摻混比對正丁醇
—柴油混合燃料性能影響的研究

魏勝利，劉旋,盧泓坤,陳　良

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

?

摻混比對正丁醇
—柴油混合燃料性能影響的研究

魏勝利，劉旋,盧泓坤,陳良

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

摘要：為了研究正丁醇—柴油混合燃料對柴油機性能的影響，在一臺單缸風冷柴油機上進行了正丁醇—柴油混合燃料的試驗研究。試驗分別選擇了6種不同摻混比(B5，B10，B15，B20，B30，B40)的正丁醇—柴油混合燃料進行動力性、排放性和燃油經濟性的對比分析。結果顯示，三種轉速下，B5～B30范圍內，隨著正丁醇摻混比的增加，缸內平均壓力和燃燒放熱率峰值逐漸升高，且放熱率峰值后移。額定工況(3 600 r/min，100%負荷)下，B40混合燃油缸內平均壓力峰值低于純柴油，柴油機功率下降。隨著摻混比的增加，小負荷(10%和25%負荷)時，NO排放略有降低，幅度為3.71%～11.6%。大負荷(75%和100%負荷)時，NO排放隨摻混比增加逐漸增多。額定工況時，B40的NO排放相對純柴油升高14.1%，B30升高11.3%。所有工況下，碳煙排放隨摻混比增加都有一定程度降低。大負荷高轉速(3 600 r/min)時，碳煙排放降低最為明顯。額定工況下，B40的碳煙降低達50.9%，B30降低43%。B0～B30范圍內，燃油消耗率相對純柴油變化不明顯，B40時顯著上升。從動力性，排放性及燃油經濟性三方面綜合考慮，B30為最優方案。

關鍵詞：正丁醇;柴油;摻混比;試驗;燃燒排放;燃油經濟性

0概述

全球排放法規的日益嚴格對于當今柴油機的燃燒及排放提出了巨大挑戰，碳煙作為柴油機的主要污染物之一，長期以來是柴油機排放控制的重點。內燃機替代燃料的高效清潔燃燒是解決能源危機和尾氣排放問題的有效方法之一。

正丁醇是一種極具潛力的新型生物燃料，被稱作第二代生物燃料[1]。正丁醇作為一種含氧燃料，來源廣泛，制取方便，可通過植物發酵法獲得。針對含氧燃料對柴油機燃燒和排放的影響，Rakopoulos等[2]研究證明含氧燃料的摻入可以大幅度降低碳煙的排放。Juhun等[3]認為含氧燃料降低碳煙生成主要源于三個方面：①含氧燃料可以稀釋柴油中的芳香烴等成分；②化學成分的改變對燃燒火焰溫度的影響；③含氧燃料本身對碳煙生成具有抑制作用。從物理性質來看，相對于乙醇，正丁醇的能量密度要高23%左右，因此相同質量的正丁醇比乙醇多輸出23%的動力。正丁醇與柴油的互溶性更好，不需要添加任何助溶劑[4]，靜置15 d以上不會發生分層現象。正丁醇的腐蝕性小，不需要對發動機結構做出很大的改變，可采用現有的燃油供給系統[5]。正丁醇十六烷值比較高，更接近于柴油的物理性質。研究表明，相對于其他醇類，燃用正丁醇的發動機性能更接近于柴油機的發動機性能[6]。

近年來，國內外對正丁醇也有了一定程度的研究。天津大學的張全長等[7]研究了不同比例的正丁醇—柴油混合燃料對碳煙排放規律的影響，結果顯示在柴油中添加正丁醇能明顯降低碳煙的排放，而且隨著正丁醇摻混比越高，碳煙降低越多。Mingfa Yao等[8]在柴油中添加正丁醇，研究了正丁醇摻混比對柴油機燃燒和排放的影響規律，結果顯示，在NO排放基本保持不變的情況下，添加正丁醇能明顯降低碳煙和CO的排放。Karabektas等[9]在一臺四沖程自然吸氣柴油機上進行柴油丁醇混合燃料的外特性試驗，結果表明當丁醇體積比為10%時，功率較原機無明顯變化，熱效率有一定增加。

在發動機實際運行過程中，運行工況、摻混比、燃油噴射壓力、EGR(排氣再循環)率以及渦流比等邊界條件對混合燃料的燃燒過程影響比較明顯。因此，要深入認識正丁醇—柴油燃料對柴油機燃燒及排放規律的影響，為高效清潔燃燒提供更有價值的指導，需要針對不同的邊界條件進行研究。筆者針對正丁醇—柴油含氧燃料的特性，分別進行了6種正丁醇摻混比(B5，B10，B15，B20，B30，B40)在3種轉速(1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min)、5種負荷(10%，25%，50%，75%，100%負荷)下的發動機臺架試驗，以此研究不同摻混比對混合燃料的燃燒、排放及燃油經濟性的影響。

1試驗裝置及研究方法

1.1試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要包括發動機、CWF25D電渦流測功機、德維創DEWE-800燃燒分析儀、FGA-4100尾氣分析儀、FBY-201煙度計、缸壓傳感器、溫度傳感器等測試設備。其中尾氣分析儀的測量精度是1×10-6，煙度計的測量精度是0.1 FSN。試驗發動機為一臺186FA柴油機，具體參數如表1所示。

1.正丁醇—柴油油箱;2.柴油油箱;3.缸壓傳感器;4.角標儀;　5.測功機;6.柴油機;7.信號放大器;8.閥座;9.尾氣分析儀;　10.煙度計;11.燃燒分析儀;12.溫度傳感器圖1　試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic of experimental setup

基本項目柴油機參數發動機類型額定轉速/(r·min-1)單缸風冷3600缸徑×行程/mm86×72連桿長度/mm118額定功率/kW6.6氣缸工作容積/L0.418壓縮比19燃燒室形狀ω

1.2研究方法

在制備混合燃料的過程中，發現柴油和正丁醇的相溶性和穩定性很好，在不添加任何助溶劑的條件下，靜置15 h沒有出現分層現象。在0#柴油中分別添加體積比例為5%，10%，15%，20%，30%，40%的正丁醇，記為B5，B10，B15，B20，B30，B40。經測量和計算，6種不同比例的正丁醇—柴油混合燃料的物理性質對比如表2所示。由表2可以看出，柴油中添加正丁醇后混合燃料的物理性質有所改變：隨著正丁醇摻混比的增加，密度和低熱值均變小，含氧量逐漸增加，汽化潛熱也逐漸增大。這些混合燃料物理性質的改變在一定程度上影響缸內的燃燒反應過程，進而對發動機的燃燒排放性和燃油經濟性產生不同程度的影響。

表2　試驗燃料主要物理性質對比

2試驗結果和分析

2.1正丁醇—柴油混合燃料對發動機燃燒過程的影響

圖2所示，當轉速分別為1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min時，100%負荷工況下，不同正丁醇摻混比混合燃料的缸壓曲線對比。由圖2(a)和圖2(b)可以看出，在中低轉速(2 700 r/min和1 800 r/min)下，隨著正丁醇摻混比的增加，缸內最大爆發壓力呈現逐漸升高的趨勢。這是因為首先正丁醇的揮發性高于柴油，摻混比增加，揮發效果更明顯，滯燃期形成的混合氣增加，使混合燃料定容燃燒過程程度高、燃燒速度快[10]；其次，正丁醇自身含氧，參與化學反應后能提供氧，使混合氣燃燒速率加快[11]；最后，正丁醇—柴油混合燃料的十六烷值低于純柴油，導致滯燃期增加。在這三者的共同作用下柴油摻混正丁醇后缸內最大爆發壓力上升。在3 600 r/min時，隨著摻混比的增加，缸內最大爆發壓力呈現先升高后降低的趨勢。當正丁醇比例達到40%時，降低幅度為10.5%。主要原因是：一方面，正丁醇的十六烷值低于柴油，汽化潛熱高于柴油，滯燃期過長[12]；另一方面，由于在高轉速(3 600 r/min)下，活塞往復運動速率加快，滯燃期持續到活塞下行時段；兩者共同作用使最大爆發壓力大幅降低。三種轉速下，B5～B30范圍內，缸內最大爆發壓力上升幅度為0.8%～7%。最大爆發壓力是內燃機零部件強度的主要評判標準。因此燃用正丁醇—柴油混合燃料對缸蓋和缸體的應力沖擊不會太大，這樣在不需要對原機結構進行改造的條件下就能使正丁醇燃料在柴油機得到廣泛的應用。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

圖2三種轉速不同摻混比下的缸壓曲線對比

Fig.2Comparison of cylinder pressure in different mixing ratio with three engine speed

圖3所示轉速分別為1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min，100%負荷時，不同摻混比燃料的燃燒放熱率曲線對比。可以看出，隨著摻混比的增加，燃燒放熱率峰值逐漸升高。這是因為隨著正丁醇比例的增大，混合燃料的十六烷值降低和汽化潛熱升高共同決定了滯燃期明顯延長，滯燃期內形成的可燃混合氣數量增加，預混燃燒增強；同時混合燃料中的氧濃度不斷增加，加快了燃燒反應速率,因此燃燒放熱率峰值逐漸升高。還可以看出，隨著摻混比的增加，最大爆發壓力和瞬時燃燒放熱率的峰值逐漸后移，這主要是由于混合燃料的十六烷值降低，著火性變差導致。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

圖3三種轉速不同摻混比下的燃燒放熱率對比

Fig.3Comparison of combustion heat release rate in different mixing ratio with three engine speed

2.2正丁醇—柴油混合燃料對發動機排放物NO的影響

三種轉速下，混合燃料的NO排放量隨摻混比和負荷的變化如圖4所示。可以看出，在同一轉速下，隨著負荷的增加，NO的排放量呈明顯升高的趨勢。因為NO主要產生在高溫，富氧和足夠的持續時間條件下，在相同轉速時，隨著負荷的提高，每循環噴入缸內的燃料增加，缸內的平均有效壓力增大，最高燃燒溫度升高，因此NO排放隨著負荷的增加而升高[13]。

小負荷(10%和25%負荷)時，NO排放隨摻混比的增加略有降低，降低幅度約為3.71%～11.6%。2 700 r/min時，中等負荷(50%負荷)工況下混合燃料的NO的排放量與純柴油的基本相當。1 800 r/min和3 600 r/min時，與純柴油相比，中等負荷混合燃料的NO排放有所降低，幅度為2.94%～17.8%。這是因為一方面中小負荷時，噴油量較少，燃料產生的熱量低，缸內溫度相對較低。而且正丁醇的汽化潛熱高，熱值較低，導致混合氣燃燒時缸內溫度較低，抑制NO的形成；另一方面，正丁醇是含氧燃料，使混合氣燃燒速率加快，燃燒更加完善，會導致NO偏高。小負荷時前者起主導作用，所以NO排放量較低。2 700 r/min是最大轉矩轉速，由于中等負荷時噴油量增多，后者作用明顯，因此NO排放無明顯變化。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

圖4三種轉速不同摻混比下的NO排放量對比

Fig.4Comparison of NO emissions in different mixing ratio with three engine speed

大負荷(75%和100%負荷)時，NO的排放量隨摻混比的增加而明顯升高。三種轉速下，混合燃料比純柴油NO的排放有所增加，幅度為4.9%～22%。額定工況(3 600 r/min,100%負荷)點B40增加14.1%，B30增加11.3%。這是因為大負荷時，每循環噴油量增多，燃料產生的熱量增多，缸內溫度升高。同時隨著正丁醇的增加，氧濃度增加，燃燒速率增加，燃燒溫度更高，高溫持續時間變長，這樣共同作用使NO的排放量增大。

2.3正丁醇—柴油混合燃料對發動機排放物碳煙的影響

圖5為不同摻混比下的碳煙排放量對比。可以看出，在1 800 r/min和3 600 r/min時，隨著負荷的增加，碳煙排放逐漸升高。2 700 r/min時，隨著負荷的增加，碳煙排放呈現先升高后降低再升高的趨勢，碳煙生成主要是由于高溫缺氧所致，在小負荷時，每循環噴油量較少，導致缸內溫度較低，混合氣空燃比較大，因此碳煙生成量最低。而隨著負荷的增加，噴油量增加，缸內溫度逐漸升高，由于柴油是非均質混合燃燒，缸內局部缺氧地區相對增加，因此大負荷時碳煙排放升高。而2 700 r/min時，是最大轉矩轉速，此時柴油機缸內的進氣渦流組織較好，更有利于燃油與空氣的混合，中等負荷時噴油量相對適中，在大渦流比的條件下油氣混合更加均勻，因此該轉速下的中等負荷碳煙排放量較低。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

圖5三種轉速不同摻混比下的碳煙排放量對比

Fig.5Comparison of soot emissions in different mixing ratio with three engine speed

在所有工況點，隨著正丁醇摻混比的增加，碳煙均有一定程度降低。降低幅度為2.6%～50.9%，額定工況點時，B40碳煙降低50.9%，B30降低43%。大負荷時碳煙降低程度比中小負荷時更為明顯。主要因為：首先，正丁醇是含氧燃料，碳煙的生成主要集中在預混濃混合氣燃燒階段，而混合燃料為局部高溫缺氧區域提供氧量，減少了燃料燃燒過程中的局部缺氧情況，促進了混合氣燃燒，在一定程度上減少了缺氧產生的碳煙[14]。其次，正丁醇—柴油混合燃料的汽化潛熱和蒸發性要高于純柴油，在噴油過程中，燃料蒸發降低了缸內溫度，混合燃料發生高溫裂解的效率降低，同時混合燃料的蒸發加快了燃油空氣的混合，最后，正丁醇的十六烷值低延長了滯燃期，使燃料和新鮮空氣的混合更加充分，燃燒效率更高。因此，三種因素共同導致了碳煙的降低。

2.4正丁醇—柴油混合燃料對發動機燃油消耗率的影響

由圖6可以看出，在同一轉速下，中大負荷(50%、75%和100%負荷)時燃油消耗率明顯低于小負荷(10%、25%負荷)。隨著正丁醇摻混比的增加， B5～B30混合燃料燃油消耗率上升不明顯，部分工況點油耗略有下降，絕大多數工況下，B30的燃油消耗率比純柴油略高，最大幅度為4.7%。而B40燃油消耗率相對其他混合燃料有明顯增加，最大幅度為23%。這是因為正丁醇的熱值較低，混合燃料中正丁醇摻混比越大，燃料的熱值就越低，想要達到同樣的功率必須燃燒更多的燃料。

(a) 1 800 r·min-1

(b) 2 700 r·min-1

(c) 3 600 r·min-1

圖6不同摻混比下的油耗對比

Fig.6Fuel consumption comparison in different mixing ratios

綜上所述，動力性方面，在一定范圍內，缸壓峰值隨摻混比的增加而升高，動力增強，但B40混合燃料在額定工況(3 600 r/min、100%負荷)下功率下降，達不到功率要求。排放性方面，相同轉速下，負荷越大，混合燃料對排放的影響越明顯。整體來看，大負荷高轉速(75%和100%負荷，3 600 r/min)下影響最為顯著。B40相對于純柴油的NO排放上升幅度最大，碳煙排放下降幅度最大。燃油經濟性方面，B40燃油消耗率相對于純柴油有明顯升高，經濟性明顯下降。

3結論

①在B0～B30范圍內，隨著正丁醇摻混比的增加，混合燃料的滯燃期延長，油氣混合更加充分，燃燒速率加快，缸內最大爆發壓力呈逐漸升高的趨勢，有助于提升發動機的功率，滿足動力要求。額定工況下，當正丁醇比例達到40%時，缸內最大爆發壓力相對純柴油降低10.5%，功率減小。

②在同一轉速下，正丁醇—柴油混合燃料對大負荷工況點的排放影響比中小負荷更加明顯。小負荷時，混合燃料的NO和碳煙排放略低于純柴油，各種混合燃料之間排放相差不明顯。中等負荷下，隨著摻混比的增加，混合燃料和柴油的NO排放基本相當，碳煙排放逐漸降低；大負荷時，隨著摻混比的增加，NO排放普遍升高，而碳煙排放顯著降低。額定工況時，B40碳煙的降低幅度最大，相對純柴油降低約50.9%，而B30降低約43%。B40的NO相對純柴油升高14.1%，B30升高11.3%。相同負荷條件下，正丁醇—柴油混合燃料對三種轉速下的排放都有明顯影響。

③1 800 r/min，2 700 r/min，3 600 r/min三種轉速下，B5～B20混合油的燃油消耗率相對純柴油上升不明顯，部分工況點略有下降。隨著摻混比的逐漸增加，燃油消耗率逐漸升高，B30混合油相對于純柴油最高上升4.7%，B40的燃油消耗率相對純柴油上升幅度最大為23%。

④綜合對比分析，B0～B20范圍內混合燃料對NO和碳煙的排放影響不明顯。但是當達到B40時，額定工況點缸內壓力峰值下降較多，已不能達到工況點原機功率，且油耗相對純柴油上升較多，經濟性下降。結果顯示，B30可以在保證動力性的同時，又使碳煙排放大幅度減少，且燃油消耗量并無明顯增加。因此，B30為最優方案。

參考文獻：

[1]曾現軍，鄧建，孔華，等.丁醇作為車用替代燃料的研究進展[J]. 小型內燃機與摩托車，2012,41(1)：76-77.

[2]RAKOPOULOS D C,RAKOPOULOS C D,PAPAGIANNAKIS R G,et al.Combustion heat release analysis of ethanol or n-butanol diesel fuel blends in heavy-duty DI diesel engine[J]. Fuel,2011,90(5):1855-1867.

[3]JUHUN S，VINCE Z. Comparison of the impact of intake oxygen enrichment and fuel oxygenation on diesel combustion and emission[J]. Energy & Fuels,2004,18(5):1282-1290.

[4]JIN C,YAO M-F,LIU H-F,et al.Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(8):4080-4106.

[5]陳征，韓志玉，杜標，等.丁醇柴油混合燃料在輕型車模擬工況試驗研究[J]. 內燃機工程，2012,33(6)：14-15.

[6]韓志玉，邱贊卿，陳征，等.丁醇比例對柴油-丁醇復合噴油燃燒的影響[J]. 燃燒科學與技術，2013,19(3)：201.

[7]張全長，堯命發，鄭尊清，等.正丁醇對柴油機低溫燃燒和排放的影響[J]. 燃燒科學與技術，2010,16(4)：363-366.

[8]YAO M-F,WANG H,ZHENG Z-Q,et al.Experimental study of n-butanol additive and multi-injection on HD diesel engine performance and emissions[J]. Fuel,2010,89(9):2191-2201.

[9]KARABEKTAS M, HOSOZ M. Performance and emission characteristics of a diesel engine using isobutanol-diesel fuel blends[J]. Renewable Energy,2009,34(6):1554-1559.

[10]杜標.乘用車柴油機燃用丁醇柴油混合燃料的試驗研究[D]. 長沙：湖南大學，2011.

[11]鐘文.農用柴油機清潔燃燒的燃燒排放性能試驗研究[D]. 南寧：廣西大學，2014.

[12]陳征，吳振闊，韓志玉，等.添加高比例丁醇對柴油機燃燒和排放的影響[J]. 燃燒科學與技術，2014，20(2)：129-131.

[13]莫春蘭，鐘文，陸永卷，等.柴油機摻燒醇類燃料燃燒及排放特性的試驗研究[J]. 廣西大學學報(自然科學版)，2014,39(5):1002-1004.

(責任編輯梁健)

Research on the influence of mixed ratio on the performance of mixed fuel ofn-butanol and diesel fuel

WEI Sheng-li, LIU Xuan, LU Hong-kun, CHEN Liang

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

Abstract:In order to study the influence of n-butanol/diesel blended fuel on diesel engine performance, the test of n-butanol/diesel fuel blends is carried out with a single cylinder air-cooled diesel engine. Six kinds of mixed fuels with different mixing ratio are made up for engine test to compare and to analyze engine dynamics, emission behavior and fuel economies. The six mixed fuels are named of B5, B10, B15, B20, B30, B40, respectively. The results show that with the increase of the mixing ratio of n-butanol, the average pressure of cylinder and combustion heat release rate increase gradually, and the peak of the heat release rate move backward in the three kinds of engine speeds and the range of B5～B30. In rated condition (3 600 r/min and 100% load), the average cylinder pressure peak of mixed fuel B40 is lower than that of pure diesel, and the power of the diesel engine is decreased. With the increase of mixing ratio, NO emission decreases slightly in the low load (10% and 25% load) with the amplitude from 3.71% to 11.6%.The NO emission increases gradually with the increase of mixing ratio in the heavy load (75% and 100% load). The NO emissions of B40 and B30 increased about 14.1% and 11.3% in the rated condition. The soot emission decreases with the increase of the mixing ratio in all working conditions. The emission of soot is most obvious on the high load and high speed (3 600 r/min). The soot of B40 at rated condition decreased about 50.9%. B30 decreased about 43%.In the range of B0～B30, the fuel consumption rate is not obvious compared with diesel, and it is obviously increased of B40 mixed fuel. In the consideration of the dynamics, emissions and fuel economy, B30 is the optimal solution.

Key words:n-butanol; diesel; mixed ratio; test; combustion and emissions; fuel economy

中圖分類號：TK422

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0412-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0412

通訊作者：魏勝利(1978—)，男，陜西鳳翔人，江蘇大學副教授，博士; E-mail: weishengli@ujs.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51106065，51366002)；江蘇大學“青年骨干教師培養工程”資助項目(江大校〔2011〕277號)

收稿日期：2015-12-01；

修訂日期：2016-01-06

引文格式：魏勝利,劉旋,盧泓坤,等.摻混比對正丁醇—柴油混合燃料性能影響的研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：412-418.