正丁醇-柴油對柴油機燃燒及排放影響的試驗研究

胡慧慧， 王忠， 吳婧， 王飛， 王燕鵬

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

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正丁醇-柴油對柴油機燃燒及排放影響的試驗研究

胡慧慧， 王忠， 吳婧， 王飛， 王燕鵬

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

通過配制不同正丁醇摻混比例的正丁醇-柴油混合油，在不改變供油提前角和燃油系統的條件下，測量了柴油機燃用正丁醇-柴油混合油的氣缸壓力、放熱率以及NOx、炭煙等排放污染物，探討了正丁醇摻混比例對柴油機燃燒過程的影響規律，分析了正丁醇對排放污染物的作用過程。結果表明：正丁醇摻混比例為0%，5%，10%時，低轉速、低負荷工況下，缸內最大燃燒壓力分別為6.2 MPa，5.9 MPa和5.8 MPa，與燃燒柴油相比略有降低；高轉速、高負荷工況時，缸內最大燃燒壓力分別為7.5 MPa，7.6 MPa，7.7 MPa，與燃燒柴油相比稍有增加；隨著正丁醇摻混比例增加，柴油機的CO和HC排放升高，在中低負荷下NOx排放有所降低，高負荷時升高明顯，平均增加了6.4%，炭煙排放降低明顯，燃用正丁醇添加比例為5%和10%時，在高負荷下炭煙分別下降了25%和36%。

正丁醇； 混合燃料； 燃燒過程； 排放； 柴油機

柴油機具有油耗低、動力性強等優點，但其炭煙排放高，其中的多環芳香烴(PAHs)和多環芳香烴的硝基化合物具有致癌性[1-2]。隨著排放法規的日益嚴格，降低柴油機炭煙排放已成為國內外學者研究的重點。使用含氧燃料或含氧添加劑是降低炭煙排放的有效措施[3]。正丁醇是一種生物質燃料，可以通過微生物發酵方法進行生產，且成本較低。此外，正丁醇具有含氧、汽化潛熱高、著火極限寬等優點，在柴油機上應用時，有利于可燃混合氣的形成，在一定程度上可起到改善燃燒的作用[4-5]。正丁醇的密度和黏度低，霧化性能好，能使缸內燃燒充分，可以有效抑制燃燒后期碳核的形成，降低柴油機炭煙的排放[6-7]。

國內外學者針對正丁醇及其在柴油機上的摻混燃燒進行了大量研究。廣西大學李會芬[8]等進行了正丁醇作為乙醇-柴油混合燃料助溶劑的相關試驗研究，研究表明，正丁醇具有親油和親水基團，混合后的蒸餾曲線接近于柴油，可以增大乙醇和柴油的互溶度，提高混合燃料的穩定性。多倫多大學M.Sarathy[9]等對正丁醇的化學反應動力學進行研究，分析了正丁醇的對沖擴散燃燒、層流燃燒的速度，研究結果表明正丁醇的鏈式反應機理主要是通過脫氫反應和脫氫后官能團的β位斷裂。天津大學堯命發等研究了柴油機燃燒正丁醇-生物柴油的燃燒和排放特性，結果表明[10]，正丁醇通過缸內混合氣活性和混合氣活性分布影響正丁醇-生物柴油的燃燒和排放特性，燃燒呈現多種燃燒模式組合的復合燃燒現象，正丁醇摻混比例為80%～85%時，可以獲得較高的熱效率和極低的NOx及炭煙排放。

本研究通過配制不同比例的正丁醇-柴油混合油(n-B0，n-B5，n-B10)進行臺架試驗，采集了缸內示功圖，考察了正丁醇摻混比例對缸內壓力、放熱率等燃燒參數的影響規律，測量分析了柴油機燃用不同比例正丁醇-柴油混合油的CO，HC，NOx、炭煙等排放污染物，探討燃料組分及理化特性對柴油機燃燒和排放的影響。

1 燃料性質及試驗方案

燃料的理化特性對柴油機的噴霧、著火及燃燒過程具有重要影響。表1列出0號國Ⅲ柴油、n-B5、n-B10的主要理化參數，n-B5和n-B10分別表示正丁醇質量分數為5%和10%的混合油。從表中可以看出，隨著正丁醇摻混比例的增加，混合油的密度、黏度、低熱值有所降低，這主要是由于正丁醇的密度、黏度、低熱值本身較柴油低。試驗中正丁醇的添加比例較小，溫度對混合油的密度、黏度等影響基本與柴油相近?；旌嫌偷难鹾繌?%上升到2.18%，燃料中的氧來自正丁醇；正丁醇的汽化潛熱高，是柴油的2.8倍，較高的汽化潛熱使最高燃燒溫度降低，有利于抑制NOx的生成；十六烷值是評定燃料著火的重要指標，正丁醇的添加比例為10%時，混合油的十六烷值為54.3，降低了7.9%，著火性能變差。

試驗采用滿足國Ⅱ排放標準的186F柴油機，其主要技術參數見表2。在供油提前角和燃油系統不作改動的條件下，并保持發動機動力性不變，選取了3種正丁醇摻混比例(0%，5%，10%)與柴油進行摻混，形成正丁醇-柴油的混合油。采用Dewetron燃燒分析儀(壓力測量精度 16位分辨率)、AVL735煙度計(精度1%)、FGA-4100汽車排氣分析儀(精度±2%)在標定轉速3 000 r/min和最大扭矩轉速1 800 r/min時，測量了不同負荷下(10%，25%，50%，75%，100%)的氣缸壓力、放熱率以及NOx、炭煙等排放物。探討了柴油機燃用不同混合油的排放特性?？疾煺〈紦交毂葘Ω變葔毫?、壓力升高率及放熱規律的影響，對燃燒過程進行了分析。

表1 燃料主要理化特性

表2 186F柴油機主要技術參數

2 燃燒特性分析

2.1 缸內壓力及壓力升高率

圖1示出1 800 r/min和3 000 r/min時25%和100%負荷下的缸內壓力和壓力升高率曲線。從圖中可以看出，向柴油中添加正丁醇，缸內壓力變化較明顯，除在1 800 r/min，25%負荷時燃燒壓力峰值下降外，其他工況點壓力峰值均增加。

在1 800 r/min，25%負荷時，燃用柴油、n-B5和n-B10的最大燃燒壓力分別為6.2 MPa，5.9 MPa和5.8 MPa，最大燃燒壓力隨正丁醇摻混比例的增加而降低。而在1 800 r/min，100%負荷工況下燃用柴油、n-B5和n-B10的最大燃燒壓力分別為7.6 MPa，7.8 MPa和7.9 MPa，最高燃燒壓力隨正丁醇摻混比例的增加而增加。這主要是因為在低負荷工況下，柴油機的缸內溫度相對較低，正丁醇的汽化潛熱高，使得燃燒溫度進一步降低，抑制了燃料的裂解放熱過程。隨著負荷的增加，缸內燃燒溫度升高，此時正丁醇含氧對缸內燃燒過程起到了促進作用，缸內最大燃燒壓力隨正丁醇添加比例的增加而升高。

在3 000 r/min時，不同負荷下最大燃燒壓力都隨正丁醇添加比例增加而增大，壓力峰值對應的曲軸轉角延遲。這主要是由于正丁醇的加入降低了混合油的十六烷值，使滯燃期延長，著火時刻后移。正丁醇的加入縮短了整個缸內燃燒持續期，增加了放熱集中度，使最高燃燒壓力增加。在100%負荷時壓力峰值對應的曲軸轉角幾乎不變。一方面，正丁醇與OH反應生成1-羥基丁醇和H2O，此反應消耗了燃料和自由基，對反應的進行起阻礙作用；另一方面，在高負荷下，引燃柴油噴射時刻的溫度較高，隨著正丁醇比例的增大，可燃混合氣預混充分，燃燒火焰傳播速度快，著火界限寬，燃燒始點提前，壓力峰值對應的曲軸轉角幾乎不變。

2.2 放熱率

圖2示出4個工況點的放熱率對比，放熱率是通過編制計算程序，利用Matlab軟件計算得到。相對于柴油，n-B5和n-B10的放熱峰值增加，峰值對應的曲軸轉角滯后(見圖2)。在3 000 r/min，100%負荷時，柴油放熱率曲線呈現明顯的雙峰趨勢，隨正丁醇添加比例的增大，放熱率曲線趨于單峰放熱，放熱率峰值明顯升高。高轉速高負荷工況下，柴油的燃燒過程包括預混燃燒和擴散燃燒，呈現2個峰值，正丁醇的加入延長了滯燃期，燃燒過程中充分發揮了含氧量高、燃燒速度快的特點，一旦著火，燃燒速率加快，放熱率峰值增加，放熱曲線趨于單峰放熱。在小負荷工況，燃燒過程以預混燃燒為主，擴散燃燒所占比例較小，放熱率曲線呈現單峰。

3 排放特性分析

圖3示出發動機在3 000 r/min下的CO排放特性。由圖可知，向柴油中添加正丁醇，CO排放明顯增加。在10%負荷時，燃用n-B5和n-B10的CO排放分別比燃用柴油增加了75%和89%。主要原因是，在小負荷時噴油量少，混合氣較稀，正丁醇的汽化吸熱作用明顯，缸內溫度降低，燃燒不完全，生成的CO不能被進一步氧化；此外，由正丁醇的化學動力學反應可知，含氧燃料在燃燒過程中，幾乎所有的初始氧原子在反應中都直接生成CO[11]。因此隨正丁醇比例的增加，CO排放增加。高負荷時，缸內燃燒溫度升高，部分生成的CO被氧化，CO排放降低。

圖4示出柴油機在3 000 r/min下的HC排放特性?？梢钥闯?，隨著負荷的增加，HC排放降低，在10%負荷下，燃用n-B5和n-B10的HC排放分別比燃用柴油增加了44.7%和87.2%。主要原因是，在低負荷時，過量空氣系數較大，有很大區域超過了燃料的可燃稀限，另外缸內溫度低，增大了壁面淬冷區，易產生未燃HC，所以HC排放在低負荷較大，隨著負荷的增大，缸內溫度升高，HC排放有所降低。加入正丁醇后，進一步增大了壁面的淬熄層厚度，且噴霧混合區形成的過稀區增多，因此，相對于燃燒柴油，HC排放升高。

圖5示出發動機在3 000 r/min下NOx排放隨正丁醇摻混比例的變化規律。小負荷工況下，NOx排放隨著正丁醇摻混比例的增大稍有降低，在大負荷工況下，NOx排放隨正丁醇的摻混比例的增大呈現上升的趨勢。柴油機排氣中氮氧化合物主要為NO，燃燒室內的最高燃燒溫度、空燃比和高溫持續的時間是影響NOx生成的主要因素。由燃料特性對缸內最高燃燒溫度和過量空氣系數的影響可知，在小負荷工況下，雖然混合油含氧且過量空氣系數較高，但缸內溫度低，此時NOx排放主要受缸內溫度和高溫持續時間的影響，較低的溫度抑制了NOx的正向反應速率；正丁醇的加入縮短了高溫持續期，所以混合油的NOx排放比柴油低；在大負荷工況下，缸內溫度較高，混合油燃燒溫度較高且含氧，使NOx排放增加。

圖6示出發動機在3 000 r/min下的炭煙排放特性。炭煙的形成的條件是高溫、時間(決定于燃料分子結構對著火延遲期的影響)、缺氧[12]，主要由燃燒室中較濃混合區域內的高分子烴，尤其是由芳香烴高溫缺氧裂解形成的。由圖可知，與柴油相比，n-B5和n-B10的煙度明顯下降。在100%負荷下，燃用n-B5和n-B10的煙度較柴油(3.924 m-1)分別下降了25%和36%。正丁醇的加入降低了混合燃料的黏度，提高了含氧量，有利于改善混合氣的霧化效果，增加了過濃區域的氧原子，使燃燒充分，促進炭煙微粒的氧化；另一方面，正丁醇在燃燒初期發生的分解反應產生大量的自由基—OH，羥基與碳核的前驅體乙炔(C2H2)反應的活化能低[13]，反應迅速，抑制了炭煙的生成。

圖7分析了不同負荷下，3種燃料的NOx排放-煙度的變化關系。從圖中可以看出，由于正丁醇含氧及汽化潛熱高等特性，在小負荷工況下，正丁醇的加入極大地改善了NOx排放-煙度的折中關系，隨著正丁醇摻混比例增加，NOx和煙度均有一定幅度降低；在中高負荷工況下，隨著正丁醇摻混比例增加，NOx和炭煙排放呈現出trade-off關系，炭煙排放有明顯降低，NOx排放有所升高，但升高幅度較小，說明正丁醇具有同時降低NOx和炭煙排放的潛力。

4 結論

a) 隨著正丁醇摻混比的增加，混合油的密度和運動黏度稍有下降，有助于改善燃料的霧化效果；含氧量和汽化潛熱增加；低熱值降低，在摻混大比例正丁醇時，影響柴油機的動力性；

b) 與燃用柴油相比，隨著正丁醇-柴油混合油中正丁醇摻混比例的增加，在高負荷工況下，缸內最大燃燒壓力升高，最大壓力升高率增大，對應的曲軸轉角滯后，放熱率呈現雙峰分布，放熱率峰值增加；小負荷下，預混燃燒所占比例增加，放熱率曲線呈現單峰；

c) 隨著正丁醇添加比例的增加，在高、低負荷工況下，CO和HC排放均有明顯升高，炭煙排放降低幅度較大；NOx排放在低負荷工況下略有降低，在高負荷工況下有所升高。

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[編輯: 李建新]

Effects of n-Butanol-Diesel Blend on Diesel Engine Combustion and Emission

HU Huihui, WANG Zhong, WU Jing, WANG Fei, WANG Yanpeng

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

n-cylinder pressure, heat release rate, NOxand soot emissions of diesel engine fueled with n-butanol-diesel blend were measured and the effect of n-butanol mixing ratio on combustion process was discussed by preparing the blended fuel with different n-butanol content without changing the ignition advance angle and fuel system. Moreover, the influence of n-butano on exhaust pollutants was analyzed. The results indicated that the maximum in-cylinder pressure were 6.2 MPa, 5.9 MPa and 5.8 MPa and slightly decreased at low speed and low load, and the pressure were 7.5 MPa, 7.6 MPa and 7.7 MPa and slightly increased at high speed and high load when n-butanol mixing ratio were 0%, 5% and 10% respectively. With the increase of mixing ratio, CO and HC emissions increased, NOxemission reduced at low load and increased by 6.4% at high load, and soot emission significantly improved and reduced by 25% and 36% respectively at high load while n-butanol mixing ratio were 5% and 10%.

n-butanol; blended fuel; combustion process; emission; diesel engine

2014-09-18;

2014-12-17

國家自然科學基金資助項目(51376083)；江蘇省高校自然科學基金重點項目(10KJA470009)；江蘇省2013年度普通高校研究生科研創新計劃項目號(CXZZ13_0672)；江蘇省2014年度普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX_1035)。

胡慧慧(1988—)，女，碩士，主要從事內燃機代用燃料和燃燒過程模擬的研究;huhuihuinn@126.com。

王忠(1961—)，男，教授，博士生導師，主要從事內燃機代用燃料研究;wangzhong@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.016

TK411.71

B

1001-2222(2015)03-0076-05