能使正戊醇-柴油混合燃料的熱效率提高 1.25% ，除碳煙外的常規(guī)排放物顯著減少。此外，在醇類-生物柴油混合燃料中加入少量2-EHN，能有效縮短滯燃期，提高缸壓峰值，并小幅降低煙度、 NO_x 和CO排放[10-11]

然而，目前關(guān)于在生物柴油中同時(shí)添加異丙醇和2-EHN以改進(jìn)其性能的研究較為缺乏。因此，本研究探究不同負(fù)荷與EGR率下該混合燃料應(yīng)用的最佳配比，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的燃燒和排放性能，以期為減輕化石燃料依賴、降低碳排放及緩解溫室效應(yīng)提供參考。

1試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用一臺(tái)配備電控直噴高壓共軌系統(tǒng)的四缸、四沖程渦輪增壓水冷柴油機(jī)，其型號(hào)為YC4FA115-40，技術(shù)參數(shù)見表1，臺(tái)架裝置示意見圖1，測(cè)試設(shè)備及型號(hào)見表2。 NO_x . co 和HC排放采用尾氣分析儀測(cè)量，碳煙則采用不透光煙度計(jì)測(cè)量，4種排放物測(cè)量精度分別為 1×10^-6，0.01%，1×10^-6 和 0.01m^-1 。

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)以大豆生物柴油（B100）為主要燃料，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別加入 20% 和 30% 的異丙醇（I，并加入1% 的2-EHN（E），配制出三元混合燃料BI20E1和BI30E1 。生物柴油、異丙醇和2-EHN的理化性質(zhì)見表3[2，12-14]

1.3 試驗(yàn)方案

中速代表了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)典型道路的負(fù)荷條件，該工況下，生物柴油摻混異丙醇-EHN對(duì)性能和排放的影響將更顯著。故設(shè)置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 500r/min ，噴油起始角為 7.5^°BTDC ，對(duì)三種燃料分別進(jìn)行平均有效壓力為 0.13～0.88MPa（10%～ 70% 的負(fù)荷特性試驗(yàn)，及 0.63MPa 下的變EGR率試驗(yàn)，以探究各燃料的燃燒與排放特性并確定最佳摻混比。所有試驗(yàn)均在相同大氣環(huán)境下進(jìn)行，冷卻液和潤(rùn)滑油溫度控制在（ 85±2 ） C ，進(jìn)氣溫度為（204號(hào) 。

2變負(fù)荷下混合燃料的燃燒排放特性

2.1不同負(fù)荷下的燃燒特性

如圖2所示，在 0.13MPa 小負(fù)荷工況下，異丙醇低CN和高汽化潛熱特性對(duì)燃燒過(guò)程影響較大，導(dǎo)致混合燃料的著火時(shí)刻和燃燒重心推遲。由于滯燃期較長(zhǎng)，異丙醇的蒸發(fā)霧化性能較好，使得預(yù)混燃燒階段的可燃混合氣增加，放熱更為急劇，故缸內(nèi)壓力和放熱率峰值上升。當(dāng)負(fù)荷為 0.38～0.63 MPa時(shí)，三種燃料的著火延遲相近，但隨摻醇比升高，霧化進(jìn)一步改善，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增加，BI30E1的放熱過(guò)程更迅速且集中，其缸壓水平最高。在 0.88MPa 高負(fù)荷下，缸內(nèi)溫度較高，燃油蒸發(fā)加快，但BIE燃料的著火時(shí)刻和整體燃燒相位略微滯后，放熱更平緩，隨摻混比升高，燃燒性能逐漸惡化。此時(shí)BI2OE1放熱規(guī)律優(yōu)于BI30E1，表明BIE燃料動(dòng)力性并非隨負(fù)荷改變而呈單一變化趨勢(shì)。

圖3中，低負(fù)荷下BIE燃料由于受異丙醇較高汽化潛熱值和低十六烷值影響，自燃性能惡化，滯燃期延長(zhǎng)。當(dāng)負(fù)荷為 0.38～0.63MPa 時(shí)，BIE燃料滯燃期與B1OO接近甚至更短。這是因?yàn)镋HN能在著火前受熱迅速分解釋放大量自由基，且BIE中的低黏度異丙醇顯著改善了燃料蒸發(fā)霧化性能。在0.88MPa 高負(fù)荷下，噴射壓力和燃油溫度提高加劇了液滴破碎程度，燃油黏度下降[15]，滯燃期進(jìn)一步縮短。而對(duì)EHN的機(jī)理研究表明[16]，其只在700K以下的溫度中具有較好的自燃性能增強(qiáng)作用，隨溫度上升，該作用反而減弱。這可能是導(dǎo)致BIE在高負(fù)荷下的滯燃期無(wú)法進(jìn)一步縮短，甚至著火速度慢于B100的原因。此外，負(fù)荷大于0.38MPa 時(shí)，不同比例BIE燃料的滯燃期相等，表明此時(shí)EHN對(duì)燃料的自燃起主導(dǎo)作用。而高負(fù)荷下BI30E1燃燒性能較差，需進(jìn)一步優(yōu)化燃料配比，適當(dāng)延長(zhǎng)滯燃期以改善其燃燒性能。

隨負(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力上升，燃燒持續(xù)期縮短。由于BI30E1的含醇量高，霧化更好，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增加，預(yù)混燃燒放熱加劇，擴(kuò)散燃燒占比更小，故其燃燒持續(xù)期比BI20E1略短。在 0.63MPa 負(fù)荷下，由于噴油量增加，滯燃期進(jìn)一步縮短，導(dǎo)致BI20E1能形成的預(yù)混合氣減少，放熱速率在三種燃料中最為緩慢，不利于缸內(nèi)溫度提升和燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，所以燃燒持續(xù)期反而延長(zhǎng)。此外，為補(bǔ)償?shù)蜔嶂祹?lái)的功率損失，同負(fù)荷下BIE燃料的噴油量增加，導(dǎo)致其燃燒持續(xù)期始終高于B100。

由于燃料熱值存在差異，故將混合燃料的燃油消耗率折算成能量等值的生物柴油消耗率，即當(dāng)量燃油消耗率。其公式為

式中： b_x 為當(dāng)量燃油消耗率； H_x 為混合燃料的低熱值； H_u 為生物柴油低熱值； b_BSFC 為混合燃料的有效

燃油消耗率。

因?yàn)榛旌先剂掀瘽摕岣撸瑴计诤腿紵掷m(xù)期較長(zhǎng)，燃燒重心滯后，加之異丙醇和EHN熱值較低，相同功率下需要的燃油量更多，因此BTE降低，油耗比B100更高。該現(xiàn)象在低負(fù)荷下尤為明顯：BI30E1的BTE相比B10O下降了 30.5%，b_x 上升53.3% 。但隨負(fù)荷增加，混合燃料與B100的經(jīng)濟(jì)性差距明顯縮小，當(dāng)負(fù)荷大于 0.38MPa 時(shí)，三種燃料的BTE與 b_x 非常接近（見圖4）。

2.2 不同負(fù)荷下的排放特性

不同負(fù)荷下燃用三種燃料的排放特性見圖5。柴油機(jī)排放物主要由油氣混合不均勻?qū)е隆５拓?fù)荷下噴油量少，燃燒效率低且反應(yīng)不完全，同時(shí)燃油蒸發(fā)霧化差，低溫缸壁面易出現(xiàn)由未燃混合氣形成的較厚淬熄層，導(dǎo)致B1OO的碳排放增加。而BIE燃料中的EHN增強(qiáng)了低負(fù)荷下的自燃性能，且低沸點(diǎn)和低黏度特性改善了蒸發(fā)霧化效果，減少了過(guò)稀薄區(qū)域，抑制了較厚淬熄層的形成，故其碳排放更低。

中負(fù)荷下，缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力上升促進(jìn)了燃油霧化和CO氧化，燃燒反應(yīng)進(jìn)行更完全，B100的CO和HC排放持續(xù)下降。然而，EHN縮短了滯燃期，使缸內(nèi)溫度降低，導(dǎo)致擴(kuò)散燃燒區(qū)內(nèi)混合氣不均勻程度增加，對(duì)CO和HC生成貢獻(xiàn)較大[12]。同時(shí)，BIE較好的蒸發(fā)性使其易受狹隙效應(yīng)影響，綜合作用下HC排放上升，但其高含氧量在一定程度上抑制了CO排放。當(dāng)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，滯燃期縮短且噴油量增加，局部區(qū)域混合氣過(guò)濃導(dǎo)致缺氧，B100的CO和HC排放反而上升[17]。加入異丙醇能減小燃料中的碳?xì)浔龋瑥母瓷蠝p少碳排放，同時(shí)改善局部缺氧現(xiàn)象，促進(jìn)了CO的氧化[18]。BI20E1的燃燒規(guī)律與B100相近，且較好的霧化性能在大噴油量下減少了濃混合氣區(qū)域，因此，HC排放最低。

BI30E1則因?yàn)楫惐己枯^高，導(dǎo)致高負(fù)荷下放熱過(guò)于滯后、燃燒惡化，HC排放略微增加。

NO_x 排放易在高溫、富氧和較長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間條件下產(chǎn)生。由圖5可知，不同負(fù)荷下，相比B100，燃用BIE的 NO_x 排放平均值分別減少了 33%，65.6% .48.7% 和 40% 。這是因?yàn)?2-EHN（C₈H₁₇NO₃） 能在750K 溫度下熱解生成 NO₂ 和3-庚基基團(tuán)，大量庚基自由基縮短了著火延遲期和預(yù)混燃燒階段，使燃燒重心遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，同時(shí)，BIE燃料汽化潛熱高且熱值較低，良好的霧化能使油氣分布更加均勻，共同降低了燃燒溫度[19]，減少了局部高溫區(qū)域。此外，熱解生成的 NO₂ 在富烴環(huán)境中參與烴的氧化并生成O₂ 和 N₂ ，不會(huì)導(dǎo)致 NO_x 排放額外增加[14]。由此可見，BIE燃料具有顯著降低生物柴油 NO_x 排放的能力，且在中等負(fù)荷下效果最為顯著。

碳煙的生成與許多因素有關(guān)：混合燃料的良好霧化可以減少極濃混合氣區(qū)域，同時(shí)高含氧量能消耗 C₃H₃ 等能生成碳煙前驅(qū)體的主要物質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為不參與苯生成反應(yīng)的碳氧化物[20；異丙醇中的羥基自由基能有效促進(jìn)碳煙中間產(chǎn)物多環(huán)芳香烴的氧化，從而抑制碳煙顆粒的生成[21]；此外，EHN的降溫作用使缸內(nèi)溫度脫離了 1 600～2 200K 的高溫干碳煙生成區(qū)間。因此，在多因素協(xié)同作用下，BIE燃料的碳煙生成量始終保持較低水平。

3變EGR率下混合燃料的燃燒排放特性

3.1不同EGR率下的燃燒特性

為了進(jìn)一步減少 NO_x 排放，探究BIE燃料在小比例EGR下的使用性能，在轉(zhuǎn)速 050% 負(fù)荷下進(jìn)行變EGR率試驗(yàn)。EGR率由進(jìn)排氣中 CO₂ 體積分?jǐn)?shù)之比確定。試驗(yàn)中，EGR閥門開度設(shè)為 10% ， 20% ， 30% ，分別對(duì)應(yīng)的EGR率為4%，8%，12% 。

如圖6所示，采用 4%EGR 率后，中等負(fù)荷下燃燒性能最佳的燃料由BI30E1變成BI20E1。隨EGR率增大，氧氣濃度下降， CO₂ 和 H₂O 等成分的增加導(dǎo)致工質(zhì)比熱容上升，缸內(nèi)最大壓力和燃燒溫度降低。在 8%EGR 率下，BI30E1表現(xiàn)最優(yōu)，其較高的含氧量減輕了廢氣量增加對(duì)燃燒性能的負(fù)面影響。但在 12% EGR率下，B100，BI20E1，BI30E1三種燃料缸壓峰值相比無(wú)EGR時(shí)分別下降0.4，0.5，0.75MPa 。這說(shuō)明BIE燃料對(duì)小比例EGR率的敏感度比B10O更低，但不宜采用較高的EGR率。

高溫廢氣與新鮮充量混合提升了初始溫度，使B10O的滯燃期縮短。隨EGR率上升，BIE燃料因燃燒溫度進(jìn)一步降低，其滯燃期受影響更大，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（見圖7）。此外，EGR率增大會(huì)導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)滯后，主要燃燒過(guò)程發(fā)生在活塞下行階段，燃燒面積擴(kuò)大、燃燒速度減緩、燃燒溫度降低，因此，燃燒持續(xù)期普遍延長(zhǎng)。更高的異丙醇比例有利于燃料的蒸發(fā)霧化和燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，因此，BI30E1的燃燒持續(xù)期較BI20E1更短。

由圖8可知，隨廢氣量的增加，燃燒惡化，導(dǎo)致BTE下降和 b_?x 上升，尤其是B100燃料更為明顯，其熱效率在 12%EGR 率下最大下降了 1.84% 。值得注意的是，加入EGR后，BI2OE1由于其良好霧化與高含氧量，減弱了缸內(nèi)當(dāng)量比過(guò)大帶來(lái)的影響，依舊保持了較好的燃燒放熱規(guī)律，因此，其 b_x 與BTE最佳，在小比例EGR率下，BIE燃料經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于B100。

3.2不同EGR率下的排放特性

如圖9所示，隨EGR率上升，BIE燃料的CO排放仍保持在較低水平。滯燃期適當(dāng)延長(zhǎng)有利于油氣充分混合，從而增加燃燒定容度，使燃燒反應(yīng)更完全，此外，加入的廢氣也使得部分較稀薄區(qū)域的當(dāng)量比上升，故BIE燃料的HC排放持續(xù)下降。采用4%EGR 率后，由于滯燃期延長(zhǎng)，BI30E1燃料的放熱更為迅速集中，燃燒持續(xù)期縮短，燃燒過(guò)程更為完善，其未燃HC量顯著減少，而BI20E1的滯燃期和HC排放變化不大，這表明其可能對(duì)小比例EGR并不敏感。B100的高燃燒溫度導(dǎo)致排氣溫度較高，有利于提高初始缸內(nèi)溫度并促進(jìn)燃燒[22]，小比例EGR下，燃油蒸發(fā)霧化加快，故HC排放下降；而當(dāng)EGR率超過(guò) 8% ，B100因廢氣影響導(dǎo)致燃燒惡化程度加大，HC排放增加。可見，適當(dāng)采用EGR可以提升BIE燃料的燃燒效率，進(jìn)一步降低中等負(fù)荷下的碳排放。

由圖10可知，廢氣增加使得氧氣含量減少，同時(shí)工質(zhì)比熱容增加，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低， NO_x 排放隨EGR率上升而下降。在 4%EGR 率下，B100的NO_x 排放相比無(wú)EGR降幅達(dá) 25.6% ，而其余兩種燃料的降幅分別為 6.7% 和 13.6% 。這一結(jié)果側(cè)面反映了BI20E1的燃燒在小比例EGR下受到的影響更小，與圖6a中展現(xiàn)出的燃燒性能一致。在12%EGR 率下，三種燃料的 NO_x 排放相比無(wú)EGR降幅均超過(guò) 75% ，而 8%EGR 率下該值約為 53% ，且BIE燃料降低 NO_x 排放的效率較高。EGR率上升后，BIE的 NO_x 排放依舊顯著低于生物柴油。

隨EGR率上升，缸內(nèi)整體空燃比下降，同時(shí)生物柴油的油氣混合不均勻，導(dǎo)致局部較濃混合氣區(qū)域增多，容易產(chǎn)生大量干碳煙。但異丙醇的高含氧和良好霧化性能促進(jìn)了碳煙的氧化，使混合氣分布更為均勻，減少了較低過(guò)量空氣系數(shù)區(qū)域的形成，因此，BIE的碳煙排放受EGR的影響比B1OO更小。

4結(jié)論

a）在生物柴油中摻混異丙醇和EHN，總體上能提高缸內(nèi)壓力和放熱率峰值，改善霧化性能并增加預(yù)混合氣，有效抑制常規(guī)排放物尤其是 NO_x 的生成，但混合燃料的CN值與熱值低等缺陷會(huì)導(dǎo)致低負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性能與高負(fù)荷下燃燒性能明顯下降；b）BIE燃料對(duì)小比例EGR的敏感度較低，BI30E1的經(jīng)濟(jì)性幾乎不受EGR影響；加入EGR后，相比B10O，BIE燃料各排放物與燃油消耗率更低，熱效率更高；c）BIE20E1是適用工況更全面，性能更穩(wěn)定的替代燃料，在 8% 以下的EGR率時(shí)，降低 NO_x 排放的效率最高且燃燒性能下降較小；d）在不同工況下，不同配比BIE燃料間的燃燒性能、 NO_x 排放性能等優(yōu)劣交替變化，表明燃料比例與燃燒排放特性之間存在復(fù)雜關(guān)系，需要進(jìn)一步優(yōu)化配比，研究異丙醇與2-EHN在燃燒動(dòng)力學(xué)之間相互作用的潛在機(jī)制，使BIE燃料成為性能更優(yōu)的清潔能源。

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Abstract：Inordertomitigate thegreenhouseefectandreducefosilenergyconsumption，fromtheperspectiveofimproving thecombustionperformanceof biodiesel，bench tests wereconducted tostudythecombustionand emissionperformanceof biodiesel-isopropylalcohol-2-EHNblends withvaryingloadsandEGRratesonadieselengine.Theresultsindicatedthatiso propylalcoholand2-EHNaditioncouldefectivelyimprovetheatomizationandincreasethecombustiblemixtureduring the ignitiondelayperiod.Thecylinderpressureandheatreleasepeakofblendsincreasedatlowandmediumloads，and theemissions of CO，HC，soot and NO_x significantly reduced.At low load，the brake specific fuel consumption of blends was higher， and the brake thermal efficiency decreased by approximately 5% ，whereas the gap of economy performance between blends and biodiesel obviously shortened with load increase.In addition，applying EGR rates below 8% facilitated low-temperature combustion of the blends，which efficiently suppressed NO_x formation while maintaining superior power output and fuel economy relative to pure biodiesel.

Key Words：diesel engine;biodiesel;isopropyl alcohol;blended fuel;combustion;emission

[編輯：袁曉燕]